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研究生:張睿恩
研究生(外文):Jui-en Chang
論文名稱:直接併網型勵磁式同步風力發電機組之功因修正策略及即時監控系統
論文名稱(外文):Power Factor Correction Strategy and Supervisory Control System for Direct Grid-Connected Excited Synchronous Wind Power System
指導教授:陳遵立陳遵立引用關係
指導教授(外文):Tzuen-Lih Chern
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:電機工程學系研究所
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:113
中文關鍵詞:即時監控功因修正風力發電系統RS485市電併聯伺服馬達勵磁式同步發電機
外文關鍵詞:RS485Servo Motor ControlGrid connectionExcited Synchronous GeneratorWind TurbineSupervisory ControlPower Factor Correction
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本論文提出直接併網型勵磁式同步風力發電機組,主要架構採用勵磁式同步發電機同軸連接一穩速伺服馬達,對機組之轉軸進行位置控制,可調整發電機輸出之頻率及相位,在併網期間,進行功因修正策略,利用穩定之馬達光編碼器信號,換算出發電機電壓電壓相位,並以此為基準,配合發電機電流相位,控制發電機電流追蹤市電,提升電力品質,配合勵磁式同步發電機可直接併網之特性,可以高壓輸出,及各式控制方法,使風能有效的轉換成電能輸入至電網。
本系統亦使用Microsoft Visual C#及SQL建立即時監控系統,利用RS485介面及非同步串列通訊,做為溝通監控系統與風力發電機組的微控制器之間的橋樑。
即時監控系統包括了以下功能,狀態確認負責確認機組啟動前之狀況;參數設定負責確認或修改機組各控制策略參數;數值監控負責監控機組各項電壓、電流或功率值;圖形監控以示波器的形式呈現機組重要數值之波形圖及功率圖;馬達監控負責溝通機組中的馬達驅動器。並以即時監控系統儲存大量資料為基礎,利用大數據分析系統評估機組運行狀況,以及利用圖形化的方式分析電力品質。
This thesis adopts a grid-connected excited synchronous wind power generator system. This system uses coupling to connect excited synchronous generator and servo motor in a coaxial framework, and realizes position control of the system rotation axis. This thesis also proposes Power Factor Correction Strategy during grid connected. We can calaulate the phase of generator voltage from steady servo motor encoder signal. Along with the phase of generator current, we are able to control it to track the phase of grid. Therefore, power quality can be improved.
The system also uses Microsoft Visual c# and SQL to program a Supervisory Control System. Communication interface between the system and microcontroller is RS485, which is in asynchronous serial mode. Supervisory Control System includes following functions. Status Confirmation confirms system status before system starts up. Parameter Setting sets parameters of control strategies in the generators. Numeric Monitoring supervises every voltage, current and power. Graphical monitoring presents graphes of important values by using build-in oscilloscopes. Motor monitoring in charge of communication with motor drivers.
Based on vast data stored by Supervisory Control System, we use Big data Analysis System to evaluate condition of generators, and analyze power quality by graphical approach.
論文審定書 i
誌謝 ii
摘 要 iii
Abstract iv
目 錄 v
圖 次 ix
表 次 xiv
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 系統描述與控制策略簡介 2
1.3 研究方法 2
1.4 內容概述 3
第二章 風力發電系統及通訊介紹 5
2.1 現行風力發電系統架構分類 5
2.2 發電系統種類簡介 6
2.2.1 本論文之勵磁式同步發電系統 6
2.2.2 本論文之勵磁式同步發電系統與現行發電系統比較 7
2.3通訊種類 8
2.3.1 串列通訊介紹 9
2.3.2 本論文採用之通訊架構 12
第三章 架構控制方法及功因修正策略功能 13
3.1 直接併網型勵磁式同步風力發電系統策略 13
3.2 同步及功因修正策略 13
3.3 啟動切離控制策略 20
3.4 最大功率追蹤控制策略 21
3.5 定電壓控制策略 21
3.5.1馬達穩壓模式 21
3.5.1電池穩壓模式 22
3.6 電池供電控制策略 23
第四章 微控制器與系統間之通訊協定 24
4.1 封包規劃 24
4.1.1 無資料封包 24
4.1.2 帶資料封包 25
4.2 監控端傳送及接收流程 26
4.2.1 傳送流程 26
4.2.2 接收流程 27
4.2.3避免連傳終止機制 28
4.3 風力機組端(微控制器)接收及傳送流程 29
4.3.1 傳送流程 29
4.3.2 接收流程 30
4.3.3改變微控制器端RS485接收傳送方向 32
第五章 即時監控與大數據分析系統 33
5.1 即時監控介面 33
5.1.1 登入視窗 33
5.1.2 連接設定視窗 33
5.1.3 主視窗 34
5.2 大數據分析系統 45
5.2.1 動態顯示 45
5.2.2 資料分析 47
5.2.3 資料顯示 48
第六章 系統韌體與週邊電路 49
6.1 微控制器介紹 49
6.1.1 General Purpose I/O (GPIO) 50
6.1.2 Analog-to-Digital Converter (ADC) 51
6.1.3 Enhanced Pulse Width Modulator、High-Resolution PWM 52
6.1.4 Enhanced Capture Module (eCAP) 53
6.1.5 Enhanced Quadrature Encoder Modules (eQEP) 54
6.1.6 Serial Communications Interface (SCI) 54
6.1.7 Enhanced Controller Area Network (eCAN) 57
6.2 韌體流程 59
6.3 電路介紹 62
6.3.1 感測電路板 62
6.3.2 勵磁場控制電路、電池充電電路 65
6.3.3 馬達驅動器外部電路 66
6.3.4 電池供電電路 68
6.3.5 RS485轉換電路 69
6.4 實驗平台建置 70
6.4.1 勵磁式同步發電機 70
6.4.2 伺服馬達 71
6.4.3 負載箱 73
6.4.4 電池 74
第七章 實驗過程與結果分析 75
7.1 實驗步驟 75
7.2 啟動監控系統及確認初始值 77
7.3 實驗結果分析 82
7.3.1最大功率追蹤及定電壓實驗 82
7.3.2 同步及功因修正實驗 86
7.3.3 電池供電實驗 90
7.3.4 大數據分析系統之整機運行分析 91
第八章 結論與未來展望 93
8.1 結論 93
8.2 未來展望 93
參考文獻 94
[1]Global Wind Energy Council, “Global statistics”.
[2]台灣發明專利,發明人:陳遵立及其研究團隊“可應用於風力發電之激磁式同步發電機最大功率追蹤控制方法”,發明證書第I446138號。2014~2034.
[3]台灣發明專利,發明人:陳遵立及其研究團隊“風力發電系統及其激磁式同步發電機的控制方法”,發明證書發明第 I488425號。期限:2015~2032.
[4]美國發明專利,發明人:陳遵立及其研究團隊“Wind Power Generation System and Method for controlling Excitation Synchronous Generator thereof”,發明證書第US 8,853,875 B2號。期限:2014~2034.
[5]日本發明專利,發明人:陳遵立及其研究團隊“風力発電システム及びその励磁同期発電機の制御方法”,發明證書特許第5636412號。期限:2014~2034.
[6]日本發明專利,發明人:陳遵立及其研究團隊“風力発電の励磁同期発電システム及びその制御方法”,發明證書特許第5712124號。期限:2015~2035.
[7]中國發明專利,發明人:陳遵立及其研究團隊“励磁同步发电机最大功率追踪控制方法”,發明專利證書第1633667號。期限:2015~2035.
[8]中國發明專利,發明人:陳遵立及其研究團隊“风力发电系统的励磁式同步发电机的控制方法”,發明專利證書第1934047號。期限:2016~2036.
[9]美國發明專利,發明人:陳遵立及其研究團隊“Wind Power Excitation Synchronous Generation System Having Maximum Power Determining Unit and Control Method thereof ”,發明證書第: US 9,444,379 B2,期限:2012~2033。
[10]Tzuen-Lih Chern, Ping-Lung Pan, Yu-Lun Chern, Wei-Ting Chern, Whei-Min Lin, Member, IEEE,Chih-Chiang Cheng, Jyh-Horng Chou, Senior Member, IEEE, and Long-Chen Chen,” Excitation Synchronous Wind Power Generators With Maximum Power Tracking Scheme “, IEEE Transactions on sustainable energy. October. 2014.
[11]Tzuen-Lih Chern, Ping-Lung Pan, Yu-Hsiang Chern, Ji-Xian Huang, Jyh-Horng Chou, Whei-Min Lin, Chih-Chiang Cheng, “Stand-alone Excitation Synchronous Wind Power Generators with Power Flow Management Strategy”, The Journal of Engineering. August 2014.
[12]牛山 泉, “風力能源與風力發電系統設計”,民國 100 年。
[13]吳東昇, “風力發電機之低電壓忍受能力分析比較” ,國立中山大學電機工程學系碩士論文,民國 102 年 9 月。
[14]張家豪, “併網型激磁式同步風力發電系統之啟動切離及功因修正控制策略”,國立中山大學電機工程學系碩士論文,民國104 年6月。
[15]陳遵立, “直接併網型激磁式同步風力發電系統建置計畫書” ,國立中山大學電機工程學系,民國 105 年 1 月。
[16]陳君輝,“直接併網型勵磁式同步風力發電機組之即時遠端監控與資料庫分析系統”,國立中山大學電機工程學系碩士論文,中華民國105年7月。
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[19]Modicon, “Modbus Protocol Reference Guide”,
http://modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf
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[21]WWW.ALLDATASHEET.COM, TL072 datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=TL072
[22]WWW.ALLDATASHEET.COM, TL431 datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=TL431
[23]LEM,電流感測元件: http://www.lem.com
[24]WWW.ALLDATASHEET.COM, LM393 datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=LM393
[25]士林電機,低壓開關:
http://www.seec.com.tw/product/product_info.asp?pno=168&sno=&dno=378
[26]WWW.ALLDATASHEET.COM, ULN2003 datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=ULN2003
[27]WWW.ALLDATASHEET.COM, VS-12MB-316-NR datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=VS-12MB-316-NR
[28]WWW.ALLDATASHEET.COM, IRFP460 datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=IRFP460
[29]WWW.ALLDATASHEET.COM, TLP250 datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=TLP250
[30]WWW.ALLDATASHEET.COM, AM26LS31 datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=AM26LS31
[31]WWW.ALLDATASHEET.COM, 6N137 datasheet:
http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=6N137
[32]www.ti.com, ISO7220 datasheet:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso7220a-q1.pdf
[33]EXAR, ”Low Power Half-Duplex RS-485 Transceivers”,
https://www.exar.com/content/document.ashx?id=20179
[34]擎億股份有限公司(CIG Power),小型發電機頭客製化:
http://www.cigpower.com/goods.php?catId=83
[35]三菱電機,伺服馬達與驅動器型錄:
http://www.mitsubishielectric.com.tw/product_view/152
[36]陳俊宇,“高效率無感測直流變頻壓縮機驅動器之研製”國立中山大學電機
工程學系碩士論文,民國98 年12 月。
[37]黃柏銓, “直接併網型勵磁式同步風力發電系統之自動參數校正” ,國立中山大學電機工程學系碩士論文,民國 105 年 7 月。
[38]陳遵立教授著,“交直流馬達控制講義”,中山大學電機系。
[39]陳韋廷,“創新風力發電系統之激磁式同步發電機之最大功率追蹤控制”
,國立中山大學電機工程學系碩士論文,民國102 年2 月。
[40]蘇謙懷, “創新風力發電之激磁式同步發電機之穩定度控制”,國立中山大學電機工程學系碩士論文,民國102 年2 月。
[41]田又豪, “併網型激磁式同步風力發電系統之定電壓與最佳功率追蹤控制策略”,國立中山大學電機工程學系碩士論文,民國104 年6月。
[42]固也泰電子工業有限公司,固也泰發電機研習網: http://edu.kutai.com.tw/gen.html
[43]林筱秋,“雙饋式感應發電機之低電壓忍受能力改善方法研究”,國立中山 大學電機工程學系碩士論文,民國99 年7 月。
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