三相永磁同步发电机风力发电系统之功率电源转换器

三相永磁同步发电机风力发电系统之功率电源转换器 * Power Converters for Wind Turbine System Using 3-Phase Permanent Magnet Synchronous Generator 1223林正文 邱建興 林法正 江炫樟 Jeng-Wen Lin Jian-Hsing Chiu Faa-Jeng Lin Hsuang-Chang Chiang 123國立東華大學電機系 國立中央大學電機系 國立聯合大學電機系 台灣 花蓮縣 台灣 桃園縣 台灣 苗栗縣 Department of Electrical Engineering Department of Electrical Engineering Department of Electrical Engineering National Dong Hwa University National Central University National United University Hualien, TAIWAN Taoyuan, TAIWAN Miaoli, TAIWAN linfj@ee.ncu.edu.tw 7摘要 MW，比地球上可開發利用的2，10其中可利用的風能 本文旨在發展一永磁同步發電機系統，採用交流/水能總量還要大10倍，已為人類及地球帶來了商機和直流三相功率轉換器改善其控制效益，以提升電能轉換希望。隨著近年來風力發電技術大幅提升及市場需求快 效率，並利用直流/交流三相功率反流器以饋入市電端。速增加，風能發電在商業上未來將與燃煤發電競爭，加 本文亦利用PSIM模擬軟體建立一風力驅動永磁同步發上它能提供潔淨且無污染排放之電能，具有能源與環保 電機系統，同時利用模擬結果來驗証風力驅動永磁同步之雙重貢獻，在各類新興能源中，風力發電被評為最具 發電機系統之效能。前景的領域之一[1,2]。有鑑於此，本文將設計一風力驅 動永磁同步發電機系統，前級利用交流/直流(AC/DC)三 關鍵詞：風力發電系統、磁場導向控制、永磁同步相功率轉換器，將永磁同步發電機所產生之變動頻率及 發電機、功率轉換器、功率反流器。 表1：全球10大風機製造商所生產之風力發電系統 VestasVestasGamesaGamesaEnerconEnerconGE WindGE WindSiemensSiemensSuzlonSuzlonRepowerRepowerMitsubishiMitsubishiEcoteniaEcoteniaNordexNordex(())(())(())(())(())(())(())(())(())(())(())Abstract The subject of this thesis is to develop a permanent 雙饋式雙饋式雙饋式雙饋式感應感應magnet synchronous generator (PMSG) system with an 感應感應雙饋式雙饋式雙饋式雙饋式雙饋式雙饋式發電機發電機發電機發電機感應感應同步同步同步同步同步同步感應感應發電機發電機感應感應感應感應感應感應AC/DC power converter to improve the control 機種機種發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機發電機同步同步感應感應performance and the efficiency of power conversion. Then, 發電機發電機發電機發電機a DC/AC power inverter is adopted for grid connection. Moreover, some simulated results using PSIM are given to 850kW850kW850kW850kW330kW330kW1,500kW1,500kW250kW250kW950kW950kW2,000kW2,000kW600kW600kW375kW375kW1,500kW1,500kW功率功率verify the effectiveness of the wind-driven PMSG system. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~範圍範圍3,000kW3,000kW2,000kW2,000kW2,300kW2,300kW3,600kW3,600kW3,600kW3,600kW2,000kW2,000kW5,000kW5,000kW1,000kW1,000kW3,000kW3,000kW2,500kW2,500kW Keywords: Wind power system, Field-oriented control, Permanent magnet synchronous generator, Power converter, 變動電壓之三相交流電源轉換為固定電壓之直流電Power inverter. 源；後級利用直流/交流(DC/AC)三相功率反流器，將直 I. 緒論 流鏈上的直流電壓轉換成可以饋入市電之固定三相交 在十八世紀中葉工業革命以後，由於核能、傳統石流電壓；同時採用一固定參考座標軸下之三相電流控制 油及燃煤等石化燃料大量開發，已嚴重破壞地球的生器以降低電流諧波並提高發電機端之功率因數，進而改 態，造成全球環境污染及溫室效應等問題。因此，聯合善永磁同步發電機系統之效能，提升電能轉換效率，並 國世界氣候會議於1997年在日本發表京都議定書，規以PSIM模擬結果來驗證本文提出之控制架構的正確性 定先進工業國家應於2008年至2012年間，應比1990與可行性。 年平均削減6%的溫室氣體排放量。此外，眼見能源日現今台灣尚無像本論文所發展出之大型之風力發 益短缺，勢必尋求替代能源如風力、太陽能、水力等再電機系統，目前台灣所有的大型風力發電設備幾乎都仰 生能源來取代傳統之電力。其中，永不匱乏的綠色能源賴於進口。但是如表1所述，許多其他國家甚至已經做9－風能，因其蘊釀巨大，全球的風能約2.74，10MW，到MW的等級，故台灣在大功率風力發電之技術還稍嫌 不足。本文將挑戰100kW等級以上的風力發電機系統，以進行波形形式變化的操作與處理，例如多重螢幕與各 這對於台灣大功率發電系統有帶頭作用。 種線型操作功能、加/減法與平均值/均方根等計算處理 功能、頻譜 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 功能等。 II. PSIM電路模擬軟體簡介 PSIM(Power Sim)為一套專門為電力電子及伺服馬III. 風力驅動永磁同步發電機與功率轉換器系統 達控制所設計之軟體，提供了一個快速的模擬、良好的之模擬架構 使用界面及強大波形處理功能的模擬環境，更由於本文將利用PSIM 電路模擬軟體建立一風力驅動永PSIM易於使用，可迅速建造出一個電路系統並且獲得磁同步發電機系統，並對系統動態進行模擬與分析；而 結果。PSIM同時擁有廣泛專業的元件資料庫，分類清在磁場導向控制架構方面，以下章節分兩種控制方式介 楚，因此可以快速且便利的建立任何電路系統的。PSIM紹：1.三相電流控制[3]，而此種方法在同步旋轉座標軸亦提供一個外部之DLL方塊，允許使用者撰寫通用之下做轉換，此控制方式亦為本文之主要架構，2.d-q軸電C/C++程式語言編碼進入DLL方塊內編輯，再與PSIM流控制[3]，而此種方法在固定座標軸下做轉換。首先建 作動態連結，讓使用者更有彈性的發展其控制架構或演立風機系統之模擬架構，可由PSIM軟體本身的功能，算法，故PSIM亦適合使用者實現任何應用程式語言編利用機/電轉換介面元件建立一風力發電模擬系統，機/輯之電力系統分析，如電力電子與馬達驅動特性分析。電轉換介面是專門為設計馬達與機械負載之等效電路 然而與一般電路模擬軟體SPICE相比，SPICE軟體之應的元件，其中當機/電轉換介面元件之機械端接上一機械 用主要在於設計一般電子線路，二者之主要差別在於模轉軸時，在機/電轉換介面元件之電力端可應用電壓源建 擬速度和收斂性的設計層面上，PSIM擁有較快的模擬立一馬達之等效電路，而電壓源之大小可決定其轉速， 速度且幾乎沒有收斂上的問題。此外PSIM比一般的電在等效電路中的電容器則表示其轉動慣量。 路模擬軟體更為完善，提供馬達驅動模組以模擬馬達控本文之模擬系統即採用此一機/電轉換介面元件，並制系統、數位控制模組以作離散系統分析，SimCoupler且於其機械端串接永磁同步發電機，於電力端串接風機 模組可使PSIM與Matlab/Simulink共同模擬，及模型以模擬實際之風機系統。圖1及圖2為應用積分-MagCoupler 模組可與有限元素分析軟體JMAG進行動比例控制器於永磁同步發電機與功率轉換器系統之模 態連結。 擬架構圖，並經由機/電轉換介面元件來直接驅動永磁同 PSIM主體程式之組成分為以下幾部分： 步發電機，發電機利用PSIM中原有之永磁同步發電機 , SIMCAD電路圖編輯程式 模型，經由IGBT所組成之功率轉換器，前級將發電機 , PSIM模擬器 之三相電源轉換為直流電源，藉由偵測到之發電機轉 , SIMVIEW波形顯示程式 速、三相電流、直流鏈電壓，並採用磁場導向控制架構 SIMCAD電路圖編輯是一套相當容易使用的圖表控制發電機轉速，使風機系統達到最大功率輸出，後級 界面，對電路之建立與編輯應用上非常方便。在處理較經由功率反流器將直流鏈之電壓轉換為可饋入市電之 大型的複雜電路系統，SIMCAD亦提供建立子電路方塊三相交流電源，藉由偵測到市電線電壓、三相電流、直 (Subcircuit Block)的功能，將系統之部份電路實現於此子流鏈電壓，並採用磁場導向控制架構來控制三相電流， 電路方塊中，使整個電路系統在圖表界面之架構更為簡使功率反流器饋入市電之三相電源。 潔明暸。而SIMCAD對每個元件在使用上的方法與問IV. 風力驅動永磁同步發電機與功率轉換器系統 題，更提供一套即時且明確之使用輔助與說明。PSIM之模擬結果 模擬器即指PSIM執行模擬工作的程式，PSIM模擬器是針對本文所提出之風力驅動永磁同步發電機系統 51.3rpm12m/s應用一套有效率的演算法以解決其它軟體在模擬收斂進行模擬，設定風機轉速為，風速為，以失敗及模擬時間過長上的問題，而PSIM快速的模擬亦模擬風力驅動永磁同步發電機額定轉速之狀況，其中永 R,1m,容許反覆地執行模擬工作並且縮短其設計之週期。磁同步發電機之參數為、同步電感s 2L,L,1mHSIMVIEW波形顯示程式為可將模擬結果之圖形數據展0.1kg,m30J，極數為極，轉動慣量為，dq 示於SIMVIEW視窗下，並為不同之需求提供各種功能-同時利用積分比例控制器於永磁同步發電機與功率轉 響系統。 換器與功率反流器系統，控制直流鏈電壓以提供市電穩 d-q軸電流控制：在測試條件一市電電壓不平衡600V定之交流電源，在模擬中直流鏈電壓命令設為。 下，其控制力較三相電流控制大也稍微會抖動，並且當3456圖、圖為三相電流控制之模擬結果，而圖、圖 市電電壓相差越多其三相電流不平衡的更嚴重，因此可d-q為軸控制之模擬結果。由模擬結果可以看出，兩種 發現三相電流不平衡對系統會影響很大，故此種方法在電流控制模式，轉速均能追隨轉速命令響應，直流鏈電 市電不平衡的地方使用對系統不好；測試條件二在d-q壓均能追隨電壓命令響應，且系統皆可達到穩定之交流 軸加入雜訊後其控制之電流和電流命令會有些許不穩電源，並觀測功率轉換器和功率反流器之兩種電流控制 定的狀態，而其控制力也很雜亂；測試條件三在實際之特性。由以上模擬結果可知由本文所建立之風力驅動永 直流鏈電壓加入雜訊，由此模擬圖可以看出追隨的d-q磁同步發電機與功率轉換器系統和功率反流器系統之 軸電流與控制力皆抖動很厲害；測試條件四對於此系統 模擬架構，可應用於實際永磁同步發電機系統上。 的影響較不大，只有控制力稍微抖動而已；d-q軸電流 V. 加入測試條件之模擬結果 控制系統中，其優點為只需要用到兩個PI控制，即可達 測試條件一： 成控制之目標，比起三相電流控制簡化了一個PI控制 以饋入市電之三相不平衡做測試，饋入市電的相電器。 )值，其線間電壓有效值算法為乘以Vpeak 壓為250V ( VII. 結論 除以故其值為306V，所以在PSIM模擬時其饋入32 本文成功的利用磁場導向控制中的三相電流控制市電相電壓採用250V；以市電電壓不平衡的250V的 和d-q軸電流控制在PSIM模擬軟體下控制三相永磁同30%(75V)做測試，三相電流控制模擬結果如圖7所示， 步發電機風力發電系統，同時提出四種測試條件來測試d-q軸電流控制模擬結果如圖8所示。 其控制效能，並進ㄧ步比較兩種電流控制的優缺點。 測試條件二： 在其三相不平衡(10%)中，在電流控制端加入了雜 參考文獻 訊擾動，其三相電流控制模擬結果如圖9所示；d-q軸 電流控制模擬結果如圖10所示，此擾動的值設定為[1] 朱博祥等，能源科技白皮書，經濟部能源局，2005。 [2] R. Thresher, M. Robinson, and P. Veers, “To capture the wind,” 10Hz、1V。 IEEE Power and Energy Mag., vol. 5, no. 6, pp. 34-46, 2007. 測試條件三： 在其三相不平衡(10%)中，加入全系統的雜訊擾 [3] F. Blaabjerg, R. Teodorescu, M. Liserre, and A. V. Timbus, 動，後級控制直流鏈電壓，故在實際之直流鏈電壓加入“Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 5, pp. 了10Hz、1V的擾動；三相電流控制的模擬結果如圖111398-1409, 2006. 所示，d-q軸電流控制的模擬結果如圖12所示。 [4] J. A. Baroudi, V. Dinavahi, A. M. Knight, “A review of power converter topologies for wind generators” Proc. IEEE Electric 測試條件四： Machines and Drives International Conf., pp.458-464, 2005. [5] L. C. Chang, “Wind Energy Conversion Systems,” IEEE Canadian 在其三相不平衡(10%)中，於未經過濾波器之實際Review - Spring / Printemps, pp. 12-16, 2002. 的三相電流加入擾動(與測試二加入點不同，測試二有經[6] A. Grauers, “Efficiency of three wind energy generator systems,” IEEE Trans. Energy Conv., vol. 11, no. 3, pp. 650-657, 1996. 過濾波器進入電流控制內的A/D值)；三相電流控制的[7] R. Wu, S. B. Dewan, and G. R. Slemon, “A PWM AC to DC 模擬結果如圖13所示，d-q軸電流控制的模擬結果如圖converter with fixed switching frequency,” IEEE IAS88 Annual Meeting, vol. 1, pp. 706-711, 1988. 14所示。 [8] N. R. Zargari and G. Joos, “Performance investigation of a current-controlled voltage-regulated PWM rectifier in rotating and stationary frames,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 42, no. 4, pp. VI. 模擬結果說明 396-401, 1995. 三相電流控制：在各測試條件中，當市電電壓不平[9] F. Blaabjerg, Z. Chen, S. B. Kjaer, “Power electronic as efficient interface in dispersed power generation systems,” IEEE Trans. 衡時，雖然控制力會抖動，但是電流控制還是追隨很Power Electron., vol. 19, no. 5, pp. 1184-1194, 2004. [10] 林法正與魏榮宗，好，其唯一的缺點為PI控制器中的P值設定需要大一 點，因此於實作時，當進入系統若有雜訊無法被濾除電機控制，滄海書局股份有限公司，1992。 時，小雜訊也會藉由控制器被放大成為大擾動進而影 [11] 劉昌煥，交流電機控制，東華書局股份有限公司，2001。 三相功率轉換器永磁同步發電機 三相電流控制 三相功率反流器風機模型 市電端 三相電流控制 圖1：永磁同步發電機之三相電流控制模擬架構圖 三相功率轉換器永磁同步發電機 d-q軸電流控制 三相功率反流器風機模型 市電端 d-q軸電流控制 圖2：永磁同步發電機之d-q軸電流控制模擬架構圖 轉速追隨轉速命令轉速為51.3rpm圖4：三相電流控制後級端之控制直流鏈電壓、電流與 電流命令、三相輸出電流、控制力、電流與市電同相 相電流與追隨電流命令轉速追隨轉速命令轉速為51.3rpm實際之相電流 相電流與追隨電流命令 實際之相電流控制力 控制力 圖3：三相電流控制前級端之控制轉速、電流與電流命 令、三相電流、控制力 直流鏈電壓追隨直流鏈電壓命令直流鏈電壓為600V圖5：d-q軸電流控制前級端之控制轉速、電流與電流 相電流與追隨電流命令命令、三相電流、控制力 實際之相電流 控制力 相電流與市電相電壓 直流鏈電壓追隨直流鏈電壓命令圖9：三相電流控制中電流控制加入擾動 直流鏈電壓為600V 三相實際電流相電流與追隨電流命令 實際之相電流 Q軸電流與追隨電流命令控制力 相電流與市電相電壓D軸電流與追隨電流命令 控制力 圖6：d-q軸電流控制後級端控制直流鏈電壓、電流與 電流命令、三相輸出電流、控制力、電流與市電同相 圖10：d-q軸電流控制中電流控制加入擾動 三相實際電流 三相實際電流U相電流與追隨電流命令 U相電流與追隨電流命令V相電流與追隨電流命令 V相電流與追隨電流命令W相電流與追隨電流命令 W相電流與追隨電流命令控制力 控制力 圖7：三相電流控制的市電不平衡30%的結果 圖11：三相電流控制中直流鏈電壓加入擾動 三相實際電流三相實際電流Q軸電流與追隨電流命令Q軸電流與追隨電流命令D軸電流與追隨電流命令D軸電流與追隨電流命令控制力控制力 圖8：d-q軸電流控制的市電不平衡30%的結果 三相實際電流圖12：d-q軸電流控制中直流鏈電壓加入擾動 U相電流與追隨電流命令 V相電流與追隨電流命令 W相電流與追隨電流命令 控制力 三相實際電流 U相電流與追隨電流命令 V相電流與追隨電流命令 W相電流與追隨電流命令 控制力 圖13：三相電流控制中實際相電流加入擾動 三相實際電流 Q軸電流與追隨電流命令 D軸電流與追隨電流命令 控制力 圖14：d-q軸電流控制中實際相電流加入擾動