臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要探討小型風力發電機之最大功率追蹤，系統主要包含風機、發電機、及升降壓轉換器。本文之發電機使用的是交流永磁發電機，經過整流後經由升降壓轉換器再接到負載。論文中使用兩種不同類型的升降壓轉換器，一種為ZETA型，另一種為SEPIC型。透過轉換器來調控電壓，進而控制風機轉速，來達成最大功率追蹤。最大功率追蹤系統的部分，本文使用模糊邏輯控制法來達成，此控制法能夠依照人類的思考邏輯來進行法則設定，我們選用電壓、功率作為控制因子，利用模糊控制來達到最大功率，並將我們設計好的控制器及風機利用MATLAB的SIMULINK進行數值模擬，分析並觀察其結果。最後討論分為三個不同的方面，其一是根據風速的改變進行討論，風速越大時，我們的控制器是否能跟得上變化，其二是討論負載變化對於我們功率控制的影響，最後，對於我們使用的兩種升降壓轉換器進行討論，比較兩種不同的轉換器哪種對於功率會較穩定。

This thesis investigates the maximum power point tracking (MPPT) for the small-scale wind power system. The wind power system contains the wind turbine, generator, and buck-boost converter. A permanent magnet synchronous generator (PMSG) is selected in this research. Two different buck-boost converters, ZETA and SEPIC, are used for this study. The MPPT is achieved through continuously adjusting the duty ratio command of the power switch of the converter, which, in turn, will control the velocity of the wind turbine to reach the maximum power point. A fuzzy-logic-based MPPT algorithm is developed for the wind power system. A MATLAB/SIMULINK based simulation model is developed to demonstrate MPPT design. Power variations due to wind speed and load changes are discusses in the thesis. A comparison of using ZETA and SEPIC converters for the MPPT function are also included in the thesis.

目錄
目錄 i
圖目錄 iv
表目錄 vii
符號定義 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
第二章 風力發電系統介紹 4
2.1 風力發電系統 4
2.2 風力發電機與功率特性 8
2.3 發電機 9
2.3.1直流發電機 10
2.3.2交流發電機 10
2.4 DC-DC電源轉換器 11
第三章 風力發電最大功率追蹤系統 14
3.1 風力發電系統架構 14
3.2 最大功率追蹤法則介紹 15
3.2.1 擾動觀察法 15
3.2.2 模糊邏輯法 17
3.3 控制方法測試及設計 21
第四章 風力發電系統模擬 30
4.1系統與參數設定 30
4.1.1 風扇模型 30
4.1.2 永磁同步發電機模型 33
4.1.3 整流器 36
4.2 風力發電系統模擬結果 37
第五章 模擬結果 43
5.1 控制系統 43
5.1.1 ZETA型升降壓電源轉換器 45
5.1.2 SEPIC型升降壓電源轉換器 47
5.2 模糊控制系統 48
5.3 結果與討論 52
5.3.1 模糊控制結果 52
5.3.2 改變風速下的模糊控制 54
5.3.3 改變負載下的模糊控制 56
5.3.4 ZETA和SEPIC型轉換器結果比較 58
第六章 結論與未來展望 61
參考文獻 62

 
圖目錄
圖2.1 水平軸式發電機[6] 6
圖2.2 垂直軸式發電機[6] 6
圖2.3 風機效能係數與其風扇尖端速度比關係曲線 9
圖2.4 風力發電機功率對轉速之特性曲線 9
圖2.5 升降壓轉換器電路 12
圖2.6 升降壓轉換器開關及電流、電壓週期 13
圖3.1 風力發電機系統架構圖 14
圖3.2 擾動觀察法流程圖 16
圖3.3 模糊邏輯系統控制圖 18
圖3.4 歸屬函數種類 三角形 梯型 高斯曲線 19
圖3.5 模糊邏輯控制的流程圖 20
圖3.6 最大功率追蹤方法的流程圖 21
圖3.7 三角形對稱函數的數值分配 23
圖3.8功率變化對應的歸屬度值 24
圖3.9 電壓變化對應的歸屬度值 24
圖3.10 功率與電壓變化和工作週期的關係圖 25
圖3.11 模糊規則庫 26
圖3.12 帶入歸屬函數的結果 26
圖3.13 Mamdani法則判定 27
圖3.14 利用歸屬度計算模糊值 28
圖3.15 解模糊化計算 28
圖4.1 風力發電機風扇部分模型 32
圖4.2 風力發電機 轉 之模型 32
圖4.3 永磁發電機上的qd座標系 33
圖4.4 風力系統接上發電機之模型 36
圖4.5 風力系統接上發電機輸出的三相交流電壓電流 36
圖4.6 發電機接上三相整流示意圖 37
圖4.7 風力系統接上發電機及整流之模型 39
圖4.8 風力發電系統整流後功率，負載為 40
圖4.9風力發電系統整流後功率，負載為 40
圖4.10 風力發電系統風機轉速－整流後功率圖 41
圖4.11 風力發電系統整流後電壓－功率圖 42
圖5.1 控制系統流程圖 44
圖5.2 在風速為10 下，未濾波的電流及電壓 44
圖5.3 在風速為10 下，濾波後的電流及電壓 45
圖5.4 ZETA型升降壓轉換器 46
圖5.5 ZETA型升降壓轉換器模擬圖 47
圖5.6 SEPIC型升降壓轉換器 47
圖5.7 SEPIC型升降壓轉換器模擬圖 48
圖5.8 風力發電機的功率對電壓之特性曲線 48
圖5.9 模糊邏輯規則庫 49
圖5.10 功率變化量對時間圖 51
圖5.11 輸入和輸出變數加入模糊規則後的歸屬函數論域 51
圖5.12 風力發電整體模型 52
圖5.13 在風速10 下，模糊控制後的時間對電壓、電流圖 53
圖5.14 在風速10 下，模糊控制後的時間對功率圖 53
圖5.15 在風速10 下，模糊控制後的工作週期圖 54
圖5.16 各風速下的最大功率對時間圖 55
圖5.17 各風速下的工作週期對時間圖 56
圖5.18 負載為50 時，各風速下的功率對時間圖 57
圖5.19 負載為50 時，各風速下的功率對時間圖 57
圖5.20 利用SEPIC型轉換器在各風速下模擬的最大功率追蹤 58
圖5.21 利用SEPIC型轉換器在各風速下的工作週期 59

 
表目錄
表3.1 風力發電機實驗數據 23
表5.1 各風速下的最大功率和負載 54
表5.2 風速和負載在改變時跟功率的關係 60

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