本論文主要在探討一個獨立型風能-柴油引擎混合式系統的動態特性。該系統主要包括11.4kV匯流排、四套柴油引擎發電系統、三套風能發電系統以及其他組件。研究範圍除了系統組件的數學模型推導外，也包含了相對應的SimPowerSystems模組開發以及進一步的動態特性模擬與分析。此外為了使研究與實際運轉情形更接近，本論文模擬了獨立型風能-柴油引擎混合式系統正常運轉模擬以及三相對稱故障運轉模擬兩種運轉模式。研究結果顯示此系統在這兩種運轉模式下的動態特性是合理的並且應可和實際運轉情形一致。本研究最大的價值是可做為類似的系統規劃、運轉、以及系統擴充的重要參考。

This thesis presents the dynamic behavior simulation of an isolated wind - diesel hybrid power system with diesel-engine power generation systems operating as power source, and wind-energy electricity power generation standby power source. The components of the system were developed using Simulink together with SimPowerSystems and then employed to cater for the dynamic behavior of the system, including diesel-engine prime mover model, wind turbine model, synchronous generator model, induction generator model, three-phase power transformer model, capacitor bank model, and static load model. The simulation results showed that the system operated acceptably under those conditions and should be coincident with practical operations. The dynamic behavior studies for hybrid power systems are essential for system planning, operation, and further expansion.

目 錄

中文摘要 ………………………………………….………………………………… i
英文摘要 ………………………………………..…………………………………… ii
誌謝 …………………………………………..………………………………… iii
目錄 ……………………………………………..……………………………… iv
圖目錄 ……………………………………………..……………………………… vi
表目錄 ………………………………………………..…………………………… vii
符號說明 ………………………………………………..…………………………… viii
一、緒論………………………………………………..…………………………… 1
1.1 研究背景及動機………………………………………………..………… 1
1.2 文獻回顧……………………………………………..…………………… 5
1.3 論文架構……………………………………………………..…………… 7
二、獨立型風能-柴油引擎混合式系統…………………………………………….. 8
2.1 風能-柴油引擎混合式發電基礎架構……………………………………. 8
2.2 系統組件數學模型………………………………………………………. 9
2.2.1 狀態空間表示法………………………………..………………………… 9
2.2.2 渦輪增壓式柴油引擎原動機模型……………………………………….. 9
2.2.3 簡化的柴油引擎原動機模型…………………………………………….. 13
2.2.4 風力機模型………………………………………………..……………… 14
2.2.5 同步發電機模型………….…………………………………………….. 16
2.2.6 三相感應發電機模型…………………………………………………….. 16
2.2.7 激磁系統模型…………………………………………………………….. 17
2.2.8 三相變壓器模型………………………………………..………………… 18
2.2.9 靜態負載模型……………………………………..……………………… 19
三、模組開發與應用…………………………………….……….…………..……… 20
3.1 軟體工具………………………………………………….………….…… 20
3.2 基本模組……………………………………………………..…………… 21
3.2.1 柴油引擎發電系統模組………………………………………………… 21
3.2.2 三相變壓器模組……………………………………………… 25
3.2.3 靜態負載模組………………………………..…………………………… 26
3.2.4 風力發電系統模組……………………………………..………………… 30
四、獨立型風能-柴油引擎混合式系統動態特性模擬與分析……………………… 33
4.1 概述…………………………………….……….………………………… 33
4.1.1 模擬程序………………………………………….……….……………… 33
4.1.2 系統架構………………………….………………….…………………… 33
4.1.3 SimPowerSystems模組架構…………………………………………… 34
4.2 運轉模式…………………………..……………………………………… 34
4.3 運轉模式一：正常運轉模擬……..……………………………………… 36
4.3.1 時序圖…………………………………………………………………… 36
4.3.2 模擬結果………………………………………………………….……… 37
4.4 運轉模式二：三相對稱故障運轉模擬……………………………….… 46
4.4.1 時序圖…………………………………………………………………… 46
4.4.2 模擬結果………………………………………………………….……… 47
4.5 評論…………………………….…………………………………….… 56
五、結論與未來研究方向……………………………….…………………………… 58
5.1 結論………………………………………..……………………………… 58
5.2 未來研究方向……………………………………..……………………… 59
參考文獻 ……………………………………………………………………… 61
附錄：獨立型風能-柴油引擎混合式系統動態模擬資料………………..… 66


圖目錄
圖2.1 獨立型風能-柴油引擎混合式系統架構圖…………………………… 8
圖2.2 柴油引擎原動機的架構圖……………………………………………. 9
圖2.3 柴油機系統方塊圖……………………………………………………. 10
圖2.4 渦輪增壓式柴油引擎熱力模型關係圖………………………………. 11
圖2.5 典型的柴油引擎調速系統方塊圖…………………………………… 12
圖2.6 簡化的雙質量體傳動系統架構圖……………………………….…… 13
圖2.7 柴油引擎原動機方塊圖…………..…………………………………… 14
圖2.8 風通過風力機葉片的示意圖…………………………………………. 15
圖2.9 IEEE Type 1激磁控制系統方塊圖…………………………………… 18
圖3.1 SimPowerSystems主畫面…………………………………………….. 20
圖3.2 獨立型風能-柴油引擎混合式系統SimPowerSystems模組架構圖… 21
圖3.3 柴油引擎發電系統模組圖像與內部架構圖…………………………. 22
圖3.4 同步發電機模組圖像與參數視窗……………………………………. 22
圖3.5 柴油引擎速度及電壓控制器模組……………………………………. 23
圖3.6 調速機及柴油引擎模組圖像及參數設定……………………………. 23
圖3.7 激磁系統模組圖像及參數設定………………………………………. 24
圖3.8 三相變壓器模組圖像及內部架構圖參數設定………………………. 25
圖3.9 SL1靜態負載模組圖像、內部架構圖及參數設定…………………. 26
圖3.10 SL2靜態負載模組圖像、內部架構圖及SLTr2變壓器模組參數設定 27
圖3.11 SL3靜態負載模組圖像、內部架構圖及SLTr3變壓器模組參數設定 28
圖3.12 SL3靜態負載模組三相感應電動機模組圖像內部架構圖及參數設定 29
圖3.13 風力發電系統模組圖像與內部架構圖………………………………. 30
圖3.14 GE-1.5系列風力機功率特性曲線…………………………………… 30
圖3.15
圖3.16
圖3.17 風力模組圖像及參數視窗…………………………………………….
三相感應發電機模組圖像與參數視窗……………………………….
功因補償電容器模組圖像與與參數視窗……………………………. 31
32
32
圖4.1 獨立型風能-柴油引擎混合式系統架構……………………………… 33
圖4.2 獨立型風能-柴油引擎混合式系統SimPowerSystems模組架構圖… 34
圖4.3 正常運轉模擬的時序圖………………………………………………. 36
圖4.4 正常運轉模擬系統變數變動情形(一)……………………………….. 38
圖4.5 正常運轉模擬系統變數變動情形(二)……………………………….. 39
圖4.6 正常運轉模擬系統變數變動情形(三)……………………………….. 40
圖4.7 正常運轉模擬系統變數變動情形(四)……………………………….. 41
圖4.8 正常運轉模擬系統變數變動情形(五)……………………………….. 42
圖4.9 正常運轉模擬系統變數變動情形(六)……………………………….. 43
圖4.10 正常運轉模擬系統變數變動情形(七)……………………………….. 44
圖4.11 正常運轉模擬系統變數變動情形(八)……………………………….. 45
圖4.12 三相對稱故障運轉模擬的時序圖…………………………………… 46
圖4.13 三相對稱故障模擬系統變數變動情形(一)………………………….. 48
圖4.14 三相對稱故障模擬系統變數變動情形(二)………………………….. 49
圖4.15 三相對稱故障模擬系統變數變動情形(三)………………………….. 50
圖4.16 三相對稱故障模擬系統變數變動情形(四)………………………….. 51
圖4.17 三相對稱故障模擬系統變數變動情形(五)………………………….. 52
圖4.18 三相對稱故障模擬系統變數變動情形(六)………………………….. 53
圖4.19 三相對稱故障模擬系統變數變動情形(七)………………………….. 54
圖4.20 三相對稱故障模擬系統變數變動情形(八)………………………….. 55

表目錄
表4.1 量測資料與標么基底………………………………………………….. 35
表4.2 獨立型風能-柴油引擎混合式系統動態模擬運轉模式………….…… 36
表4.3 正常運轉模擬時發電容量與負載容量比…………………………….. 37
表4.4 三相對稱故障運轉模擬時發電容量與負載容量比………………….. 47

符號說明
[A] ： 係數矩陣
[B] ： 控制矩陣
[G] ： 旋轉電感矩陣
[L] ： 電感矩陣
[R] ： 電阻矩陣
[irm] ： 電動機轉子的電流矩陣
[i1] ： 變壓器一次側的電流矩陣
[ik] ： 靜態負載的電流矩陣
[irg] ： 發電機轉子電流矩陣
[ism] ： 電動機定子電流矩陣
[u] ： 輸入矩陣
[vrg] ： 發電機轉子電壓矩陣
[vrm] ： 電動機轉子電壓矩陣
[x] ： 狀態變數矩陣
AT ： 風力機葉片掃過的面積
B ： 風力機葉片數目
Cl/Cd ： 風翼浮力對拉力的比值
Cp ： 功率係數
L11 ： 變壓器一次側自感
L22 ： 變壓器二次側自感
Ld ： 同步電機d軸電感
Lm ： 感應電機磁化電感
Lq ： 同步電機q軸電感
Lfd ： 同步電機激磁繞組電感
Lkd ： 同步電機d軸阻尼繞組電感
Lkq ： 同步電機q軸阻尼繞組電感
Lrr ： 感應電機轉子電感
Lsk ： 靜態負載電感
Lss ： 感應電機定子電感
Te ： 旋轉電機的電磁轉矩
U1 ： 風力機葉片前面的風速
U2 ： 風力機葉片後面的風速
UT ： 風力機葉片位置的平均風速
id1 ： 變壓器d軸一次側電流
id2 ： 變壓器d軸二次側電流
idk ： 靜態負載d軸電流
idr ： 感應電機d軸轉子電流
ids ： 旋轉電機d軸定子電流
ifd ： 同步電機激磁繞組電流
ikd ： 同步電機d軸阻尼繞組電流
ikq ： 同步電機q軸阻尼繞組電流
iq1 ： 變壓器q軸一次側電流
iq2 ： 變壓器q軸二次側電流
iqk ： 靜態負載q軸電流
iqr ： 感應電機q軸轉子電流
iqs ： 旋轉電機q軸定子電流
isgk ： 第k部發電機的電流
isml ： 第l個負載的電流
n ： 極對的數目
p ： 微分運算子
r1 ： 變壓器一次側電阻
r2 ： 變壓器二次側電阻
rfd ： 同步電機激磁繞組電阻
rkd ： 同步電機d軸阻尼繞組電阻
rkq ： 同步電機q軸阻尼繞組電阻
rr ： 感應電機轉子電阻
rs ： 旋轉電機定子繞組電阻
rsk ： 靜態負載電阻
vd1 ： 變壓器d軸一次側電壓
vd2 ： 變壓器d軸二次側電壓
vdk ： 靜態負載d軸電壓
vdr ： 感應電機d軸轉子電壓
vds ： 旋轉電機d軸定子電壓
vfd ： 同步電機激磁繞組電壓
vkd ： 同步電機d軸阻尼繞組電壓
vkq ： 同步電機q軸阻尼繞組電壓
vq1 ： 變壓器q軸一次側電壓
vq2 ： 變壓器q軸二次側電壓
vqk ： 靜態負載q軸電壓
vqr ： 感應電機q軸轉子電壓
vqs ： 旋轉電機q軸定子電壓
λ ： 風力機葉片的尖端速度比
ρ ： 空氣密度

參考文獻
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