具有复合式发电机的发电装置及其发电方法
专利汇可以提供具有复合式发电机的发电装置及其发电方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种具有复合式发 电机 的发电装置及其发电方法，所述复合式发电机是由一主发电机及一辅助发电机构成，所述主发电机与所述辅助发电机是具有不同特征且是以机械方式耦合至 原动机 ，其中所述辅助发电机的额定功率小于所述主发电机的额定功率，当所述原动机初期低速运转时首先驱动所述辅助发电机，待所述原动机转速达一设定值时，再驱动所述主发电机运转，藉此提升发电机及所述装置的整体性能及 电网 稳定性 ，并进一步降低运转的 能量 成本。，下面是具有复合式发电机的发电装置及其发电方法专利的具体信息内容。
1.一种具有复合式发电机的发电装置，其特征在于，包括有：
至少一复合式发电机，其更包括有：
一主发电机；以及
一辅助发电机，其额定功率是小于所述主发电机的额定功率，且所述辅助发 电机的运作原理是不同于所述主发电机；以及
一原动机，是与所述复合式发电机耦合并可驱动所述复合式发电机；
通过前述的组合，而于所述原动机初期低速运转时，首先驱动所述辅助发电 机运转发电，待所述原动机转速达一设定值时，再驱动所述主发电机运转发电。
2.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述辅助发 电机的额定功率是不大于所述主发电机的额定功率的1/3。
3.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述主发电 机为一双馈式感应发电机，其定子线圈是连接至一电网；所述辅助发电机为一同 步发电机。
4.如权利要求3所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于，更包括有： 一背对背波宽调变型电力转换器，其包括有：
一转子侧电力转换器，是连接所述主发电机的转子；
一电网侧电力转换器，是连接至一电网；
一直流总线，是设置于所述转子侧电力转换器与所述电网侧电力转换器之间， 所述直流总线的电压是由所述电网的电压决定；以及
一交直流电力转换器，是连接所述辅助发电机的定子，其输出端是连接所述 直流总线。
5.如权利要求4所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述电网侧 电力转换器是连接一耗能性负载。
6.如权利要求4所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述交直流 电力转换器可以一主动式整流升压电路或波宽调变型双向电力转换器其中之一替 代的。
7.如权利要求4所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：更包括一电 源供应系统，用以提供操作电源，所述电源供应系统具有至少一种输入电源。
8.如权利要求7所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述电源供 应系统的输入电源是可由所述直流总线或所述辅助发电机的定子输出电压所提 供。
9.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：更包括一控 制器，是用以控制所述发电机作动，包括可用以将所述主发电机及辅助发电机的 控制模式转换为功率控制或转矩控制模式。
10.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述主发 电机与所述辅助发电机是透过一齿轮组与所述原动机耦合，由所述原动机间接驱 动。
11.如权利要求10所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述主发 电机与所述辅助发电机是共享一驱动轴与所述齿轮组连接。
12.如权利要求10所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述主发 电机与所述辅助发电机是透过所述齿轮组的不同输出轴与所述原动机连接。
13.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述辅助 发电机是直接与所述原动机耦合，由所述原动机直接驱动。
14.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述原动 机可由风力或水力能源驱动转动。
15.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述原动 机为叶轮，所述叶轮具有多个叶片，且所述叶片的旋角具有可调整性，藉以控制 叶片所能撷取的能量，继而改变所述叶轮的输出功率。
16.如权利要求15所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述叶片 的旋角是由一旋角控制模块控制的。
17.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述辅助 发电机具有一短路电路，使所述辅助发电机的定子线圈可作短暂时间的短路，用 以提供所述原动机一煞车减速转矩以降低转速。
18.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述主发 电机是由感应发电机、同步发电机、直流发电机，以及磁阻发电机所组成的群组 中选出。
19.如权利要求1所述的具有复合式发电机的装置，其特征在于：所述辅助 发电机是由感应发电机、同步发电机、直流发电机，以及磁阻发电机所组成的群 组中选出。
20.一种具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征在于，包括下列 步骤：
(a)提供一复合式发电机以及一原动机，所述原动机是耦合至所述复合式发 电机并驱动的；所述复合式发电机包括有一主发电机以及一辅助发电机，所述辅 助发电机的额定功率是小于所述主发电机的额定功率，且所述辅助发电机的运作 原理是不同于所述主发电机；
(b)当所述原动机于初期低速运转时，首先驱动所述辅助发电机运转发电； 以及
(c)待所述原动机达到一设定转速时，再由所述原动机驱动所述主发电机运 转发电。
21.如权利要求20所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于，更包括一电压控制程序，其包括下列步骤：
-通过一控制器将所述辅助发电机的输出电压转换并充电至一设定的参考电 压值；以及
-将所述达到设定参考电压值的电压传送至一电力转换器，由所述电力转换器 控制电压。
22.如权利要求21所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述控制器是用以控制所述发电机作动，包括可用以将所述主发电机及辅 助发电机的控制模式转换为功率控制或转矩控制模式。
23.如权利要求21所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：
所述电力转换器为一背对背波宽调变型电力转换器，其包括有：
一转子侧电力转换器，是连接所述主发电机所具有的转子；
一电网侧电力转换器，是连接至一电网；以及
一直流总线，是设置于所述转子侧电力转换器与所述电网侧电力转换器之间， 所述直流总线的电压是由所述电网的电压决定；
所述辅助发电机具有至少一定子，所述定子是连接一交直流电力转换器，所 述交直流电力转换器的输出端是连接所述直流总线；
藉此，由所述控制器将所述辅助发电机的输出电压经由所述交直流电力转换 器对所述直流总线充电至一设定的参考电压值，再将所述达到参考电压值的电压 传送至所述电网侧电力转换器，由所述电网侧电力转换器控制电压。
24.如权利要求23所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述交直流电力转换器是以缓升方式对所述直流总线充电。
25.如权利要求23所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述交直流电力转换器可以一主动式整流升压电路或波宽调变型双向电力 转换器其中之一替代的。
26.如权利要求23所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述电压控制程序更包括一电压平衡程序，是用以保持电网电压于一合理 值，其包括下列步骤：
-判断电网电压状态；
-当电压低于合理值时，由所述交直流电力转换器接手控制所述直流总线的电 压，并由所述控制器控制所述电网侧电力转换器输出虚功，以及降低所述原动机 转速；以及
-待电网电压复原至合理值后，再驱动所述主发电机恢复至正常运转模式。
27.如权利要求26所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：更包括一降压步骤，当所述主发电机转子持续运转并导致所述直流总线电 压超过一合理值时，则禁制所述电网侧电力转换器运作，并启动一耗能性负载， 以协助所述直流总线电压下降至合理值。
28.如权利要求23所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：是通过一电源供应系统提供操作电源，所述电源供应系统具有至少一种输 入电源。
29.如权利要求28所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述电源供应系统的输入电源是可由所述直流总线或所述辅助发电机的定 子输出电压所提供。
30.如权利要求20所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述步骤(b)，当所述原动机达到一额定转速时即停止加速，使维持所述额 定转速下的输出功率。
31.如权利要求30所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述辅助发电机的定子线圈可作短暂时间的短路，用以提供所述原动机一 煞车减速转矩，使所述原动机的转速降低。
32.如权利要求20所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述辅助发电机的额定功率是不大于所述主发电机的额定功率的1/3。
33.如权利要求20所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述辅助发电机为一同步发电机，所述主发电机为一双馈式感应发电机。
34.如权利要求30所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述原动机是透过一齿轮组与所述复合式发电机耦合，由所述原动机间接 驱动。
35.如权利要求34所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述复合式发电机的多个发电机是共享一驱动轴与所述齿轮组连接。
36.如权利要求34所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述复合式发电机的多个发电机是透过所述齿轮组的不同输出轴与所述原 动机连接。
37.如权利要求30所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述原动机是直接与所述额定功率较小的发电机耦合，由所述原动机直接 驱动。
38.如权利要求30所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述原动机为叶轮，所述叶轮可由风力或水力能源驱动转动。
39.如权利要求38所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述叶轮具有多个叶片，所述叶片的旋角具有可调整性，藉以控制叶片所 能撷取的能量，继而改变所述叶轮的输出功率。
40.如权利要求39所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述叶片的旋角是由一旋角控制模块控制的。
41.如权利要求20所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述主发电机是由感应发电机、同步发电机、直流发电机，以及磁阻发电 机所组成的群组中选出。
42.如权利要求20所述的具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其特征 在于：所述辅助发电机是由感应发电机、同步发电机、直流发电机，以及磁阻发 电机所组成的群组中选出。
技术领域
本发明涉及一种具有复合式发电机的发电装置及其发电方法，特别涉及一种 兼具双馈式感应发电机(Doubly-fed Induction Generator：DFIG)与同步发电机 (Synchronous Generator：SG)优点的发电机架构，其输出功率是以双馈式感应发电 机为主，同步发电机为辅，且后者额定功率不大于前者额定功率的1/3，有助于提 升发电机及其所驱动的装置的整体性能及电网稳定性，并进一步降低运转的能量 成本，适于发电机应用及制造等相关领域。
背景技术
由于变速发电机可改善上述感应发电机缺点，目前已成为大型风力机市场主 流，其所采用的变速发电机以感应发电机及同步发电机(Synchronous Generator： SG)为主，然由于必须搭配电力转换(Power Converter)器进行变速控制，因此成本 较高。
就感应发电机而言，为符合电网的电压大小及频率，应用于变速风机的感应 发电机必须搭配一组背对背式(back to back)波宽调变(Pulse-Width Modulation： PWM)型电力转换器，若使用鼠笼式感应发电机(Squirrel-cage Induction Generator： SCIG)，必须使用全功率的电力转换器，若采用绕线转子式(Wound-rotor)感应发电 机，即所谓的双馈式感应发电机(Doubly-fed Induction Generator：DFIG)，则其使用 的电力转换器仅须一般电力转换器1/3的功率，较具成本优势，在大型风力机的 市场占有率约70％，为目前最主流的架构；除此之外，因激磁电流的考虑，感应 发电机无法做多极数设计，故亦必须搭配齿轮组来增速运转。
就同步发电机而言，同步发电机可采多极设计，转子上可使用永久磁铁激磁 以减少铜损，即所谓的永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator： PMSG)，较适用于无齿轮(Gearless)的直驱架构，因此可简化传动系统，且其能量 转换效率较高，然而目前皆为客制产品，且必须使用全功率电力转换器，成本甚 高。
对照上述双馈式感应发电机及同步发电机两种发电机系统的性能，可比较出 以下主要优劣势：
·双馈式感应发电机
须使用齿轮组增速，而转子上则须安装滑环，故必须进行定期维修；
不须使用全功率电力转换器，其滑差转速范围为±30％以内，因此风力机的 切入(cut in)转速有一下限值；
采用部分功率电力转换器，风力机运转时，定子与电网连接，因此发电机与 电网无法完全解耦，当电网电压骤降时，风力机无法维持正常运转，因此欲依电 网营运者要求维持在网输出虚功，以协助恢复电网电压，其实施的技术困难度较 高；
激磁电流须由外部供应，因此不易在离岛地区独立运转。
·同步发电机
可采无齿轮直驱式设计，不存在齿轮组维修的问题，可靠度较高，但直驱式 对应的发电机转矩较大，直径较大，功率大型化的后较不利于运输安装；
采用全功率电力转换器，转速控制范围可由零转速至额定转速，无运转低限 值，因此风力机可以由较低的切入(cut in)转速开始运转；
采用全功率电力转换器，因此发电机与电网完全解耦(decoupled)，当电网电 压骤降时，风力机有能力继续运转，因此可依电网营运者的要求维持在网输出虚 功，协助恢复电网电压。
因是独立激磁，叶片转动后即可带动发电机输出电压，因此可独立运转，适 合应用于离岛地区。
综合上述可知，双馈式感应发电机的劣势在于其系统解耦性较逊于同步发电 机，而同步发电机则有系统成本较高，及大型化不易等缺点。
其次，目前风力机中极大多数是由单一发电机所构成，虽然已具有实用性， 但受限于其选用发电机的特性，无法提升至融合其它发电机的优点；而少数采用 多个发电机设计的风力机，其共同的概念在于：较小功率的发电机或其搭配的电 力转换器较易制作或取得，且吊装运输较方便，因此以多个发电机来合成其所设 计的额定输出功率。
以产品特点而言，采用多个发电机设计的风力机可以丹麦Vestas公司的 V47(660kW)、以及美国Clipper公司的Liberty(2.5MW)为代表，前者结构如图1 所示，属传统定速风力机，其具有一主发电机9、一副发电机16，其操作原则是 于起动及低风速时使用较小功率的副发电机16，超过某一风速后则使用具额定功 率的主发电机9；后者结构如图2所示，为近年来变速风力机市场上的新产品， 特色为采用所述公司美国专利6304002号的设计，其多个发电机70是采用较小且 相同功率的鼠笼式感应发电机或永磁同步发电机，吊装方便，且具有备援 (Redundancy)的功能，然而所述多个发电机70仍属同种类的发电机，故仍受限 于所述类发电机的特性。
再请参阅图3所示，松尾桥梁株式会社于1997年获准公告的日本发明专利特 开平9-60575号「风力发电设备」，所述案揭露一种主风力机与辅助风力机搭配 的架构，其是包括由自激式感应发电机3构成的主风力机1，以及同步发电机4 构成的辅助风力机2，所述主风力机1是于电网正常供电时由电网获得激磁电流， 并将发电量馈送上网，所述辅助风力机2则提供电网断电或独立运转时的辅助电 源，换言的，所述主风力机1与所述辅助风力机2是独立运作，其架构仅在于提 供一组备用风力基，并无法透过两组风力机同时运作而提升发电效率。
再请参阅图4及图5，所述等图式是揭露美国发明专利第5365153号，所述 专利揭露一种驱动电动车电池1的交流马达M，其包括一永磁同步马达20、以及 一感应马达30，所述永磁同步马达20、感应马达30同轴设置于转轴11上，其转 子20、30分别通过连接线24、34电连接于不同的两反相器28、38输入交流电流， 以独立驱动所述永磁同步马达20及感应马达30，而所述反相器28、38与电池1 之间设有开关27、37，由控制系统45侦测半导体装置25、35并控制开关27、37； 在此种配置模式下，所述电动车是能结合同步马达20及感应马达30各自于不同 转速时的扭力输出特性，因此不管是在高转速或低转速下都可获得充沛动力，使 得所述复合式马达具有较大的速度控制范围，达到截长补短的功效。
发明内容
本发明的次要目的在于提出一种具有复合式发电机的发电装置及其发电方 法，具有双馈式感应发电机与同步发电机的双马达架构，利用同步发电机的运转 范围不受±30％滑差转速限制的特性，于滑差转速大于+30％的低转速下即可先投 入进行发电运转，亦即风力机的切入风速可以降低，因此年发电量可以提高，有 助于减少风力机的平均能量成本。
本发明的另一目的在于提出一种具有复合式发电机的发电装置及其发电方 法，具有双馈式感应发电机与同步发电机的双马达架构，当电网电压骤降时，导 致双馈式感应发电机转子上所连接的电力转换器可能因超过其允许运转条件而被 禁制(disabled)，无法负责维持直流总线的电压时，所述同步发电机的交直流电力 转换器可立刻接手负责维持直流总线的电压，使风力机可依指令输出虚功，协助 恢复电网电压。
本发明的又一目的在于提出一种具有复合式发电机的发电装置及其发电方 法，具有双馈式感应发电机与同步发电机的双马达架构，因同步发电机是独立激 磁，故叶片转动后即可使同步发电机输出电压，并可经由交直流电力转换器在直 流总线上建立固定的电压，因此即使无电网可连接，风力机系统亦可自行输出固 定电压及频率，并提供激磁电流给双馈式感应发电机使其运转发电，因此可以独 立运转，适合应用于离岛地区。
本发明的再一目的在于提出一种具有复合式发电机的发电装置及其发电方 法，具有双馈式感应发电机与同步发电机的双马达架构，若以成本考虑为主，同 步发电机的功率可远小于双馈式感应发电机，较容易以定制，或选用现有标准产 品的方式来取得；由于功率小，故此同步发电机(SG)及其搭配的电力转换器的取 得成本皆低，且由于新增功率相当有限，前述背对背式波宽调变(PWM)型电力转 换器可仍然依据双馈式感应发电机的规格，因此发电机系统成本增加极有限，估 计可控制于10％以内。
本发明的再一目的在于提出一种具有复合式发电机的发电装置及其发电方 法，具有双馈式感应发电机与同步发电机的双马达架构，同步发电机的输出可经 过适当转换器作为风力机内部电控系统(如旋角控制系统)的辅助电源，因此当风 力机在运转过程中遇到电网故障时，电控系统毋需完全依外接不断电系统(UPS) 来提供电源，可以提高系统运转的可靠度。
本发明的再一目的在于提出一种具有复合式发电机的发电装置及其发电方 法，应用于风力机系统时，可使风力机系统的性能以及性价比优于目前任一型式 的风力发电机，与双馈式感应发电机型风力机相较，设计变更有限，实施并无困 难，不仅适用于新机的设计，亦可应用于现有双馈式感应发电机型风力机的更新 (retrofit)，以扩大其应用范围并肆应新的电网并联规定，故具有极高的产业价值。
本发明的再一目的在于提出一种具有复合式发电机的发电装置及其发电方 法，除风力机系统之外，亦可应用于水力系统或相关发电系统领域，实用范围广。
为达到上述目的，本发明提出一种具有复合式发电机的发电装置，所述发电 装置包括有至少一复合式发电机以及与所述复合式发电机耦合并驱动所述复合式 发电机的一原动机，所述复合式发电机更包括有一主发电机以及额定功率小于所 述主发电机的额定功率且运作原理不同于所述主发电机的一辅助发电机；通过前 述的组合，而于所述原动机初期低速运转时，首先驱动所述辅助发电机运转发电， 待所述原动机转速达一设定值时，再驱动所述主发电机运转发电。
较佳地，所述辅助发电机的额定功率是不大于所述主发电机的额定功率的 1/3。
较佳地，所述主发电机为一双馈式感应发电机，其定子线圈是连接至一电网； 所述辅助发电机为一同步发电机。
较佳地，所述发电装置更包括：连接所述主发电机的转子的一转子侧电力转 换器、连接至一电网的一电网侧电力转换器、设置于所述转子侧电力转换器与所 述电网侧电力转换器之间，由所述电网决定电压的一直流总线，以及连接所述辅 助发电机的定子的一交直流电力转换器，所述交直流电力转换器的输出端是连接 所述直流总线。
较佳地，所述电网侧电力转换器是连接一耗能性负载。
较佳地，所述交直流电力转换器可以一主动式整流升压电路或波宽调变型双 向电力转换器其中之一替代的。
较佳地，所述发电装置更包括一电源供应系统，用以提供操作电源，所述电 源供应系统具有至少一种输入电源。
较佳地，所述电源供应系统的输入电源是可由所述直流总线或所述辅助发电 机的定子输出电压所提供。
较佳地，所述发电装置更包括一控制器，是用以控制所述发电机作动，包括 可用以将所述主发电机及辅助发电机的控制模式转换为功率控制或转矩控制模 式。
较佳地，所述主发电机与所述辅助发电机是透过一齿轮组与所述原动机耦合， 由所述原动机间接驱动。
较佳地，所述主发电机与所述辅助发电机是共享一驱动轴与所述齿轮组连接。
较佳地，所述主发电机与所述辅助发电机是透过所述齿轮组的不同输出轴与 所述原动机连接。
较佳地，所述辅助发电机是直接与所述原动机耦合，由所述原动机直接驱动。
较佳地，所述原动机可由风力或水力等能源驱动转动。
较佳地，所述原动机为叶轮，所述叶轮具有多个叶片，且所述叶片的旋角具 有可调整性，藉以控制叶片所能撷取的能量，继而改变所述叶轮的输出功率。
较佳地，所述叶片的旋角是由一旋角控制模块控制的。
较佳地，所述辅助发电机具有一短路电路，使所述辅助发电机的定子线圈可 作短暂时间的短路，用以提供所述原动机一煞车减速转矩以降低转速。
较佳地，所述主发电机是由感应发电机、同步发电机、直流发电机，以及磁 阻发电机所组成的群组中选出。
较佳地，所述辅助发电机是由感应发电机、同步发电机、直流发电机，以及 磁阻发电机所组成的群组中选出。
又，本发明更提出一种具有复合式发电机的发电装置的发电方法，其包括下 列步骤：(a)提供一复合式发电机以及一原动机，所述原动机是耦合至所述复合 式发电机并驱动的；所述复合式发电机包括有一主发电机以及一辅助发电机，所 述辅助发电机的额定功率是小于所述主发电机的额定功率，且所述辅助发电机的 运作原理是不同于所述主发电机；(b)当所述原动机于初期低速运转时，首先驱 动所述辅助发电机运转发电；以及(c)待所述原动机达到一设定转速时，再由所述 原动机驱动所述主发电机运转发电。
较佳地，所述发电方法更包括一电压控制程序，所述电压控制程序包括步骤： 通过一控制器将所述辅助发电机的输出电压转换并充电至一设定的参考电压值； 以及将所述达到设定参考电压值的电压传送至一电力转换器，由所述电力转换器 控制电压。
较佳地，所述控制器是用以控制所述发电机作动，包括可用以将所述主发电 机及辅助发电机的控制模式转换为功率控制或转矩控制模式。
较佳地，所述电力转换器为一背对背波宽调变型电力转换器，且包括有：连 接所述主发电机所具有的转子的一转子侧电力转换器；连接至一电网的一电网侧 电力转换器；以及设置于所述转子侧电力转换器与所述电网侧电力转换器之间， 由所述电网决定电压的一直流总线；所述辅助发电机具有至少一定子，所述定子 是连接一交直流电力转换器，所述交直流电力转换器的输出端是连接所述直流总 线；藉此，由所述控制器将所述辅助发电机的输出电压经由所述交直流电力转换 器对所述直流总线充电至一设定的参考电压值，再将所述达到参考电压值的电压 传送至所述电网侧电力转换器，由所述电网侧电力转换器控制电压。
较佳地，所述交直流电力转换器是以缓升方式对所述直流总线充电。
较佳地，所述交直流电力转换器可以一主动式整流升压电路或波宽调变型双 向电力转换器其中之一替代的。
较佳地，所述电压控制程序更包括一电压平衡程序，是用以保持电网电压于 一合理值，且包括步骤：判断电网电压状态；当电压低于合理值时，由所述交直 流电力转换器接手控制所述直流总线的电压，并由所述控制器控制所述电网侧电 力转换器输出虚功，以及降低所述原动机转速；以及待电网电压复原至合理值后， 再驱动所述主发电机恢复至正常运转模式。
较佳地，所述发电方法更包括一降压步骤，当所述主发电机转子持续运转并 导致所述直流总线电压超过一合理值时，则禁制所述电网侧电力转换器运作，并 启动一耗能性负载，以协助所述直流总线电压下降至合理值。
较佳地，所述发电方法是通过一电源供应系统提供操作电源，所述电源供应 系统具有至少一种输入电源。
较佳地，所述电源供应系统的输入电源是可由所述直流总线或所述辅助发电 机的定子输出电压所提供。
较佳地，于步骤(b)中，当所述原动机达到一额定转速时即停止加速，使维持 所述额定转速下的输出功率。
较佳地，所述辅助发电机的定子线圈可作短暂时间的短路，用以提供所述原 动机一煞车减速转矩，使所述原动机的转速降低。
较佳地，所述辅助发电机的额定功率是不大于所述主发电机的额定功率的 1/3。
较佳地，所述辅助发电机为一同步发电机，所述主发电机为一双馈式感应发 电机。
较佳地，所述原动机是透过一齿轮组与所述复合式发电机耦合，由所述原动 机间接驱动。
较佳地，所述复合式发电机的多个发电机是共享一驱动轴与所述齿轮组连接。
较佳地，所述复合式发电机的多个发电机是透过所述齿轮组的不同输出轴与 所述原动机连接。
较佳地，所述原动机是直接与所述额定功率较小的发电机耦合，由所述原动 机直接驱动。
较佳地，所述原动机为叶轮，所述叶轮可由风力或水力等能源驱动转动。
较佳地，所述叶轮具有多个叶片，所述叶片的旋角具有可调整性，藉以控制 叶片所能撷取的能量，继而改变所述叶轮的输出功率。
较佳地，所述叶片的旋角是由一旋角控制模块控制的。
较佳地，所述主发电机是由感应发电机、同步发电机、直流发电机，以及磁 阻发电机所组成的群组中选出。
较佳地，所述辅助发电机是由感应发电机、同步发电机、直流发电机，以及 磁阻发电机所组成的群组中选出。
为了对本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，现配合图示详细 说明如后。
附图说明
图1是现有一种采用多个发电机设计的风力机的结构示意图；
图2是现有另一种采用多个发电机设计的风力机的结构示意图；
图3是现有日本发明专利特开平9-60575号「风力发电设备」的结构示意图；
图4及图5是现有美国发明专利第5365153号的结构示意图；
图6是本发明的较佳实施例的结构示意图。
附图标记说明：10-具有复合式发电机的发电装置；20-复合式发电机；21-主 发电机；211-定子；212-转子；22-辅助发电机；30-叶轮；31-叶片；32-旋角控制 模块；33-传动轴；40-齿轮组；41-传动轴；50-电网；51、52、53-电源输入；60- 背对背波宽调变型电力转换器；61-转子侧电力转换器；62-电网侧电力转换器； 63-直流总线；64-耗能性负载；70-交直流(AC/DC)电力转换器；71-输出端；80- 电源供应系统；a、b、c-耦合路径。
具体实施方式
请参阅图6所示，本发明是提供一种具有复合式发电机20的装置10，所述 复合式发电机20主要包括一主发电机21以及一辅助发电机22，所述主发电机21 与所述辅助发电机22连接，且所述辅助发电机22的额定功率小于所述主发电机 21的额定功率，所述复合式发电机20是通过一原动机驱动，如图6所示，所述 原动机为一叶轮30，其具有多个的叶片31，且所述叶片31电连接于一旋角控制 模块32，通过所述旋角控制模块32调整所述叶片31的旋角，藉以控制所述叶片 31所能撷取的风能或水能，继而改变所述叶轮30的输出功率，如所述类型式的 叶轮30可应用于风力发电、水力发电等领域，此处仅以风力发电机作为应用所述 复合式发电机20的装置10的具体应用实施例；至于所述主发电机21与所述辅助 发电机22的种类，则可配合所述风力发电形式的叶轮30，分别采用双馈式感应 发电机(Doubly-fed Induction Generator：DFIG)及同步发电机(Synchronous Generator：SG)，且所述辅助发电机22的额定功率不大于所述主发电机21的额 定功率的1/3，或可远低于所述主发电机21的额定功率。
如图6所示，于所述复合式发电机20与所述叶轮30之间设有一齿轮组40， 所述叶轮30具有一传动轴33连接于所述齿轮组40，所述齿轮组40具有一传动 轴41连接所述复合式发电机20，所述齿轮组40为一增速齿轮组，用以转换所述 叶轮30转速，使所述复合式发电机20增速运转，关于所述复合式发电机20与所 述叶轮30的耦合方式，依机构布置、发电机种类的不同，可有下列不同的实施手 段：
所述主发电机21采用双馈式感应发电机时，可透过所述齿轮组40的传动轴 41与所述叶轮30耦合，由所述叶轮30间接驱动(Indirect drive)；
所述辅助发电机22采用同步发电机时，可依实际功率及成本考虑采用下列耦 合方式：
直接与所述叶轮30耦合(如图中标示a)，由所述叶轮30直接驱动(Direct drive)；
透过所述齿轮组40与所述叶轮30耦合(如图中标示b)，由所述叶轮30间接 驱动(Indirect drive)；
与所述主发电机21同轴连接(如图中标示c)，透过所述主发电机21、所述齿 轮组40与所述叶轮30耦合，由所述叶轮30间接驱动(Indirect drive)。
此外，所述主发电机21与所述辅助发电机22亦可透过所述齿轮组40的不同 输出轴(图中未示出)与所述叶轮30连接。
其次，由于风力机在运转时是透过电力转换器对发电机进行变速控制，因此 依发电机种类不同，其电力转换电路及机构安排又有不同实施手段，如图6所示， 所述主发电机21是由定子211与转子212所构成，所述定子211是连接至一电网 50，于所述转子212与所述电网50之间设有一背对背波宽调变型电力转换器(back to back PWM-type power converter)60，所述背对背波宽调变(PWM)型电力转换器 60包括一转子侧电力转换器61、一电网侧电力转换器62、一直流总线63，所述 转子侧电力转换器61是连接所述主发电机21的转子212，所述电网侧电力转换 器62是连接至所述电网50，所述直流总线63则设置于所述转子侧电力转换器61 与所述电网侧电力转换器62之间，且所述直流总线63的电压是由所述电网50 的电压决定；而所述辅助发电机22的定子(图中未示出)连接于一交直流(AC/DC) 电力转换器70，所述交直流(AC/DC)电力转换器70的输出端71连接至所述背对 背波宽调变(PWM)型电力转换器60的所述直流总线63，依系统性能及成本考虑， 所述交直流(AC/DC)电力转换器70可以一主动式整流升压电路或波宽调变(PWM) 型双向电力转换器其中之一替代的。
通过上述安排，可使所述叶轮30、齿轮组40、复合式发电机20、电网50、 背对背波宽调变(PWM)型电力转换器60与所述交直流(AC/DC)电力转换器70构 成一完整回路，再配合一电源供应系统80，用以提供整体装置10操作所需电源， 以及一控制器(图中未示出)用以控制整体装置10各构件，关于所述电源供应系统 80及控制器的作用及其所能达到的功效属于现有技术，在此不予赘述，但必须强 调说明的是，所述电源供应系统80除可接受所述电网50输入电源(如图中标示51) 之外，另可由所述直流总线63或所述辅助发电机22的定子输出电压所提供(如图 中标示52、53)，当所述电网50电压骤降时可维持所述装置10的正常运作。
再请参阅图6，说明所述具有复合式发电机20的装置10的发电方式，其主 要包括以下两步骤：
当风速达到切入风速时，所述叶轮30被带动旋转，由于所述辅助发电机22 是采用具有较低额定功率的同步发电机，因此可先被驱动发电，其输出电压经由 所述交直流(AC/DC)电力转换器70以缓升方式对所述直流总线63充电，待充电 至一设定参考电压值后，再将所述直流总线63的电压转交给所述电网侧电力转换 器62控制，同时，将所述辅助发电机22控制为功率控制或转矩控制模式；于上 述过程中，所述叶片31的旋角维持于0度左右。
当风速提高，使得所述叶轮30达到一额定转速时，即可驱动所述具有较高额 定功率的主发电机21投入发电，并控制所述主发电机21为功率控制或转矩控制 等其它模式；同样地，于上述过程中，所述叶片31的旋角仍维持于0度左右。
简言之，本发明的特点在于具有额定功率不同的双发电机，于风速较低(初期 低速运转)时，先由较小型、无运转低限值的同步发电机(所述辅助发电机22)运转 发电，待风速达到一定值后，所述较具成本优势的双馈式感应发电机(所述主发电 机21)再投入发电，如此，有助于提升发电机及其所驱动的装置的整体性能及电网 稳定性，并进一步降低运转的能量成本。
当完成上述步骤后，所述主发电机21、辅助发电机22同时运转，所述装置 10进入正式发电阶段，为使所述叶轮30维持于额定转速，使输出保持为额定功 率，可由控制器随时监控所述装置10的运作状况，尤其风速及电网电压状况。
例如，若风速持续增加达到额定值时，可由控制器控制所述旋角控制模块32 调整所述叶片31的旋角，以限制所述叶片31所能撷取的风能，使所述叶轮30 维持于额定转速，输出功率维持于额定功率；此外，当高速阵风造成所述叶轮30 超过额定转速时，可将所述辅助发电机22的定子线圈(图中未示)作短暂时间的短 路，以提供较大的煞车减速转矩，协助所述叶轮30转速维持于一定范围的内。
若所述并联电网50发生电压骤降状态时，则可采取下列步骤以维持电压于一 平衡状态：
由所述交直流(AC/DC)电力转换器70接手控制所述直流总线63的电压，并 由控制器控制所述电网侧电力转换器62输出虚功，以协助电网电压的复原；
调整所述叶片31的旋角，以减少撷取的风能，降低发电量；
若所述叶片31的旋角调整不及，使得所述主发电机21的转子212持续运转， 并导致所述直流总线63的电压超过一合理值时，则禁制所述电网侧电力转换器 62运作，并启动一耗能性负载(Dump Load)64，以协助所述直流总线63的电压下 降至合理值以内；
待所述电网50的电压复原后，再重新将所述主发电机21投入发电，恢复正 常运转模式。
如前所述，由于所述辅助发电机22的输出电压可作为所述电源供应系统80 的一组输入，因此当所述电网50的电压骤降时，仍可维持所述装置10的正常运 作。
综上所述可知，本发明所提出的复合式发电机20由于结合两种具有不同运作 原理的发电机(双馈式感应发电机(所述主发电机21)与同步发电机(所述辅助发电 机22)的双马达架构)，利用其各自优势的操作区进行互补，因此具有下列优点：
其输出功率是以双馈式感应发电机为主，同步发电机为辅，且后者额定功率 不大于前者额定功率的1/3，有助于提升发电机及其所驱动的装置的整体性能及电 网稳定性，并进一步降低风力机运转的能量成本。
利用同步发电机的运转范围不受±30％滑差转速限制的特性，于滑差转速大 于+30％的低转速下即可先投入进行发电运转，亦即风力机的切入风速可以降低， 因此年发电量可以提高，有助于减少风力机的平均能量成本。
当电网电压骤降时，导致双馈式感应发电机转子上所连接的电力转换器可能 因超过其允许运转条件而被禁制(disabled)，无法负责维持直流总线的电压时，所 述同步发电机的交直流电力转换器可立刻接手负责维持直流总线的电压，使风力 机可依指令输出虚功，协助恢复电网电压。
因同步发电机是独立激磁，故叶片转动后即可使同步发电机输出电压，并可 经由交直流电力转换器在直流总线上建立固定的电压，因此即使无电网可连接， 风力机系统亦可自行输出固定电压及频率，并提供激磁电流给双馈式感应发电机 使其运转发电，因此可以独立运转，适合应用于离岛地区。
若以成本考虑为主，同步发电机的功率可远小于双馈式感应发电机，较容易 以定制，或选用现有标准产品的方式来取得；由于功率小，故此同步发电机(SG) 及其搭配的电力转换器的取得成本皆低，且由于新增功率相当有限，前述背对背 式波宽调变(PWM)型电力转换器可仍然依据双馈式感应发电机的规格，因此发电 机系统成本增加极有限，估计可控制于10％以内。
同步发电机的输出可经过适当转换器作为风力机内部电控系统(如旋角控制 系统)的辅助电源，因此当风力机在运转过程中遇到电网故障时，电控系统毋需完 全依外接不断电系统(UPS)来提供电源，可以提高系统运转的可靠度。
应用于风力机系统时，可使风力机系统的性能以及性价比优于目前任一型式 的风力发电机，与双馈式感应发电机型风力机相较，设计变更有限，实施并无困 难，不仅适用于新机的设计，亦可应用于现有双馈式感应发电机型风力机的更新 (retrofit)，以扩大其应用范围并肆应新的电网并联规定，故具有极高的产业价值。
除风力机系统之外，亦可应用于水力系统或相关发电系统领域，实用范围广。
查本发明所提供的架构及方法于各种风力、水力机产品、及其相关专利与研 究上所未见，具有新颖、创新、及实用等要素，故提案申请发明专利。
然而以上所述，仅为本发明的最佳实施例而已，当不能以之限定本发明所实 施的范围。即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明 专利涵盖的范围内。
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