簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 蘇長成
Chang-Cheng Su
論文名稱: 風力發電系統之功率轉換器研製
Development of Power Converters for Wind Generators
指導教授: 葉勝年
Sheng-Nian Yeh
黃仲欽
Jonq-Chin Hwang
口試委員: 陳明宏
Ming-Hung Chen
張松助
Sung-Jhu Jhang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 85
中文關鍵詞: 永磁式同步發電機,磁場角位置,功率轉換器
外文關鍵詞: permanent-magnet synchronous generator, rotor position, power converter
相關次數: 點閱:281下載:1
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本文旨在研製風力發電系統之功率轉換器。本系統採用交流-直流-交流之結構組成功率轉換器,將變動頻率及電壓之電源轉換為固定頻率及電壓之單相電源,並搭配擾動觀察法作為最大功率追蹤控制策略,使風力發電機於當時大氣環境下輸出最大功率,有效利用再生能源。本系統亦將偵測發電機之轉速及相電流,以調節發電機之功率輸出,可與市電併聯或獨立運轉。
    在交流-直流功率轉換器方面,本文推導三相全橋全控型整流器之數學模式及發電機輸入功率的限制條件,並採用旋轉座標系統下之電流控制器,以降低發電機之電流諧波及提高功率因數。文中亦回授轉速發電機之感應電動勢,估測發電機之轉速及磁場角位置,改善以往角度偵測器的缺點,使得發電機運轉可靠度提高。
    本文之直流-交流功率轉換器為單相開關型功率轉換器,除推導單相開關型整流器數學模式外,並以電流控制模式及低損失單極性切換策略,提供快速響應、穩定且低諧波失真之單相電流與市電併聯。
    本文之系統採用高性能及低成本的數位信號處理器(DSP, TMS320F2812)為整體系統之控制核心。在系統整合部分,已完成在8m/s風速下240W的發電系統雛形,整體效率為80%,其單相輸出電壓有效值為110 V,頻率為60 Hz,可供給實功率至市電網路。實驗結果驗證本文之理論分析及控制法則的可行性。


    This thesis presents the design and implementation of power converters for wind generators. In this system, ac-dc-ac power converters are proposed to convert three-phase electrical power generated by wind with varying-voltage and varying-frequency to single-phase electrical power with constant-voltage and constant-frequency. The perturb-and-observe algorithm is applied for maximum power point tracking to enhance conversion efficiency for the energy management of wind generator. The output power of the overall system is adjusted by detecting the speed and phase current of the generator. The system can be operated in both stand-alone and grid-connected fashions.
    In ac-dc power converter, the mathematical model of three-phase rectifier built under rotating-frame and input power range of generator is introduced to reduce the current harmonics and increase the power factor on the input side, so that the efficiency of the generator can be increased. Besides, voltage feedback from an auxiliary generator is used to estimate rotor position and speed to facilitate speed and torque controls. This requires no rotor position detector and thus increases the reliability of the system.
    A single-phase dc-ac power converter using unipolar switching method with low switching loss is designed to reduce the output voltage harmonics and increase conversion efficiency. As mentioned above, the realized system can be operated either in a stand-alone fashion or connected with power grid by voltage and current control modes, respectively.
    A high-performance and low-cost digital signal processor (DSP, TMS320F2812) is used to control the system for reducing the circuit complexity. A prototype of 240 W hybrid power conversion system is developed under 8m/s wind speed. The system can feed proper power to the grid in grid-connected operation, while for stand-alone operation, the rated output voltage is 110 V and the frequency is 60 Hz. The efficiency of the whole system in grid-connected operation reaches 80%. Experimental results are given to verify the proposed system.

    目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 誌 謝 Ⅲ 目 錄 Ⅳ 符號索引 Ⅵ 圖表索引 Ⅷ 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻探討 1 1.3 系統架構及本文特色 4 1.4 本文大綱 4 第二章 永磁式同步發電機之數學模式與參數量測 6 2.1 前言 6 2.2 三相永磁式同步發電機之簡介 6 2.3 三相永磁式同步發電機之數學模式建立 7 2.4 三相永磁式同步發電機之參數量測 12 2.4.1 三相永磁式同步發電機之感應電勢之分析 13 2.4.2 轉子等效磁通鏈 量測 15 2.4.3 交、直軸等效電感 及 量測 16 2.5 轉速發電機之轉速及磁場角位置偵測器 17 2.6 結語 24 第三章 永磁式同步發電機之功率控制策略 25 3.1 前言 25 3.2 交流-直流轉換器之模式 25 3.2.1 三相全橋型二極體整流器之分析 25 3.2.2 三相全橋全控型整流器之分析 26 3.3 三相全橋全控型交流-直流功率轉換器之模式 27 3.4 三相全橋全控型交流-直流功率轉換器電流控制 28 3.4.1電流磁滯控制法 28 3.4.2 三相abc系統下之電流預測控制法 29 3.4.3轉子旋轉座標控制法 30 3.5 三相交流-直流功率轉換器之實測結果 35 3.6 結語 40 第四章 單相直流-交流功率轉換器之控制及市電併網 41 4.1 前言 41 4.2 單相直流-交流功率轉換器 41 4.3 市電併聯控制 44 4.4 獨立運轉控制 46 4.5 風力驅動及能量管理系統 48 4.5.1 風力發電原理及特性 48 4.5.2 風力模擬之實驗平台 48 4.6 最大功率追蹤 51 4.7 結語 52 第五章 實體製作與實測結果 53 5.1 前言 53 5.2 硬體電路 53 5.2.1 數位信號處理器 53 5.2.2 電壓及電流回授電路 56 5.2.3 市電側零點偵測電路 57 5.2.4 功率級電晶體之閘極驅動電路 58 5.3 控制軟體規劃 59 5.4 實測結果 65 5.5 結語 76 第六章 結論與建議 77 6.1 結論 77 6.2 建議 78 參考文獻 79 附 錄 83 作者簡介 85

    參考文獻
    [1] N. Hatziargyriou and A. Zervos, “Wind Power Development in Europe,” IEEE Proceedings, Vol.89, no. 12, pp. 1765-1782 (2001).
    [2] L. Surugiu and I. Paraschivoiu, “Wind Power Contribution to Environmental Issues,” The 1st World Wind Energy Conference and Exhibition, Berlin, Germany, PB2.1 (2002).
    [3] S. H. Song, S. I. Kang, and N. K. Hahm, “Implementation and Control of Grid Connected AC-DC-AC Power Converter for Variable Speed Wind Energy Conversion System,” Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition, Vol. 1, pp. 154-158, 2003.
    [4] S. Wekhande, V. Agarwal, “High-Resolution Absolute Position Vernier Shaft Encoder Suitable for High-Performance PMSM Servo Drives,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol 55, no. 1, pp. 357-364, 2006.
    [5] R. Hoseinnezhad and P. Harding, “Calibration of Resolver Sensors in Electromechanical Braking Systems: A Modified Recursive Weighted Least-Squares Approach,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 54, no 2, pp 1052-1060, 2007.
    [6] 黃勝源,“副繞組轉子位置偵測之永磁式同步電動機驅動器之研製”,國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國九十三年。
    [7] 許志榮,“可控直流鏈電壓之永磁同步電動機驅動系統研製”,國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國九十五年。
    [8] 劉昌煥著,交流電機控制,東華書局,第二版,民國九十二年。
    [9] P. Pillay and R. Krishnan, “Modeling of Permanent Magnet Motor Drives”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 35, no 4, pp. 537-541, 1988.
    [10] 何世賓,“凸極式永磁式同步電動機之高效率及高速控制系統研製”,國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國八十九年。
    [11] 王俊超,“六相永磁式同步電動機驅動器之分析及研製”,國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國九十四年。
    [12] J. W. Choi and S. K. Sul, “Fast Current Controller in Three-Phase AC/DC Boost Converter Using d-q Axis Crosscoupling,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, no. 1, pp. 179-185, 1998.
    [13] 曾宏舜,“高功因三相開關型整流器之研製”,國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國八十七年。
    [14] 謝明志,“六相永磁式同步發電機之風力發電系統研製”, 國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國九十五年。
    [15] 曾兆利,“以數位信號處理器為基礎之永磁式同步發電機功率控制系統之研製”,國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國九十年。
    [16] 李惇榮,“三相三階層雙向功率轉換器之研製”,國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十三年。
    [17] E. H. Ismail and R. Erickson, “Single-Switch PWM Low Harmonic Rectifiers,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 11, no. 2, pp. 338-346, 1996.
    [18] Z. Chen and E. Spooner, “Grid Power Quality with Variable Speed Wind Turbines,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 16, no. 2, pp. 148-154, 2001.
    [19] C. T. Rim, N. S. Choi, G. C. Cho and G. H. Cho, “A Complete DC and AC Analysis of Three-Phase Controlled-Current PWM Rectifier Using Circuit d-q Transformation,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 9, no. 4, pp. 390-396, 1994.
    [20] C. T. Pan and Y. S. Huang, “A Truly Error Bounded Current Controller for Three-Phase AC/DC Boost Converter,” IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society, Vol. 1, no. 5, pp. 359-364, 2002.
    [21] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics Converters, Applications and Design, 3nd edition, Wiley, 1995.
    [22] 李仲毅,“全數位化之單相變流器設計與製作”,國立台灣大學電機工程所碩士論文,民國87年六月。
    [23] 林聖賢,“市電並聯型太陽能與風能發電系統之製作”,國立中正大學電機工程所碩士論文,民國年92六月。
    [24] 康宗仁,“永磁式同步發電機之風力發電功率系統之研製”,國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國九十四年。
    [25] 陳明宏,“交流-直流-交流功率控制器於三相雙繞組永磁式同步風力發電機系統之應用”,國立台灣科技大學電機研究所博士論文,民國九十六年。
    [26] 呂威賢、江懷德,全球風電推廣應用現況與展望,工業技術研究院能源與資源研究所潔淨能源技術組,pp. 1-20,民國九十一年。
    [27] J. F. Walker, Wind Energy Technology, John Wiley & Sons Inc., 1997.
    [28] 曹培熙,大學物理學,曉園出版社,民國七十八年。
    [29] C. M. Ong, “Dynamic Simulation of Electric Machinery: Using Matlab/Simulink,” Prentice Hall PTR, 1998.
    [30] 蔡宗志,“以數位訊號處理器為基礎之太陽能與風力發電複合系統之研製”,國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十四年。
    [31] A. B. Raju, K. Chatterjee and B. G. Fernandes, “A Simple Maximum Power Point Tracker for Grid Connceted Variable Speed Wind Energy Conversion System with Reduced Switch Count Power Converter,” IEEE-PESC Conference Record, Vol. 2, no. 1, pp. 748-753, 2003.
    [32] K. Tan and S. Islam, “Optimum Control Strategies In Energy Conversion of PMSG Wind Turbine System without Mechanical Sensors,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 19, no. 2, pp. 392-399, 2004.
    [33] S. H. Song, S. I. Kang and N. K. Hahm, “Implementation and Control of Grid Connected AC-DC-AC Power Converter for Variable Speed Wind Energy Conversion System,” IEEE-APEC Conference Record, Vol. 1, pp. 154-158, 2003.
    [34] TMS320x281x System Control and Interrupts Reference Guide, Texas Instruments Co., 2006.
    [35] TMS320x281x Event Manager Reference Guide, Texas Instruments Co., 2006.
    [36] TMS320F28xx DSP Controllers CUP, System, and Instruction Set Vol. 1 & Vol. 2, Texas Instruments (2004).
    [37] 何昆哲,“以數位信號處理器為基礎之小型風力發電系統研製”, 國立台灣科技大學電機研究所碩士論文,民國九十六年。
    [38] 王國丞,“並聯型三相不斷電系統之研製”,國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十五年。

    無法下載圖示 全文公開日期 2013/07/25 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
    QR CODE