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研究生:蘇長成
研究生(外文):Chang-Cheng Su
論文名稱:風力發電系統之功率轉換器研製
論文名稱(外文):Development of Power Converters for Wind Generators
指導教授:葉勝年葉勝年引用關係黃仲欽
指導教授(外文):Sheng-Nian YehJonq-Chin Hwang
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:電機工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:永磁式同步發電機磁場角位置功率轉換器
外文關鍵詞:permanent-magnet synchronous generatorrotor positionpower converter
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本文旨在研製風力發電系統之功率轉換器。本系統採用交流-直流-交流之結構組成功率轉換器,將變動頻率及電壓之電源轉換為固定頻率及電壓之單相電源,並搭配擾動觀察法作為最大功率追蹤控制策略,使風力發電機於當時大氣環境下輸出最大功率,有效利用再生能源。本系統亦將偵測發電機之轉速及相電流,以調節發電機之功率輸出,可與市電併聯或獨立運轉。
在交流-直流功率轉換器方面,本文推導三相全橋全控型整流器之數學模式及發電機輸入功率的限制條件,並採用旋轉座標系統下之電流控制器,以降低發電機之電流諧波及提高功率因數。文中亦回授轉速發電機之感應電動勢,估測發電機之轉速及磁場角位置,改善以往角度偵測器的缺點,使得發電機運轉可靠度提高。
本文之直流-交流功率轉換器為單相開關型功率轉換器,除推導單相開關型整流器數學模式外,並以電流控制模式及低損失單極性切換策略,提供快速響應、穩定且低諧波失真之單相電流與市電併聯。
本文之系統採用高性能及低成本的數位信號處理器(DSP, TMS320F2812)為整體系統之控制核心。在系統整合部分,已完成在8m/s風速下240W的發電系統雛形,整體效率為80%,其單相輸出電壓有效值為110 V,頻率為60 Hz,可供給實功率至市電網路。實驗結果驗證本文之理論分析及控制法則的可行性。
This thesis presents the design and implementation of power converters for wind generators. In this system, ac-dc-ac power converters are proposed to convert three-phase electrical power generated by wind with varying-voltage and varying-frequency to single-phase electrical power with constant-voltage and constant-frequency. The perturb-and-observe algorithm is applied for maximum power point tracking to enhance conversion efficiency for the energy management of wind generator. The output power of the overall system is adjusted by detecting the speed and phase current of the generator. The system can be operated in both stand-alone and grid-connected fashions.
In ac-dc power converter, the mathematical model of three-phase rectifier built under rotating-frame and input power range of generator is introduced to reduce the current harmonics and increase the power factor on the input side, so that the efficiency of the generator can be increased. Besides, voltage feedback from an auxiliary generator is used to estimate rotor position and speed to facilitate speed and torque controls. This requires no rotor position detector and thus increases the reliability of the system.
A single-phase dc-ac power converter using unipolar switching method with low switching loss is designed to reduce the output voltage harmonics and increase conversion efficiency. As mentioned above, the realized system can be operated either in a stand-alone fashion or connected with power grid by voltage and current control modes, respectively.
A high-performance and low-cost digital signal processor (DSP, TMS320F2812) is used to control the system for reducing the circuit complexity. A prototype of 240 W hybrid power conversion system is developed under 8m/s wind speed. The system can feed proper power to the grid in grid-connected operation, while for stand-alone operation, the rated output voltage is 110 V and the frequency is 60 Hz. The efficiency of the whole system in grid-connected operation reaches 80%. Experimental results are given to verify the proposed system.
目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌 謝 Ⅲ
目 錄 Ⅳ
符號索引 Ⅵ
圖表索引 Ⅷ
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻探討 1
1.3 系統架構及本文特色 4
1.4 本文大綱 4
第二章 永磁式同步發電機之數學模式與參數量測 6
2.1 前言 6
2.2 三相永磁式同步發電機之簡介 6
2.3 三相永磁式同步發電機之數學模式建立 7
2.4 三相永磁式同步發電機之參數量測 12
2.4.1 三相永磁式同步發電機之感應電勢之分析 13
2.4.2 轉子等效磁通鏈 量測 15
2.4.3 交、直軸等效電感 及 量測 16
2.5 轉速發電機之轉速及磁場角位置偵測器 17
2.6 結語 24
第三章 永磁式同步發電機之功率控制策略 25
3.1 前言 25
3.2 交流-直流轉換器之模式 25
3.2.1 三相全橋型二極體整流器之分析 25
3.2.2 三相全橋全控型整流器之分析 26
3.3 三相全橋全控型交流-直流功率轉換器之模式 27
3.4 三相全橋全控型交流-直流功率轉換器電流控制 28
3.4.1電流磁滯控制法 28
3.4.2 三相abc系統下之電流預測控制法 29
3.4.3轉子旋轉座標控制法 30
3.5 三相交流-直流功率轉換器之實測結果 35
3.6 結語 40
第四章 單相直流-交流功率轉換器之控制及市電併網 41
4.1 前言 41
4.2 單相直流-交流功率轉換器 41
4.3 市電併聯控制 44
4.4 獨立運轉控制 46
4.5 風力驅動及能量管理系統 48
4.5.1 風力發電原理及特性 48
4.5.2 風力模擬之實驗平台 48
4.6 最大功率追蹤 51
4.7 結語 52
第五章 實體製作與實測結果 53
5.1 前言 53
5.2 硬體電路 53
5.2.1 數位信號處理器 53
5.2.2 電壓及電流回授電路 56
5.2.3 市電側零點偵測電路 57
5.2.4 功率級電晶體之閘極驅動電路 58
5.3 控制軟體規劃 59
5.4 實測結果 65
5.5 結語 76
第六章 結論與建議 77
6.1 結論 77
6.2 建議 78
參考文獻 79
附 錄 83
作者簡介 85
參考文獻
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