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博碩士論文 etd-0630118-164613 詳細資訊
Title page for etd-0630118-164613
論文名稱
Title
具伺服馬達控制勵磁式同步風力無刷發電機組之啟動策略及系統測試
Startup Strategy and System Test for Brushless Excited Synchronous Wind Power Generators with Servo Motor Control
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
91
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2018-07-25
繳交日期
Date of Submission
2018-07-30
關鍵字
Keywords
功率流管理控制策略、二段式啟動控制策略、功因修正、勵磁式同步無刷發電機、市電併網、風力發電系統、伺服馬達控制
Excited Synchronous Brushless Generator, Servo Motor Control, Wind Power System, Two-Stage Startup Control Strategy, Power Factor Correction, Power Flow Management Strategy, Grid connection
統計
Statistics
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中文摘要
本論文提出之風力發電系統採用勵磁式同步無刷發電機,配合同軸連接穩速伺服馬達為主要架構,以本實驗室開發之「直接併網型勵磁式風力發電系統」進行相關性能檢測,讓伺服馬達可即時調整發電機輸出之頻率相位,以達到市電併網標準,並在併網期間進行功因修正,讓電能更有效率地輸出至電網。
另外,也測試另一架構「獨立型勵磁式風力發電系統」之性能,並搭配「定電壓控制策略」令發電機輸出固定電壓;「功率流管理控制策略」妥善運用風能,達到風能最大效率利用之目的。
本論文亦提出二段式啟動控制策略。第一段啟動策略設定發電機為定勵磁模式,且令穩速伺服馬達轉速追隨馬達輸出扭力大小來增減速,使伺服馬達幾乎不消耗功率;當系統轉速上升至發電機輸出功率能當做負載做調節時,就進入第二段啟動策略,發電機模式由定勵磁模式切換成最大功率追蹤模式,使系統增速至額定轉速。此外,系統在第一階段啟動時因機件摩擦力會工作在非線性區,如此可能造成系統暴衝,本文中亦提出防止系統暴衝控制策略使啟動能順暢運作。
Abstract
This thesis proposes the wind power system which uses the excited brushless synchronous generator and the coaxial-coupled servo motor as the main structure. To verifies the structure of Direct Grid-connected Excited Synchronous Wind Power System in ACDC Motors Labs is feasible, the servo motor can adjust the phase and frequency of the generator output to reach the requirement of grid connection, while continuously correcting the power factor after the grid is connected.
Also, the excited brushless synchronous generator is used to analyze another system--Stand-Alone Excited Synchronous Wind Power System. Fixed-Voltage Control Strategy adjusts the generator output voltage to a constant value by controlling the excited current. Furthermore, The Power Flow Management Strategy is used to distribute the wind energy properly and achieve maximum efficiency.
This thesis also proposes a two-stage startup control strategy. Firstly, the 1 st -stage startup strategy sets the generator in the fixed excited mode and makes the motor speed follow the torque of motor output in order to increase and decrease the speed of motor. Therefore, the servo motor consumes almost no power. Secondly, when the system speed rises until the generator output power can be adjusted by the load, it enters the 2 nd -stage startup strategy. The generator mode is switched from the fixed excited mode to the maximum power tracking mode and speeds up the system to the rated speed. Additionally,
this thesis provides a strategy which can keep the system from the sudden unintended acceleration and work smoothly.
目次 Table of Contents
論文審定書 i
誌 謝 ii
摘 要 iii
Abstract iv
目 錄 v
圖 次 viii
表 次 xi
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 內容概述 3
第二章 風力發電系統與發電機簡介 4
2.1 現行風力發電系統架構分類 5
2.2 勵磁式同步風力無刷發電機 6
2.3 本論文採用勵磁式同步無刷發電機之原因 8
第三章 數學模型推導 10
3.1 控制端穩速伺服馬達模型 10
3.2 勵磁式同步發電機模型 15
3.2.1 定子方程式 16
3.2.2 轉子方程式 17
3.2.3 發電機轉速與輸出電壓頻率關係式 17
3.3 市電併聯及負載箱模型 18
3.4 穩速伺服馬達之轉速控制 19
第四章 控制策略介紹 21
4.1 伺服馬達位置控制架構 21
4.2 併網型控制策略 22
4.2.1 啟動控制 22
4.2.2 最大功率追蹤控制策略 25
4.2.3 定電壓控制策略 25
4.2.4 同步及功因修正策略 26
4.2.5 切離控制 30
4.3 獨立型控制策略 31
4.3.1 定電壓控制策略 31
4.3.2 功率流管理控制策略 32
第五章 風力發電系統硬體電路 34
5.1 微控制器介紹及腳位規劃 34
5.2 系統韌體流程圖 45
5.3 微控制器電路 46
5.3.1 勵磁場電路 47
5.3.2 感測電路 48
5.3.3 馬達驅動電路 49
5.3.4 升壓電路 51
5.3.5 DAC電路 52
5.4 實驗平台建置 52
5.4.1 勵磁式同步無刷發電機 53
5.4.2 伺服馬達與驅動器 53
5.4.3 負載箱 55
5.4.4 電池 56
第六章 實驗步驟與結果分析 57
6.1 併網型風力發電系統 57
6.1.1 啟動實驗 59
6.1.2 定電壓及最大功率追蹤實驗 63
6.1.3 同步及功因修正實驗 64
6.1.4 切離實驗 67
6.1.5 實驗總結 68
6.2 獨立型風力發電系統 69
6.2.1 定電壓控制策略實驗 71
6.2.2 功率流管理控制策略實驗 72
第七章 結論與未來展望 74
7.1 結論 74
7.2 未來展望 75
參考文獻 76
參考文獻 References
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