臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在發展一永磁同步發電機系統，採用交流/直流三相功率轉換器改善其控制效益，以提升電能轉換效率，並利用直流/交流三相功率反流器以饋入市電端。本系統利用德州儀器生產之TMS320F2812 數位訊號控制器，將磁場導向控制架構應用於三相功率轉換器和反流器，使永磁同步發電機所產生之變動頻率及變動電壓之三相交流電源轉換為可饋入市電之交流電源，並採用一固定參考座標軸下之三相電流控制器，以降低電流諧波並提高發電機端之功率因數，進而改善永磁同步發電機系統整體效能。
本論文首先探討各式風機之特性與應用，並介紹永磁同步發電機之數學模型。接著以磁場導向控制架構來控制永磁同步發電機系統之轉速，而直流/交流三相功率反流器藉由控制直流鏈之電壓，提供市電端穩定之交流電源。同時說明三相功率轉換器及反流器之硬體電路架構及動作原理，並對控制核心TMS320F2812作一詳細介紹，最後再以實驗結果驗證本文所提出之永磁同步發電機系統之控制性能。本論文亦利用PSIM模擬軟體建立一風力驅動永磁同步發電機系統，同時利用模擬結果來驗証風力驅動永磁同步發電機系統之效能。

The subject of this thesis is to develop a permanent magnet synchronous generator (PMSG) system with an AC/DC power converter to improve the control performance and the efficiency of power conversion. Then, a DC/AC power inverter is adopted for grid connection. Moreover, a Texas Instruments (TI) TMS320F2812 digital signal controller is used to implement the field-oriented controller for the three-phase power converter and inverter. Furthermore, the variable -frequency and variable-voltage electric power generated by the PMSG is converted to a stable AC-source voltage for grid connection. In addition, a three-phase current controller in stationary reference frame is adopted to decrease the harmonic current, improve the power factor and performance of PMSG system.
In this thesis, first, the characteristic and applications of various wind-turbines, and the mathematical model of PMSG are introduced. Then, the rotor speed control strategy and the field-oriented control are adopted for the AC/DC converter to control the PMSG. Moreover, the DC-link voltage control is adopted for the DC/AC inverter to supply a stable AC-source voltage to grid. Furthermore, the hardware framework and operating principles of the three-phase power converter and inverter are also discussed. In addition, the TI TMS320F2812, which is adopted to implement the control system, is also introduced in detail. Finally, some experimental results are given to verify the control performance of the proposed PMSG system. Additionally, some simulated results using PSIM are given to verify the effectiveness of the wind-driven PMSG system.

誌謝 I
中文摘要 III
英文摘要 IV
目錄 VI
圖目錄 X
表目錄 XVI
第一章 緒論 1
1.1 風力發電技術發展概況 1
1.1.1 國內外風機發展現況 1
1.1.2 風力發電技術之改良 4
1.1.2.1 改良型轉子 5
1.1.2.2 新型驅動方式 7
1.1.2.3 新型風機塔設計 8
1.1.3 離岸風能 8
1.1.4 大功率風力發電現況 12
1.2 研究動機與目的 12
1.3 文獻回顧 13
1.4 論文大綱 19
第二章 風力驅動永磁同步發電機系統 21
2.1 風力發電系統簡介 21
2.1.1 風能 21
2.1.2 風力發電系統設置考量 23
2.1.3 風機種類 24
2.1.4 風機系統之組成 27
2.1.5 風力發電機系統之功率傳輸與控制 28
2.1.6 風力發電機的種類 30
2.2 永磁同步發電機原理 31
2.2.1 簡介 31
2.2.2 永磁同步發電機之數學模型 33
2.3 永磁同步發電機之磁場導向控制 37
2.3.1 永磁同步發電機動態模型 37
2.3.2 同步旋轉座標系統 38
2.3.3 永磁同步發電機之磁場導向驅動系統 40
2.4 永磁同步發電機系統 42
2.4.1 簡介 42
2.4.2 永磁同步發電機系統之架構 42
第三章 應用PSIM軟體模擬之風力驅動永磁同步發電機系統 45
3.1 PSIM電路模擬軟體簡介 45
3.2 風力驅動永磁同步發電機與功率轉換器系統之
模擬架構 48
3.3 風力驅動永磁同步發電機與功率轉換器系統之
模擬結果 53
3.4 加入測試條件之模擬結果 63
3.4.1 模擬結果說明 65
第四章 TMS320F2812數位訊號控制器 77
4.1 TMS320F2812數位訊號控制器簡介 77
4.2 TMS320F2812之事件管理者功能 81
4.2.1 事件管理者接腳 83
4.2.2 事件管理者暫存器位址 85
4.2.3 計時器 87
4.2.4 計時器的計數操作 88
4.2.5 計時器比較操作 89
4.2.6 脈波寬度調變模組 91
4.2.7 捕捉單元 93
4.2.8 定位編碼器介面模組 94
4.3 類比數位訊號轉換器 95
第五章 180kW電源轉換器系統結構 99
5.1 三相交流/直流與直流/交流功率轉換器之分析 99
5.1.1 三相交流/直流功率轉換器之等效電路及
數學模式 101
5.1.2 三相直流/交流功率反流器之等效電路及
數學模式 103
5.2 180kW電源轉換器系統結構簡介 104
5.3 整體系統硬體說明 107
5.3.1 2812數位訊號控制器之介面電路 107
5.3.2 切換開關及隔離驅動放大電路 110
5.3.3 光學編碼器 112
5.3.4 其他電路 113
5.4 整體系統軟體說明 115
第六章 實驗結果 119
6.1 實驗限制 119
6.2 實作成果 122
第七章 結論與未來研究展望 143
參考文獻 145
作者簡歷 151

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