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研究生: 謝明志
Ming-Chin Hsieh
論文名稱: 六相永磁式同步發電機之風力發電系統研製
Development of Wind Power Control Systems for Six-Phase Permanent-Magnet Synchronous Generators
指導教授: 黃仲欽
Jonq-Chin, Hwang
口試委員: 葉勝年
Sheng-Nian Yeh
華志強
Chin-Chiang Hua
林法正
Faa-Jeng Lin
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: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 六相永磁式同步發電機功率轉換器
外文關鍵詞: six-phase, permanent-magnet synchronous generator, power converter
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  • 本文旨在設計及製作六相永磁式同步發電機之風力發電系統。六相電機不僅可分散繞組及功率轉換器之容量,亦可降低整流後直流電壓的漣波成分。文中採用並聯型之全控型交流-直流功率轉換器,可將六相同步發電機之變動電壓轉換為固定之直流電壓。本文將建立六相交流-直流功率轉換器數學模式,同時配合同步旋轉座標轉換之電流控制,可降低輸入電流諧波含量、提高功率因數及功率轉換效率。本文系統利用昇/降壓型直流截波器電路進行蓄電池的充/放電,當風速過低時則以定電壓控制進行蓄電池放電,以完成系統能量平衡管理,提高供電穩定度。
    本系統以高性能之16位元數位信號處理器(DSP, TMS320LF2407A)為控制核心,目前已完成768 W發電系統之雛形。此外六相交流-直流功率轉換器之轉換效率約為90 %,而發電機輸出電流總諧波失真率約為3.34 %,功率因數達0.95以上,並由實測結果驗證理論之可行性。


    This thesis presents the development of wind power system with six-phase permanent-magnet synchronous generators. The proposed system can not only yield high power density of generator and capacity of power converters, but also reduce the voltage ripple at the output of rectifiers. Two three-phase, full-controlled ac-to-dc power converters are used to convert varying voltages from six-phase permanent-magnet synchronous generator to constant dc voltage. The mathematic model of the six-phase switching-mode rectifier is derived. The current control method of six-phase synchronous rotating frame transformation is used to reduce the current harmonics and increase the power factor on input side of generator, and thereby increase the efficiency of the power converter. In addition, a buck/boost chopper is designed to charge and discharge the battery set. Fixed-voltage control method is used to supply load power from battery when speed of wind turbine is low. It thus can accomplish the management of energy balance control and enhance the stability of the whole system.
    A low-cost, 16-bit digital signal processor (DSP, TMS320LF2407A) is used to serve as the core control device to implement a 768 W prototype generation system. The experimental data show that the efficiency of the ac-to-dc power converter reaches 90 %.The current harmonics and the power factor on output side of generator are 3.34% and 0.95, respectively. Finally, experiments are given to justify the feasibility of the proposed system.

    中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 誌 謝 Ⅲ 目 錄 Ⅳ 符號索引 Ⅶ 圖表索引 Ⅹ 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 本文特色 2 1.3 系統架構 2 1.4 本文大綱 4 第二章 六相永磁式同步發電機之設計與參數量測 5 2.1 前言 5 2.2 六相永磁式同步電機 5 2.3 六相永磁式同步發電機之數學模式建立 6 2.4 六相永磁式同步發電機之參數量測 10 2.4.1 六相永磁式同步發電機之應電勢 11 2.4.2 轉子等效磁通鏈 量測 16 2.4.3 定子等效電阻 量測 18 2.4.4 交、直軸等效電感 及 量測 18 2.5 結語 20 第三章 六相發電機之交流-直流功率轉換器分析與控制 21 3.1 前言 21 3.2 交流-直流功率轉換器之分析 21 3.2.1 全橋式二極體整流器之分析 21 3.2.2 單開關昇壓型整流器之分析 23 3.2.3 全橋半控型功率轉換器之分析 24 3.2.4 全橋全控型功率轉換器之分析 25 3.2.5.1 六相全橋全控型功率轉換器之串聯模式 26 3.2.5.2 六相全橋全控型功率轉換器之並聯模式 26 3.3 六相全橋全控型交流-直流功率轉換器之數學模式 26 3.3.1 雙三相座標系統數學模式 26 3.3.2 同步旋轉座標系統數學模式 28 3.4 六相發電機交流-直流功率轉換器之功率控制 32 3.5 結語 37 第四章 風能轉換與儲能系統 38 4.1 前言 38 4.2 風能轉換原理及特性 38 4.3 風速的基本簡介 42 4.4 台灣風場分佈與簡介 43 4.5 風力發電系統之能量管理 44 4.6 儲能系統之昇/降壓型直流截波器分析 45 4.6.1 降壓模式之直流截波器 46 4.6.2 昇壓模式之直流截波器 47 4.6.3 昇/降壓型直流截波器之控制 49 4.7 結論 50 第五章 實體製作與實測結果 51 5.1 前言 51 5.2 硬體電路 52 5.2.1 數位信號處理器之介面與周邊電路 52 5.2.2 電壓回授電路 53 5.2.3 電流回授電路 54 5.2.4 電力開關模組及功率電晶體驅動電路 56 5.2.5 磁極位置偵測電路 57 5.3 軟體規劃 58 5.3.1 主程式規劃 58 5.3.2 回授信號數位化 60 5.3.2.1 電壓與電流回授信號數位化處理 60 5.3.2.2 發電機回授磁極角位置與轉速計算 61 5.3.3 六相發電系統交流-直流功率轉換器之控制程式規劃 63 5.3.4 蓄電池充、放電系統之控制程式規劃 65 5.4 實測結果 67 5.5 結語 79 第六章 結論與建議 80 5.1 結論 80 5.2 建議 81 參考文獻 82 附 錄 A 85 附 錄 B 86 作者簡介 87

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