臺灣博碩士論文加值系統

為了尋求小型風力發電機的葉片最大受風能力與供電穩定度間取得一個最佳操作點。本論文研究項目可區分為以下兩部分;發電機的發電效率測定與小型風力發電系統中參數的取得與分析。由於風能並不是一種穩定的能量來源，而影響風力發電效率的變因都與環境因素與設備設計的參數有關。換言之，風速、葉片的設計以及發電機的特性等種種的因素都會影響風力發電的效率。然而風力發電機要併入電力系統前，必須要利用這些參數才能判斷是否有足夠的風能可以穩定發電。為此，我們在風力發電系統中加入了微電網系統與智慧型電網系統。如此一來我們不但可以精確的得知風力發電系統中的各種參數，也可以藉由這些參數來得知風力發電行為中的一些物理現象用以判斷目前風能發電的可行性。為了確保供電穩定度，在微電網系統中我們以鉛酸車用電池作為併入市電的媒介。而為了得知我們3kW風力發電機的效能，我們製作了一組實驗平台，用以測試發電機在不同轉速與負載之下的電壓、電流變化。此外，為了取得風力發電系統中的資訊，我們利用智慧型電網中的處理核心-單晶片微電腦，擷取各個量測元件的訊號經過轉換與計算後匯集成一組完整的資料傳送至使用者端，作為控制與調整小型風力發電系統使用。如此一來我們可將測得的風能與發電機性能參數建立成模糊資料庫，以作為最後利用模糊控制來實現風力機最佳化發電的目的。

To find an optimal operational point which can maximize wind energy output from the small wind turbine and provide favorable condition for batteries and loads, the research falls into two categories: the performance of the wind turbine generator and the parameters monitoring in both small wind turbines and wind electric systems. Since the wind power output relies on variable parameters, i.e. wind speed, the characteristic of turbines and the performance of the generator, we need more detailed information to make sure wind turbine working properly before to connect into the grid system. For this purpose, we include both smart grid system and the micro grid system in parallel with the small wind electric system, it not only establishes precise parameters but also collects information from the small wind electric system, to ensure enough wind energy to operate the wind turbine generator at a stable condition. On micro grid system, we use a lead-acid car battery as a power storage media to connect the small wind electric system. In order to get the correct performance of our 3kW synchronous wind generator, we set up a test platform to observe the voltage and current variations in both of different loads and different rotational speeds. Furthermore, in order to get the detailed information from the nature wind, we use the microchip which is processing unit of smart grid system to collect and compute the data from the measurement devices. The calculation results will be delivered to the remote host, therefore the operator can utilize these information to control and adjust the wind turbine system. With this data we finally establish a small wind electric system’s fuzzy archives which use fuzzy control method to find the optimal operation point. At this operation point, the wind power output can be maximized in various wind speeds, and the suitable condition for batteries and loads also can be reached.

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1分散式電源 3
1.1.2 風力發電發展狀況 4
1.1.3 小型風力發電的特性 8
1.2 研究動機 9
1.3 研究方法與目的 10
1.4 文獻探討 11
1.4.1 風機葉片種類 11
1.4.2 智慧型電網概念應用於小型風力發電系統 13
1.4.3 微電網概念用於小型風力發電系統 13
1.5 論文架構 14
第二章 小型風力發電性能監測系統架構與實現 16
2.1 小型風力發電性能監測系統 16
2.1.1 風能參數量測 16
2.1.2 負載參數量測系統 18
2.1.3 發電機參數量測系統 19
2.1.4 小型風力發電性能監測系統架構 20
2.2 小型風力發電性能監測系統實現 21
2.2.1 小型風力發電機組 21
2.2.2 資料蒐集程序與方法 24
2.3 小型風力發電性能監測系統元件 25
2.4 單晶片擷取系統 36
第三章 風力葉片能量轉換原理與性能曲線 40
3.1 風機葉片能量轉換理論 40
3.2 風速與轉速之間的關連性 42
3.3 風能與發電效率 44
3.4 風力葉片轉換效率 45
第四章 風力發電機原理及其最佳化應用 47
4.1 風力發電機原理 47
4.1.1 向量法 47
4.1.2 永磁同步電機暫態方程式 49
4.2 風力發電機效能測定 51
4.2.1 電機效能測定的實現 52
4.3 風能輸入與負載輸出之間的協調 54
第五章 結合模糊控制之微電網控制系統 57
5.1 利用小型風力發電系統資訊建構電力保護迴路 57
5.2 小型風力發電機微電網控制系統建置 58
5.2.1 蓄電池保護電路 59
5.2.2 小型風力發電機限制輸出電路 60
5.2.3 小型風力發電系統之微電網運作流程圖 61
5.3 小型風力發電機微電網系統 62
5.4 模糊邏輯健康分析 63
5.5 模糊邏輯控制 64
5.6 結合模糊邏輯控制微電網控制迴路 68
第六章 結論與未來研究方向 69
6.1 結論 69
6.2 未來展望 70
參考文獻 72
作者簡介 75

參考文獻

[1] 「全球資訊網站新聞廣場」，台灣電力公司，
http://www.taipower.com.tw/news/news502.htm
[2] 「風力示範推廣計畫網頁」，經濟部能源局，
http://wind.erl.itri.org.tw/wind.html
[3] 黃榮章，「風力發電」，台灣化學纖維股份有限公司，
http://emis.erl.itri.org.tw/_upload/_admin/sepro/27/file/%E9%A2%A8%E5%8A
%9B%E7%99%BC%E9%9B%BB.doc
[4] 朱翊誌，含風力發電微電網之孤島運轉策略，碩士論文，中山大學電機工程學系，2009。
[5] Klaus Rave and Steve Sawyer ,”Global Wind 2010 Report”,2010.
[6] 陳暉，「全球風電市場發展現況」，上海情報服務台，2010，
http://www.libnet.sh.cn:82/gate/big5/www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=7091
[7] 中央大學台灣風能網站，「台灣地區50m高之平均風速分布圖」，2010。
[8] 呂威賢、呂錫民，「先進國家再生能源推動制度介紹」，工研院能環所，再生能源推廣室。
[9] 「台灣電力公司風力發電暨太陽光電計畫」，工程月報，第八十六期，2010。
[10] D. Corbus, I. Baring-Gould, S. Drouilhet,V. Gervorgian, T. Jimenez,C.Newcomb,
and L. FlowersSeptember”Small Wind Turbine Testing and Applications Deve-
lopment.” ,National Renewable Energy Laboratory,Jan. 1999.
[11] F.S. Stoddard， B.K. Porter ”Wind Turbine Aerodynamics Research Needs Asses-
sment.”U.S. Department of Energy，Jan.1986.
[12] 國際標準資料庫 IHS 中的標準 IEC 61400-1、IEC 61400-2、IEC 61400-11、
IEC 61400-12、IEC 61400-13、IEC 61400-21、IEC TS 61400-23、IEC TR
61400-24、IEC 60050-415。
[13] T. Takagi and M. Sugeno, “Fuzzy Identification of Systems and Its Applications
to Modeling and Control.” IEEE Transactions on Systems, man, and Cybernetics,
Vol. SMC-15, No.1 Jan./Feb. 1985, pp. 116-132.
[14] D. M. Somers “The S830, S831, and S832 Airfoils” NREL/SR-500-36229
Aug. 2005.
[15] D. M. Somers “The S825 and S826 AirfoilsPeriod of Performance”NREL/SR-
500-36344 Jan.2005.
[16] D. M. Somers “The S827 and S828 Airfoils Period of Performance”NREL/SR-
500-36343 Jan.2005.
[17] D. M. Somers “Desigh and Experimental Results for the S827 Airfoils”NREL/
SR- 500-36345 Jan. 2005.
[18] 台灣智慧型電網產業協會，
http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/smart_grid.aspx
[19] 「微電網標準與台灣技術發展方向」，佳榮能源科技股份有限公司，
http://www.ultra-pack.com/tw/news-detail.php?id=182
[20] 吳怡婷，壓力皮托管風速計的製作與壓力校正，碩士論文，中華技術學院航空機械系，2008。
[21] 周欣賢、王緒楓，小型風力發電機葉片設計及性能驗證，碩士論文，中華技術學院航空機械系，2007。
[22] 黃正利、陳正泰，「漫談風車葉片氣動力技術」，精密製造與新興能源機械技術專輯，第二百七十八期，2006。
[23] Microchip Technology,
http://www.microchip.com
[24] S''mate Sensormate Enterprise,
http://www.smate.com.tw/index.htm
[25] 葉杭冶，風力發電機組的控制技術，出版地：機械工業出版社，2006。
[26] Betz Laws, Understand the Betz Limits and how it affects wind turbine,
http://www.reuk.co.uk/Betz-Limit.html
[27] 劉昌煥，交流電機控制，台北：東華書局，2008，頁50-74。
[28] 曾光奇、胡均安、王東、劉春玲主編，模糊控制理論與工程應用，出版地：華中科技大學，2006。