許源浴臺灣大學：電機工程學研究所黃仁煒Huang, Jen-WeiJen-WeiHuang2007-11-262018-07-062007-11-262018-07-062007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/53069隨著環保意識的抬頭，再生能源也逐漸受到重視，例如風力感應發電機系統即為其中一種方式。而三相感應發電機則成為動力的主要來源。但由於感應機本身具有電壓調整能力不佳的缺點，因此除了在風力發電外，常常不會被當作發電機使用。 本論文之目的在分析及設計動態電壓調整器（Dynamic Voltage Regulator，DVR），來提供系統無效電力，以調整系統電壓改善電壓品質。此補償器為串聯型之架構，連接一直流電容器提供電壓來源，使用脈波寬度調變技術完成三相電壓源型變流器之設計。論文中針對皆有感應發電機之電力系統在遭遇接地故障及負載變動的情況下所造成的電壓變動，利用動態電壓調整器來穩定系統電壓。 模擬方面使用Matlab_Simulink軟體來評估電壓補償效果；實驗方面，以個人電腦為基礎，配合研華公司PCL-1800資料擷取卡，透過軟體運算產生三相脈波調變訊號，達成電壓補償控制。 最後由模擬及實驗結果來驗證動態電壓調整器在互聯系統中之應用，確實可以有效維持系統電壓之穩定性。As the issue of environmental protection receives increasing attention, renewable energy source, such as wind turbine-induction generator system, is getting more and more important. Three phase induction generators provide the desired electric power in a wind energy conversion system. Induction machines are not commonly employed as generators except in the case of wind farms due to their unsatisfactory voltage regulation. The purpose of this thesis is to analyze and design the Dynamic Voltage Regulator(DVR) for a wind energy conversion system with an induction generator. This compensator employs a direct current capacitor to offer the voltage source and uses the pulse-width modulation technology to adjust the output voltage of the three-phase voltage-sourced inverter. Dynamic responses for a grid-connected induction generator subject to three-phase faults and step load change are investigated in order to demonstrate the effectiveness of the proposed DVR in regulating system voltage. The effectiveness of the designed DVR is first investigated by digital simulations using the Matlab_Simulink software. Then, in the experiment, the control kernel of digital system for DVR is based on a personal computer with Adventec PCL-1800 data acquisition cards. The three-phase pulse width modulation signals are generated by computer software in order to reach the objective of voltage compensation. Finally, it is concluded from results of simulations and experiments that load bus voltage can be effectively regulated by the designed DVR.目錄 摘要………………………………………………………………………I Abstract……………………………………………………………… II 目錄………………………………………………………………………V 圖目錄……………………………………………………………… VIII 表目錄……………………………………………………………… XII 第一章 緒論…………………………………………………………… 1 1.1 研究背景……………………………………………………… 1 1.2 現有文獻概況………………………………………………… 2 1.3 研究步驟與目標……………………………………………… 6 1.4 論文內容介紹………………………………………………… 7 第二章 串聯型動態電壓調整器簡介………………………………… 9 2.1 前言…………………………………………………………… 9 2.2 串聯型電壓補償器之架構…………………………………… 9 2.3 串聯補償器之基本原理………………………………………12 2.4 數學模型………………………………………………………17 2.4.1 採用同步旋轉座標轉換法………………………………18 2.4.2 數學模型的推導…………………………………………22 第三章 變流器電路之設計……………………………………………26 3.1 變流器之基本原理…………………………………………26 3.1.1 PWM電壓控制器…………………………………………27 3.1.2 變流器切換頻率之分析…………………………………30 3.2 其他元件參數之決定…………………………………………32 第四章 動態電壓調整器之實體製作…………………………………35 4.1 前言……………………………………………………………35 4.2 硬體電路製作…………………………………………………36 4.2.1 鎖相迴路（PLL）與零點偵測（Zero Crossing）電路36 4.2.2 驅動電路之製作…………………………………………43 4.2.3 電力電路之製作…………………………………………46 4.2.4 研華PCL-1800資料擷取卡之簡介與設定………………51 4.2.5 其他相關硬體之製作……………………………………57 4.3 軟體程式規劃………………………………………………… 59 4.3.1 軟體簡介………………………………………………… 60 4.3.2 軟體程式之規劃設計…………………………………… 60 4.3.2 類比訊號輸入控制流程………………………………… 63 4.3.2 補償信號控制流程……………………………………… 63 第五章 模擬結果與分析…………………………………………… 64 5.1 前言……………………………………………………………64 5.2 系統平衡接地故障補償………………………………………66 5.2.1 三相6Ω接地故障……………………………………… 67 5.2.2 三相4Ω接地故障……………………………………… 70 5.2.3 平衡接地故障補償之結論………………………………72 5.3 負載變動………………………………………………………73 第六章 實驗結果與分析………………………………………………77 6.1 前言……………………………………………………………77 6.2 實驗結果………………………………………………………77 6.2.1 三相6Ω接地故障…………………………………………78 6.2.2 三相4Ω接地故障…………………………………………79 6.2.3 三相接地故障補償之結論 ………………………………81 6.3 負載變動補償…………………………………………………82 第七章 結論…………………………………………………………84 7.1 研究背景與動機………………………………………………84 7.2 未來研究方向…………………………………………………84 附錄…………………………………………………………………… 86 圖目錄 圖1.1 並聯型電壓型變流器（VSI）構成支架圖……………………2 圖1.2 閘控電抗器並聯固定電容器(FC-TCR)架構圖……………… 3 圖1.3 純虛功補償架構……………………………………………… 4 圖1.4 加裝額外電源系統之串聯補償架構………………………… 6 圖2.1 串聯型動態電壓補償器之架構………………………………10 圖2.2 變流器直流側之儲能架構……………………………………10 圖2.3 電壓與電流的操作區間………………………………………12 圖2.4 串聯補償等效電路圖…………………………………………13 圖2.5 純電阻性負載補償向量圖……………………………………14 圖2.6 無效功率補償向量圖…………………………………………15 圖2.7 無效功率補償控制圖…………………………………………15 圖2.8 靜止旋轉座標向量圖…………………………………………19 圖2.9 電壓 之同步旋轉座標向量圖………………………………20 圖2.10 電流 同步旋轉座標向量圖…………………………………21 圖2.11 系統單相等效電路圖…………………………………………22 圖2.12 串聯補償器之控制方塊圖……………………………………25 圖3.1 動態電壓補償器之電力電路…………………………………26 圖3.2 PWM之電壓脈寬調變波形…………………………………… 22 圖3.3 A、B兩相之PWM輸出波形…………………………………… 30 圖3.4 PWM 輸出波形圖………………………………………………31 圖3.5 PWM 方波電壓經濾波電感後之波形…………………………34 圖4.1 系統控制電路示意圖…………………………………………35 圖4.2 CD4046B 內部電路……………………………………………36 圖4.3 鎖相迴路基本方塊圖…………………………………………37 圖4.4 PLL 架構方塊圖………………………………………………39 圖4.5 LM339 比較器輸出之方波波形………………………………39 圖4.6 VCO 輸出波形（15360HZ）………………………………… 40 圖4.7 同步方波訊號與VCO 輸出訊號………………………………40 圖4.8 零交越信號……………………………………………………41 圖4.9 VCO 之輸入電壓與輸出頻率之關係…………………………42 圖4.10 同步控制電路及鎖相電路 …………………………………42 圖4.11 驅動電路 ……………………………………………………43 圖4.12 互鎖電路 ……………………………………………………44 圖4.13 互鎖電路波形圖 ……………………………………………45 圖4.14 互鎖電路之延遲時間 ………………………………………46 圖4.15 電壓型變流器之單相電路圖 ………………………………46 圖4.16 PM50RSA060 智慧型功率模組實體圖………………………48 圖4.17 PM50RSA060 智慧型功率模組等效電路圖…………………48 圖4.18 過電流與短路保護之準位及時間 …………………………49 圖4.19 緩震電路（Snubber circuit）……………………………51 圖4.20 個人電腦與資料擷取卡示意圖 ……………………………52 圖4.21 資料擷取卡實體圖 …………………………………………53 圖4.22 資料擷取卡PCL-1800之內部方塊圖………………………55 圖4.23 差動信號量測之接線方式 …………………………………56 圖4.24 類比輸出信號之連接方式 …………………………………57 圖4.25 霍爾電流感測器LA55-P接線圖……………………………58 圖4.26 霍爾電壓感測器LV25P 接線圖……………………………59 圖4.27 控制流程圖 …………………………………………………62 圖4.28 類比信號輸入控制流程圖 …………………………………63 圖5.1 模擬平衡故障系統電路………………………………………66 圖5.2 未接補償器之負載端電壓（6Ω接地故障之模擬結果）……67 圖5.3 接上補償器之負載端電壓（6Ω接地故障之模擬結果）……68 圖5.4 加裝補償器後的諧波失真 （THD）…………………………69 圖5.5 未接補償器之負載端電壓（4Ω接地故障之模擬結果）……70 圖5.6 接上補償器之負載端電壓（4Ω接地故障之模擬結果）……71 圖5.7 加裝補償器後的諧波失真 （THD）……………………… 72 圖5.8 負載變動系統架構圖…………………………………………73 圖5.9 未接補償器之負載端電壓（負載切離之模擬結果）………74 圖5.10 接上補償器之負載端電壓（負載切離之模擬結果）………75 圖5.11 加裝補償器後的諧波失真 ………………………………… 75 圖6.1 未接補償器之負載端電壓（6Ω接地故障之實驗結果）……78 圖6.2 接上補償器之負載端電壓（6Ω接地故障之實驗結果）……79 圖6.3 未接補償器之負載端電壓（4Ω接地故障之實驗結果）……80 圖6.4 接上補償器之負載端電壓（4Ω接地故障之實驗結果）……80 圖6.5 未接補償器之負載端電壓（負載切離之實驗結果）…………82 圖6.6 接上補償器之負載端電壓（負載切離之實驗結果…………83 表目錄 表4.1 類比輸入部分………………………………………………… 53 表4.2 類比輸出部分………………………………………………… 54 表4.3 類比觸發部分………………………………………………… 54 表5.1 模擬時所採用之系統電路參數……………………………… 65 表5.2 接地故障模擬結果比較……………………………………… 72 表5.3 負載切離之模擬結果比較…………………………………… 76 表6.1 接地故障實驗結果比較……………………………………… 811541048 bytesapplication/pdfen-US感應發電機動態電壓調整器互聯系統感應機Induction GeneratorDynamic Voltage RegulatorInduction machine[SDGs]SDG7thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/53069/1/ntu-96-R94921078-1.pdf