臺灣博碩士論文加值系統

由於風力渦輪發電機存在著非線性的特性，其最大功率點運轉位置將隨著風力狀況的改變而有所不同。為了使風力發電系統在任何風速下皆可操作在最大功率點，本論文提出比較斜率法與功率差量乘積法兩種最大功率追蹤控制理論應用於風力發電系統。
本文先建立各不同風速下風力發電系統之負載特性曲線模型，便於設計控制程式與探討所提最大功率追蹤之可行性。除實作完成傳統電流型擾動觀察法與三點權位比較法外，並與本文所提比較斜率法及功率差量乘積法相互比較。系統實作上應用最大功率追蹤技術搭配數位信號處理器（TMS320C240）調整升降壓式轉換器之責任週期，使風力渦輪發電機運轉在最大功率輸出。
為比較驗證上述四種控制方法，本論文以一部三相、12極、100瓦的風力渦輪發電機作為實際測試對象。風力渦輪發電機包括三片直徑1.17公尺之小型風力渦輪機與一台永磁式同步發電機。從實驗結果得知，本論文所提出之最大功率追蹤控制器，在不同的風速下，皆可準確地及有效地追蹤至系統之最大功率點，其中以功率差量乘積法具有最佳之追蹤效果與穩定性。

The wind-turbine generation system (WTGS) exhibits a nonlinear characteristic and thus its maximum power point varies with changing atmospheric conditions. In order to have the WTGS operate at maximum power points under different wind speeds, the thesis proposes two maximum-power-point-tracking (MPPT) control methods of the slope-comparing (SC) and the power-difference-product (PDP) algorithms to be used in the WTGS.
In the thesis, load models of the WTGS under different wind speeds are first built up for design of control rules and feasibility studies of the proposed MPPT methods. Based on the traditional current-type perturbation & observation (P&O) as well as the three-point-weighting comparison (TPWC) algorithms, comparisons are made for the proposed SC and PDP methods. In the practical system implementations, the MPPT methods are integrated in the TMS320C240 digital signal processor (DSP) to adjust the duty ratios of the buck-boost converter to control the WTGS working with maximum power output.
To compare and verify the effectiveness of the four MPPT control methods mentioned above, a practical WTGS has been used. The WTGS includes a small wind turbine with three 1.17m diameter blades and a three-phase, 12-pole, 100W, small permanent-magnet synchronous generator. The experimental results show that the proposed PDP controller achieves the best performance in terms of maximum power tracking capabilities among the four MPPT algorithms, though all the four MPPT algorithms can reach maximum power points in different wind-speed conditions.

目錄
中文摘要………………………………………………I
Abstract………………………………………………II
誌謝……………………………………………………III
目錄……………………………………………………IV
圖目錄…………………………………………………VII
表目錄…………………………………………………X
第一章 緒論………………………………………………………1
1-1 研究背景與動機 …………………………………………… 2
1-3 文獻回顧………………………………………… 2
1-4 研究方法…………………………………………………… 5
1-5 本論文貢獻…………………………………………………… 6
1-6 本論文組織架構 ………………………………………… 7
第二章 風力發電簡介與系統架構規劃……………………… 9
2-1 簡介………………………………………………………… 9
2-2 風力發電原理……………………………………………… 10
2-3 風力發電機之種類………………………………………… 13
2-3-1發電機之種類…………………………………………… 13
2-3-2風渦輪機之種類………………………………………… 15
2-4 風力發電研究架構與控制原理…………………………… 17
2-4-1風力發電系統架構…………………………………………17
2-4-2永磁式同步發電機與風力渦輪機構造……………………19
2-4-3三相全橋式整流器…………………………………………23
2-4-4 RCD緩震電路………………………………………………28
2-4-5升降壓式直流轉換器………………………………………31
2-4-6最大功率追蹤之控制架構…………………………………34
2-4-7最大功率追蹤器之控制軟體程式…………………………35
2-4-8數位訊號處理晶片…………………………………………36
2-5本章結論………………………………………………………40
第三章 傳統最大功率追蹤控制法則……………………………41
3-1 前言………………………………………………………… 41
3-2 擾動觀察法………………………………………………… 41
3-2-1傳統電流型擾動觀察法………………………………… 42
3-3 三點權位比較法…………………………………………… 46
3-4 本章結論…………………………………………………… 50
第四章 所提最大功率追蹤控制……………………………… 51
4-1 前言………………………………………………………… 51
4-2 責任週期微調控制法則…………………………………… 51
4-3 比較斜率法………………………………………………… 54
4-4 功率差量乘積法…………………………………………… 58
4-6 本章結論………………………………………………… 63
第五章 實驗結果與探討……………………………………… 64
5-1 前言……………………………………………………… 64
5-2 風力發電機之特性曲線量測…………………………… 64
5-3 最大功率追蹤之實驗數據結果與實測波形圖…………….71
5-3-1風力發電機三相電源輸出……………………………… 71
5-3-2實測數據結果…………………………………………… 72
5-3-3實測波形圖……………………………………………… 80
5-4 最大功率輸出擾動程度探討……………………………… 84
5-5 實驗結果討論..…………………………………………… 93
5-6 本章結論…………………………………………………… 97
第六章 結論與未來研究方向……………………………………98
6-1 結論………………………………………………………… 98
6-2 未來研究方向……………………………………………… 99
參考文獻…………………………………………………………100


圖目錄
圖2-1 風力輪機之性能係數 －Cp特性曲線……………………… 12
圖2-2 風力輪機之輸出功率對發電機頻率特性曲線………………12
圖2-3 風力驅動永磁式同步機發電系統架構圖……………………17
圖2-4 AIR403風力發電機組織外部架構……………………………20
圖2-5 AIR 403風力發電機組之內部結構………………………… 21
圖2-6 永磁式同步發電之定子與轉子剖面圖………………………22
圖2-7 三相全橋式整流………………………………………………23
圖2-8 具固定直流電流負載之三相整流器…………………………24
圖2-9 具固定直流電流負載之三相整流器電路波形………………25
圖2-10 具固定直流電流之理想三相整流器之線電流………………27
圖2-11 三相全橋式整流器電路圖……………………………………28
圖2-12 RCD截止型緩震電路………………………………………… 31
圖2-13 升降壓式直流轉換器…………………………………………32
圖2-14 升降壓電路狀態（a）開關導通；（b）開關截止…………33
圖2-15 最大功率追蹤器控制方塊圖…………………………………34
圖2-16 TMS320F240數位信號處理之整體內部方塊圖………………39
圖3-1 傳統電流型擾動觀察法控制流程圖…………………………44
圖3-2 三點權位功率型態圖（權位值不為零）……………………47
圖3-3 三點權位功率型態圖（權位值為零）………………………48
圖3-4 三點權位比較法控制流程圖…………………………………49
圖4-1 責任週期微調控制法用於最大功率追蹤……………………52
圖4-2 責任週期微調控制流程圖……………………………………53
圖4-3 斜率為正之責任週期移動路徑………………………………55
圖4-4 斜率為負之責任週期移動路徑………………………………55
圖4-5 比較斜率法程式流程圖………………………………………57
圖4-6 已達最大功率點之控制情況…………………………………59
圖4-7 短暫性風力變動其控制責任週期擾動之情況………………60
圖4-8 功率差量乘積法流程圖………………………………………62
圖5-1 風力發電機特性曲線圖（風速8.3m/s）……………………65
圖5-2 風力發電機特性曲線圖（風速11.6m/s）………………… 66
圖5-3 風力發電機特性曲線圖（風速12.7m/s…………………… 67
圖5-4 風力發電機特性曲線圖 （風速14.5m/s）…………………68
圖5-5 風力發電機特性曲線圖（風速17m/s）…………………… 69
圖5-6 風力發電機在各風速下之負載特性曲線……………………70
圖5-7 風力發電機之三相交流電壓波形………………………… 71
圖5-8 發電機自靜止啟動至到達最大功率點附近持續擾動之情況
（傳統電流擾動觀察法，風速11.6m/s）…………………… 73
圖5-9 發電機自靜止啟動至到達最大功率點附近持續擾動之情況
（三點權位比較法，風速11.6m/s）………………………… 75
圖5-10 發電機自靜止啟動至到達最大功率點附近持續擾動之情況
（比較斜率法，風速11.6m/s）……………………………… 77
圖5-11 發電機自靜止啟動至到達最大功率點附近持續擾動之情況
（功率差量乘積法，風速11.6m/s）………………………… 79
圖5-12 升降壓電路輸入端電壓電流波形圖（傳統電流型擾動觀察法，風速14.5m/s） …………………………………………………………………80
圖5-13 升降壓電路輸出端電壓電流波形圖（傳統電流型擾動觀察法，風速14.5m/s） …………………………………………………………………81
圖5-14 負載輸出端電壓波形圖（傳統電流型擾動觀察法，風速從11.6m/s升至14.5m/s） …………………………………………………………………82
圖5-15 負載輸出端電壓波形圖（傳統電流型擾動觀察法，風速從14.5m/s降至11.6m/s） …………………………………………………………………83
圖5-16 擾動點變動軌跡與到達最大功率點後擾動情況（傳統電流型擾動觀察法，風速
14.5m/s變動至11.6m/s）……………………………………86
圖5-17 短暫變動風速下擾動點移動軌跡（傳統電流型擾動觀察法）……………87
圖5-18 擾動點變動軌跡與到達最大功率點後擾動情況（三點權位比較法，風速14.5m/s
變動至11.6m/s）…………………………………………… 88
圖5-19 短暫變風速下擾動點移動軌跡（三點權位比較法）………………………89
圖5-20 擾動點變動軌跡與到達最大功率點後擾動情況（比較斜率法，風速14.5m/s變動
至11.6m/s）………………………………………………… 90
圖5-21 短暫變風速下擾動點移動軌跡（比較斜率法）……………………………91
圖5-22 擾動點變動軌跡與到達最大功率點後擾動情況（功率差量乘積法，風速14.5m/s
變動至11.6m/s）…………………………………………… 92
圖5-23 短暫變風速下擾動點移動軌跡（功率差量乘積法）………………………93


表目錄
表5-1 電流模式之擾動觀察法最大功率追蹤實驗結果……………………72
表5-2 三點權位比較法最大功率追蹤實驗結果……………………………74
表5-3 比較斜率法最大功率追蹤實驗結果…………………………………76
表5-4 差量乘積法最大功率追蹤實驗結果…………………………………78
表5-5 風力機由靜止啟動至不同風速下，達到最大功率追蹤所需時間…95
表5-6 變動風速下（14.5m/s變化至11.6m/s）不同控制法則追蹤至最大功率
輸出所需時間…………………………………………………………95
表5-7 各種最大功率追蹤控制法則與擾動程度指標之關係………………96

參考文獻
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