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研究生: 陳昆典
Qun-dan Chen
論文名稱: 模糊邏輯於燃料電池系統換流器之應用
Application of Fuzzy Logic to the Inverter of Fuel Cell Generation Systems
指導教授: 王文智
Wen-Jieh Wang
黃仲欽
Jonq-Chin Hwang
口試委員: 王順源
none
蕭弘清
Horng-Ching Hsiao
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: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 114
中文關鍵詞: 燃料電池三相換流器模糊邏輯
外文關鍵詞: fuel cell, three phase inverter, fuzzy logic
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本論文研製一基於模糊邏輯之三相換流器,並應用於燃料電池發電系統上。在本文中,我們使用直流/直流全橋功率轉換器調節燃料電池之輸出電壓至400V,再以三相換流器將直流鏈電壓轉換為三相220V60Hz交流輸出。本論文分別以比例-積分(PI)控制器與模糊邏輯,經由電壓空間向量脈寬調變技術(voltage space vector PWM, VSVPWM)控制切換開關輸出三相交流電,調節電壓供給三相負載獨立運轉或調節電流聯結至電力網路並聯供電。實驗結果顯示,採用模糊邏輯對於負載變化有較快速的動態響應,較比例-積分(PI)控制器為佳,更適用於分散式發電系統。
本論文之系統以數位信號處理器(DSP, TI TMS320F2812)為整體系統之控制核心,以軟體程式完成系統控制,降低系統硬體複雜度。本系統已完成866W的獨立供電及市電並聯系統。在獨立運轉下,其額定輸出線電壓有效值為220V,頻率為60Hz。並聯運轉下,可提供實功率及虛功率至電力網路。此外,三相換流器之運轉效率可達91%,而輸出線電壓之總諧波失真率為2.45%,符合IEEE Std. 519之規範。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 a three phase inverter of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) generation system, based on fuzzy logic. In this thesis, we use the PEMFC generation system consists of a full bridge DC/DC converter to boost the fuel cell voltage (40 V) to 400 VDC, and the three phase DC/AC inverter is employed to produce 220V, 60Hz AC outputs. The fuzzy logic and PI controller, based on voltge space vector pulse width modulation (VSVPWM), is proposed to regulate voltage for stand-alone fashion or current for connected with power grid, separately. The experimental data show that while variance in load, the inverter of fuzzy logic controller has faster dynamic response than that of PI controller.
In this thesis, a digital signal processor (DSP, TI TMS320F2812) is used to control the system for reducing the circuit complexity. A prototype of 866W PEMFC power conversion system is developed under stand-alone and grid-connected operation, separately. The system can feed proper power to the grid in grid-connected operation, while for stand-alone operation, the rated line-voltage is 220V and the frequency is 60Hz. Besides, efficiency of three phase inverter reaches 91% and voltage harmonic distortion of three phase power inverter output is 2.45%, which complies with IEEE Std. 519. Finally, experimental results are given to justify the analysis.

中文摘要I 英文摘要II 誌 謝III 目 錄IV 圖表索引VII 符號索引XIII 第一章緒論1 1.1研究背景1 1.2研究目的2 1.3相關文獻回顧2 1.4系統架構4 1.5本文大綱5 第二章燃料電池發電系統7 2.1前言7 2.2燃料電池種類8 2.3質子交換膜燃料電池特性與分析10 2.3.1 發電原理10 2.3.2質子交換膜燃料電池之極化影響12 2.3.3質子交換膜燃料電池之發電效率13 2.3.4質子交換膜燃料電池之啟動特性13 2.4燃料電池模組之監測軟體14 2.5全橋直流/直流功率轉換器14 2.6結語17 第三章三相換流器動作原理及分析18 3.1前言18 3.2三相換流器之分析18 3.3電壓空間向量調變21 3.4結語35 第四章控制器之分析與設計36 4.1前言36 4.2同步旋轉座標系統36 4.3比例-積分控制器39 4.3.1 簡介39 4.3.2構成與數位化39 4.4模糊邏輯控制器42 4.4.1 簡介42 4.4.2 模糊邏輯控制器設計42 4.4.3 模糊控制器線上與離線模糊算法49 4.5獨立供電模式之控制器設計51 4.5.1 基於比例-積分控制器之電壓控制模式51 4.5.2 基於模糊邏輯控制器之電壓控制模式53 4.6市電並聯運轉之控制器設計55 4.6.1 基於比例-積分控制器之電流控制模式58 4.6.2 基於模糊邏輯控制器之電流控制模式60 4.7控制區域網路之應用62 4.7.1 控制區域網路之架構與運作62 4.8結語65 第五章實體製作與測試66 5.1前言66 5.2硬體電路66 5.2.1 數位信號處理器之介面電路67 5.2.2 直流電壓回授電路69 5.2.3 功率電晶體驅動電路70 5.2.4 零點偵測電路70 5.2.5 CAN 收發器電路71 5.3軟體規劃73 5.3.1 主程式規劃73 5.3.2 捕捉器中斷副程式規劃75 5.3.3 三相換流器獨立供電程式規劃76 5.3.4 三相換流器並聯供電程式規劃76 5.3.5 CAN之中斷副程式規劃79 5.4實測結果81 5.5結語104 第六章結論與未來研究方向105 6.1結論105 6.2未來研究方向106 參考文獻108 附 錄 ABallard Nexa™ Power Module系統參數111 附 錄 B系統規格與電路參數112 附 錄 C電壓諧波失真率(IEEE Std. 519-1992)113 作者簡介114

[1]陳振源,“未來的綠色能源-燃料電池”, 科學發展雜誌391期,62∼65頁,2005年7月。
[2] H. Xu, L. Kong and X. Wen, “Fuel Cell Power System and High Power DC-DC converter,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol.19, pp. 1250-1255, 2004.
[3] J. Wang, F. Z. Peng, J. Anderson, A. Joseph and R. Buffenbarger, “Low Cost Fuel Cell Converter System for Residential Power Generation,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, pp. 1315-1322, 2004.
[4] M. Yeary, S. Kim, P. Enjeti and G. King, “Design of An Embedded DSP System for A Fuel Cell Inverter,” Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 4, pp. IV-3824-IV-3827, 2002.
[5]R. Gopinath, S. Kim, J. H. Hahn, P. N. Enjeti, M. B. Yeary and J. W. Howze, “Development of a Low Cost Fuel Cell Inverter System with DSP Control,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, No. 5, pp. 1256-1262, 2004.
[6] Y. Y. Tzou, L. H. Ho and R. S Ou, “Fuzzy Control of A Closed-Loop Regulated PWM Inverter Under Large Load Variations,” Proceedings of International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, vol. 1, pp. 267-272, 1993.
[7] J. A. Torrico and E. Bim, “Fuzzy Logic Space Vector Current Control of Three-Phase Inverters,” IEEE 31st Annual Power Electronics Specialists Conference, vol.1 pp. 147-152, 2000.
[8] Q. Zeng and L. Chang, “Improved Current Controller Based on SVPWM for Three-Phase Grid-Connected Voltage Source Inverters,” IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, vol. pp. 2912-2917, 2005.
[9] 黃鎮江,“燃料電池”,全華出版社,2005。
[10] 衣寶廉、陳憲偉,“科技大浪潮-燃料電池”,五南圖書出版公司,2003年4月。
[11] Nexa User‘s Manual, 2003.
[12] 日本氫能燃料電池(http://www.jhfc.jp/e/fc_fcv/about_fc)。
[13] Fuel Cell Technology, 2001.
[14]王順忠,“電力電子學”,東華書局,1998。
[15]K. Chen and T. A. Stuart, “A 1.6-kW, 110-kHz DC-DC Converter Optimized for IGBT's,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 8, No. 1, pp. 18-25, 1993.
[16]G. B. Koo, G. W. Moon and M. J. Youn, “Analysis and Design of Phase Shift Full Bridge Converter with Series-Connected Two Transformers,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, No. 2, pp. 411-419, 2004.
[17]M. BruNoro and J. L. F. Vieira, “A High-Performance ZVS Full-Bridge DC-DC 0-50-V/0-10-A Power Supply with Phase-Shift Control,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 14, No. 3, pp. 495-505, 1999.
[18]張鴻鈞,“不平衡負載之三相不斷電系統研製”, 國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十一年。
[19]楊久孟,“具虛功率補償功能之三相並聯型不斷電系統之研製”, 國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十四年。
[20]Z. Yu, “Space-Vector PWM With TMS320C24x/F24x Using Hardware and Software Determined Switching Patterns,” Texas Instruments, 1999.
[21]劉昌煥,“交流電機控制”,東華書局,2003。
[22]Digital Control Systems (DCS) Group, “Space Vector Generator With Quadrature Control,” Texas Instruments, 2002.
[23]蔡宗志,“以數位信號處理器為基礎之太陽能與風力複合發電系統之研製”, 國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十四年。
[24]沈金鐘,“PID控制器:理論、調整與實現”,滄海書局,2001。
[25] C. L. Philips and H. T. Nagle, “Digital Control System Analysis and Design,” Prentice-Hall, 1995.
[26]G. F. Franklin, J. D. Powell and M. Workman, “Digital Control of Dynamic Systems,” Third Edition, 1997.
[27] L. A. Zadeh, “Fuzzy Set,” Inform.Contr., vol. 8, pp. 338-353, 1965.
[28] Y. F. Li and C. Lau, “Development of Fuzzy Algorithms for Servo
Systems,” IEEE Control Systems Magazine, vol. 9, pp. 65-72, 1989.
[29] T. Takagi and M. Sugeno, “Fuzzy Identification of A System And
Its Applications to Modeling and Control,” IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol. SMC-15, No. 1, pp. 116-132, 1985.
[30] 林俊良,“智慧型控制:分析與設計”,全華科技圖書股份有限公司,2005。
[31]蔡宗志,“以數位信號處理器為基礎之太陽能與風力複合發電系統之研製”, 國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十四年。
[32]林悟宏,“三相三線式數位光伏能量轉換系統”, 國立成功大學電機工程研究所碩士論文,民國九十ㄧ年。
[33]曾兆利,“以數位信號處理器為基礎之永磁式同發電機功率控制系統之研製”,國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文,民國九十年。
[34] 李文淵,“燃料電池發電系統之無線監控系統研製”,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。
[35]D. A. Paice, “Power Electronic Converter Harmonics: Multipulse Methods,” IEEE Industrial Application Society, 1995.

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