臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出獨立型風力發電系統，使用勵磁式同步發電機同軸連接穩速伺服馬達及風機葉片。藉由「最佳轉速起動切離控制策略」來使啟動及切離過程中穩速伺服馬達幾乎不消耗功率；當系統運轉至工作點，則發電機輸出固定頻率的電壓，搭配「定電壓控制策略」控制勵磁電流來使發電機輸出固定電壓；此外，進入「功率流管理控制策略」來妥善運用風能，將多於負載消耗的風能儲存至電池，同時將儲存於電池的能量供應給馬達驅動器DC Bus端。
穩速伺服馬達於本論文中採用自製驅動器來控制其運轉，藉由比較其位置控制結構及三菱馬達驅動器的位置模式，來分析馬達功率輸出及轉速響應，並利用微控制器的eCAN通訊模組來溝通主機端與驅動器的資訊。
在啟動控制策略部份，修正風能不足以使轉速正常達到工作點(1800rpm)的問題，避免導致系統運轉異常。由實驗結果來驗證此構思得以實踐。

This thesis proposes Stand-Alone Excited Synchronous Wind Power System that connected excited synchronous generator and a servo motor in coaxial framework.
With Startup and Shutdown Control Strategy, Servo Motor consumes almost no power in the process of startup and shutdown of the system. When the system reaches the operating point, the frequency of the generator output voltage is fixed, and controlling the excited current to adjust the generator output voltage to constant value by Fixed-Voltage Control Strategy. Furthermore, The Power Flow Management Strategy is used to properly distribute the energy. When the wind power supply is more than the load consumption, the system will store energy to the battery. At the same time, the battery can also supply to DC Bus of the motor driver.
In this thesis, we use the self-made driver to control the servo motor. By comparing its position control structure with the position control structure of the Mitsubishi motor driver, we can analyze the difference of motor power output and the speed response. And use the eCAN module of the microcontroller to transfer the information between the host side and the driver side.
In the Startup Control Strategy, we solve the problem when the wind energy is not enough to make the speed to normally achieve the operating point (1800rpm) to avoid abnormal operation of the system. This experiment is verified by experimental results.

論文審定書 ............................................................................................................... i
誌謝 ........................................................................................................................... ii
中文摘要 ................................................................................................................. iii
ABSTRACT ............................................................................................................. iv
目錄 ........................................................................................................................... v
圖次 ......................................................................................................................... ix
表次 ........................................................................................................................ xv
第一章 緒論 ............................................................................................................. 1
1.1 研究動機與背景 ............................................................................................. 1
1.2 研究方法 ......................................................................................................... 2
1.3 論文內容概述 ................................................................................................. 3
第二章 風力發電機組介紹 ..................................................................................... 4
2.1 前言 ................................................................................................................. 4
2.2 勵磁式同步發電機 ......................................................................................... 4
第三章 系統數學模型與控制策略 ......................................................................... 6
3.1 前言 ................................................................................................................. 6
3.2 獨立型勵磁式風力發電系統之同軸配置架構 ............................................. 6
3.3 伺服馬達之數學模型 ..................................................................................... 8
3.4 伺服馬達驅動器之數學模型 ....................................................................... 13
3.4.1 強韌積分結構控制器(RISC) ............................................................... 13
3.4.2 電流控制 .............................................................................................. 14
3.4.3 脈波寬度調變電路 .............................................................................. 14
3.5 勵磁式同步發電機之數學模型 ................................................................... 18
3.5.1 定子方程式 .......................................................................................... 19
3.5.2 轉子方程式 .......................................................................................... 20
3.5.3 發電機轉速與輸出電壓頻率關係式 .................................................. 21
3.6 三相 Y 接負載箱之數學模型 ...................................................................... 22
3.7 磷酸鋰鐵電池之模型 ................................................................................... 23
3.8 穩速伺服馬達之轉速控制 ........................................................................... 24
3.9 系統控制策略介紹 ....................................................................................... 26
3.9.1 最佳轉速起動切離控制策略 .............................................................. 26
3.9.2 勵磁場控制之定電壓控制策略 ........................................................... 29
3.9.3 功率流管理控制策略 ........................................................................... 30
3.10 系統功率之計算 ......................................................................................... 32
3.10.1 馬達功率之計算 ................................................................................ 32
3.10.2 發電機功率之計算 ............................................................................ 32
第四章 MATLAB 系統模擬 .................................................................................. 33
4.1 前言 ............................................................................................................... 33
4.2 風機端模組 ................................................................................................... 35
4.3 穩速伺服馬達模組 ....................................................................................... 36
4.4 勵磁式同步發電機模組 ............................................................................... 37
4.5 磷酸鋰鐵電池模組 ....................................................................................... 38
4.6 最佳轉速起動切離控制策略 ....................................................................... 39
4.6.1 起動控制策略 ...................................................................................... 39
4.6.2 切離控制策略 ...................................................................................... 41
4.7 定電壓控制策略之模擬 ............................................................................... 43
4.7.1 風能弦波變動 ...................................................................................... 44
4.7.2 風能方波變動 ...................................................................................... 45
4.8 功率流管理控制策略之模擬 ....................................................................... 47
4.8.1 風能弦波變動 ....................................................................................... 48
4.8.2 風能方波變動 ....................................................................................... 51
第五章 風力發電系統硬體電路 ........................................................................... 54
5.1 MCU 介紹與腳位規劃 ................................................................................. 54
5.1.1 MCU 簡介 ............................................................................................. 54
5.1.2 微控制器使用模組之簡介 .................................................................. 56
5.2 系統周邊硬體電路板介紹 ........................................................................... 67
5.2.1 獨立型風力發電系統之同軸架構 ...................................................... 67
5.2.2 勵磁式同步發電機 .............................................................................. 68
5.2.3 伺服馬達與驅動器 ............................................................................... 69
5.2.4 磷酸鋰鐵電池 ....................................................................................... 73
5.2.5 三相負載箱 .......................................................................................... 75
5.2.6 交流電壓感測電路 .............................................................................. 76
5.2.7 直流電壓感測電路 .............................................................................. 76
5.2.8 電流感測電路 ...................................................................................... 77
5.2.9 降壓(BUCK)電路 ................................................................................ 78
5.2.10 升壓(BOOST)電路 ............................................................................ 79
5.2.11 伺服馬達位置脈波命令電路 ............................................................. 80
5.2.12 光編碼器回授電路 ............................................................................. 81
5.2.13 力矩隔離電路 .................................................................................... 82
5.2.14 電磁接觸器控制電路 ........................................................................ 82
5.2.15 直流電源供應電路 ............................................................................. 83
5.2.16 伺服馬達驅動器之介面電路 ............................................................. 83
5.2.17 通訊硬體電路 .................................................................................... 85
5.2.18 DAC(Digital-To-Analog)電路 ............................................................ 86
5.3 PCB 電路圖設計及電路板佈線 ................................................................... 88
5.3.1 第一塊：伺服馬達驅動電路板 .......................................................... 88
5.3.2 第二塊：壓降控制與電壓電流感測電路板 ...................................... 91
5.3.3 第三塊：發電機電壓電流感測電路板 .............................................. 93
5.3.4 第四塊：電池升壓控制電路板 .......................................................... 95
5.3.5 第五塊：通訊硬體之整合電路板 ...................................................... 97
5.3.6 第六塊：DAC(Digital-to-Analog)濾波電路板 .................................. 99
第六章、實驗目的與流程分析討論 ................................................................... 101
6.1 實驗目的 ..................................................................................................... 101
6.2 實驗步驟 ..................................................................................................... 101
6.3 實驗結果 ..................................................................................................... 104
6.3.1 最佳啟動切離轉速控制策略之實驗分析 ........................................ 104
6.3.2 定電壓控制策略之實驗分析 ............................................................ 107
6.3.3 功率流管理控制策略之實驗分析 ..................................................... 110
6.3.4 馬達位置控制之轉速實驗分析 ......................................................... 117
第七章 結論與未來展望 ..................................................................................... 127
7.1 結論 ............................................................................................................. 127
7.2 未來展望 ..................................................................................................... 129
參考文獻 ............................................................................................................... 130

[1] 台灣電力股份有限公司-歷年來發電量佔比
http://www.taipower.com.tw/content/new_info/new_info-c37.aspx
[2] 維基百科 - 核能發電對環境的衝擊
https://zh.wikipedia.org/wiki/核能發電對環境的衝擊
[3] IEEE SPECTRUM - Solar Energy Isn’t Always as Green as You Think
http://spectrum.ieee.org/green-tech/solar/solar-energy-isnt-always-as-green-as-you-think
[4] 臺灣發明專利 “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”，發明證書發明第 I 446138 號)，期限:2011.~2031。
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[9] 林冠融著，“獨立型勵磁式同步風力發電機組和其控制策略”，中山大學電機系，西元 2016 年
[10] 中國發明專利 “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: 2011~2031。
[11] 同步發電機概述”固也泰電子工業有限公司
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[12] 臺灣發明專利“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 I 488425 號，期限:2012.~2032。
[13]固也泰電子工業有限公司之發電機技術研習
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[14] 陳遵立教授著，“中山大學與中鋼交流會議投影片”，中山大學電機系西元2014 年
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[16] 郭紘森著，“高性能永磁式同步馬達驅動器之研製”，中山大學電機系，西元 2011 年
[17] 郭塗註著，“電工機械”，弘揚圖書出版社，西元 2011 年
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[19]謝斌垚著，“獨立型激磁式同步風力發電系統之最佳轉速起動切離及能量流管理控制策略”，中山大學電機系，西元 2015 年
[20] Texas Instrument, TMS320F28069 datasheet：
http://www.ti.com/product/TMS320F28069
[21] 單晶片-Wiki 百科
https://zh.wikipedia.org/wiki/单片机
[22]陳佳德論文“獨立型勵磁式同步風力發電機組之及時遠端監控與大數據系統研製”，中山大學電機系，西元 2017 年
[23]擎億股份有限公司網址:
http://cigpower.com/
[24] 三菱電機，J4 泛用型伺服馬達驅動器操作說明書下載網址
http://www.provendor.fi/servo/manuals/MR-J4_A.pdf
[25] 銀荷光電股份有限公司網址
http://www.gmet.com.tw/gmet_about_c.php
[26] ISO7220-datasheet
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[27] 田又豪著，“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”，中山大學電機系，西元 2015 年
[28] 陳君輝著，“直接併網型激磁式同步風力發電組之及時遠端監控與資料庫分析系統”，中山大學電機系，西元 2016 年
[29] 洪柏嵩著，“獨立型勵磁式同部風力發電機組和其控制策略”，中山大學電機系，西元 2016 年
[30] 中國發明專利 “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: 2012~2032。
[31] 美國發明專利“ 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 。
[32] Tzuen-Lih Chern etc. “Excitation Synchronous Wind Power Generators With Maximum Power Tracking Scheme”. IEEE Transactions on Sustainable Energy, pp. 1090-1098, Oct. 2014。
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