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研究生: 徐亦駿
Yi-Chun Hsu
論文名稱: 小型風力發電系統擾動觀察法最大功率追蹤之探討
An Investigation of Maximum Power Point Tracking by Perturb and Observe Method for a Small-Scale Wind Power Generation System
指導教授: 程金保
Cheng, Chin-Pao
李坤彥
Lee, Kung-Yen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 85
中文關鍵詞: 最大功率追蹤擾動觀察法小型風力發電系統
英文關鍵詞: Maximum Power Ponit Tracking, Perturb and Observe Algorithm, Small-Scale Wind Power Generation System
論文種類: 學術論文
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  • 本論文主旨在研究一小型風力發電系統最大功率追蹤器。將最大功率追蹤控制法則應用在電力級電路上,可以追蹤到系統直流端輸出之最大功率點。實驗部分利用直流電源串聯可變負載可得到變動功率輸入,經轉換之後皆可擷取到最大功率。
    整個最大功率追蹤法則是以擾動觀察法為基礎,根據風力發電系統在功率對電壓曲線的關係上,擷取直流端端電壓及電流,並嘗試利用更改不同擾動量的方式去觀察每個擾動量追蹤至最大功率點所花費的時間及優缺點,並分析與比較擾動量設定的大小對系統穩態時所造成之影響。
    最後,系統中使用Microchip微控制器dsPIC30F2020,配合適切之軟體程式建構上述之擾動觀察控制法則,來達到最大功率追蹤之期望,並以軟硬體測試波形來驗證。

    The purpose of this thesis is to investigate the maximum power point tracker for a small-scale wind power generation system. Designing and applying the MPPT control rule in a power converter circuit, so that the tracker can track the maximum power point from DC output of the system. In this work, a DC power supply was connected with various loads getting different input power. Through the power conversion, the tracker can get the maximum power points.
    The tracking rule was based on Perturb and Observe Algorithm to capture the generator’s voltage and current. According to the relationship between power and voltage of a wind power generator, we used different disturbance to track MPP and observed the tracking time when system approached the MPP. We then discussed the influence of different disturbance on the system in steady state.
    Finally, a digital signal processor Microchip dsPIC30F2020 was used in the system, and an experimental hardware scheme with software algorithm was established to prove the principle of the maximum power tracking.

    中文摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 V 表目錄 VI 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機 3 1.3 本論文組織架構 4 第二章 風力發電系統理論基礎 6 2.1 風能介紹 6 2.1 風力發電介紹 8 2.3 風力發電機之種類 9 2.4 風力發電基礎原理 12 2.5 風力發電系統模擬 16 2.6 風力發電系統架構 20 2.7 電力電子技術應用 21 2.8 最大功率追蹤控制架構 22 2.9 最大功率追蹤控制策略探討 23 2.9.1轉速控制法 23 2.9.2最佳近似點估測法 24 2.9.3擾動觀察法 25 2.9.4三點權位比較法 27 2.9.5功率差量乘積比較法 29 2.9.6比較斜率法 31 第三章 系統規劃 33 3.1系統架構介紹 33 3.2降壓型轉換器架構 34 3.3降壓型轉換器電路分析 34 3.4系統設計 38 3.5控制器電路設計 40 3.5.1電壓偵測電路 40 3.5.2電流偵測電路 40 3.5.3開關元件驅動電路 41 3.6輔助電源 42 3.6.1 UC3845控制晶片介紹 42 3.6.2返馳式轉換器架構 43 3.7系統軟體規劃 44 3.7.1 dsPIC30F2020數位信號處理器介紹 44 3.7.2程式流程介紹 48 3.7.3最大功率追蹤程式 50 3.8 PWM波形實現原理 52 第四章 系統硬體實測 56 4.1 硬體電路實測 57 4.2 最大功率追蹤實測與效益分析 62 4.3 最大功率追蹤軌跡 66 4.4 不同擾動量下最大功率追蹤比較 68 4.5 轉換器效益分析 77 4.6 最大功率追蹤比較與分析 80 第五章 結論與未來研究方向 81 5.1 結論 81 5.2 未來研究方向 82 參考文獻 圖目錄 圖1.1 全球風力發電容量趨勢圖 1 圖2.1 風能形成示意圖 6 圖2.2 水平軸式與垂直軸式風力發電機 10 圖2.3 水平軸式與垂直軸式風力發電機實體圖 11 圖2.4 上風式與下風式風力發電機 11 圖2.5 阻力型轉子 11 圖2.6 風力發電機效率轉換示意圖 12 圖2.7 Cp與λ特性曲線 17 圖2.8 輸出功率與轉速之關係曲線 17 圖2.9 輸出功率與轉速之關係曲線(功率調降) 17 圖2.10 Cp與發電機轉速之關係曲線 18 圖2.11 轉矩與發電機轉速之關係曲線 19 圖2.12 轉矩係數( )與發電機轉速之關係曲線 19 圖2.13 風力發電機系統架構圖 20 圖2.14 最大功率追蹤控制流程圖 22 圖2.15 轉速控制法流程圖 24 圖2.16 擾動觀察法流程圖 26 圖2.17 風力發電機在固定風速下特性曲線 27 圖2.18 三點權位功率型態圖 29 圖2.19 三點權位功率型態圖(權位值為零) 29 圖2.20 已達最大功率點之情況 30 圖2.21 斜率為正時責任週期移動路徑 32 圖2.22 斜率為負時責任週期移動路徑 32 圖3.1 風力發電電能轉換系統流程圖 33 圖3.2 降壓型電能轉換器電路架構 34 圖3.3 降壓型電路在CCM下等效電路 35 圖3.4 脈波寬度調變輸出波形 37 圖3.5 連續導通模式下輸出波形 37 圖3.6 電壓偵測電路 40 圖3.7 電流偵測電路 41 圖3.8 開關驅動電路 41 圖3.9 UC3845內部方塊圖 42 圖3.10 UC3845電流偵測電路 43 圖3.11 UC3845震盪電路 43 圖3.12 輔助電源架構 44 圖3.13 MPLAB IDE v8.0程式開發環境介面 47 圖3.14 主程式流程圖 49 圖3.15 擾動觀察法程式流程圖 51 圖3.16 PWM實現示意圖 52 圖3.17 555IC輸出三角波 53 圖3.18 尚未調變PWM輸出變化 53 圖3.19 調變至50%,PWM輸出變化 54 圖3.20 調變至80%,PWM輸出變化 54 圖3.21 調變至100%,PWM輸出變化 55 圖4.1 硬體電路測試架構示意圖 57 圖4.2 Converter輸入電壓對功率特性曲線 59 圖4.3 Vs=50V,Rs=15 時,輸入端電壓與VGS波形 60 圖4.4 Vs=50V,Rs=7.5 時,輸入端電壓與VGS波形 60 圖4.5 Vs=60V,Rs=30 時,輸入端電壓與VGS波形 61 圖4.6 Vs=60V,Rs=30 時,輸入端電壓與VGS波形 61 圖4.7 Vs=60V,Rs=15 時,輸入端電壓與VGS波形 62 圖4.8 Vs=50V,Rs=15 時,輸入端電壓與電流波形 63 圖4.9 Vs=50V,Rs=7.5 時,輸入端電壓與電流波形 64 圖4.10 Vs=60V,Rs=30 時,輸入端電壓與電流波形 65 圖4.11 Vs=60V,Rs=15 時,輸入端電壓與電流波形 66 圖4.12 25W最大功率追蹤波形 67 圖4.13 50W最大功率追蹤波形 67 圖4.14 25W,擾動量為1/512,最大功率追蹤波形 69 圖4.15 50W,擾動量為1/512,最大功率追蹤波形 69 圖4.16 100W,擾動量為1/512,最大功率追蹤波形 70 圖4.17 25W,擾動量為1/256,最大功率追蹤波形 70 圖4.18 50W,擾動量為1/256,最大功率追蹤波形 71 圖4.19 100W,擾動量為1/256,最大功率追蹤波形 71 圖4.20 25W,擾動量為1/128,最大功率追蹤波形 72 圖4.21 50W,擾動量為1/128,最大功率追蹤波形 72 圖4.22 100W,擾動量為1/128,最大功率追蹤波形 73 圖4.23 25W,擾動量為1/85,最大功率追蹤波形 73 圖4.24 50W,擾動量為1/85,最大功率追蹤波形 74 圖4.25 100W,擾動量為1/85,最大功率追蹤波形 74 圖4.26 25W,擾動量為1/64,最大功率追蹤波形 75 圖4.27 50W,擾動量為1/64,最大功率追蹤波形 75 圖4.28 100W,擾動量為1/64,最大功率追蹤波形 76 圖4.29 五種不同功率輸入下,負載輸出波形 78 圖4.30 最大功率追蹤比較圖 80 表目錄 表1.1 大、小型風力發電系統之比較表 3 表2.1 蒲福風級表 7 表2.2 風力發電機種類 10 表2.3 水平軸式與垂直軸式風力機主要差異 10 表3.1 Microchip dsPIC VS. TI DSP比較 46 表4.1不同擾動量下,三種功率之追蹤時間 76 表4.2 不同擾動量下,在最大功率點25W、50W、100W之功率擾動量 77 表4.3 五種不同功率輸入下,轉換效率表 79

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