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研究生: 趙妍婷
Chao, Yen-Ting
論文名稱: 應用阻抗控制於風力發電機模擬平台之研製
Development of a Wind Turbine Emulator using Impendence Control
指導教授: 謝旻甫
Hsieh, Min-Fu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 99
中文關鍵詞: 風力發電機模擬平台葉片模型轉矩控制阻抗控制
外文關鍵詞: Wind Turbine Emulator, Impedance Control, Torque Control, Blade Model
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  • 本論文主旨在於藉由阻抗控制理論發展一模擬風機葉片動態特性之風力發電機模擬平台,經由此平台之開發,可於風力發電相關研究中避免耗時耗力且成本高昂之實地測試或風洞測試。本論文所開發之模擬平台為透過控制一伺服馬達來模擬風機葉片之動態特性,期能符合風力發電機的實際輸出特性。實行步驟為先建立風力發電機葉片模型,再進行分析以取得葉片特性參數,最後並根據葉片輸出特性進行伺服馬達轉矩控制。然而,因馬達系統與葉片模型間存在參數差異,若僅以由葉片模型計算取得之輸出轉矩進行馬達轉矩控制,將會影響平台模擬結果準確性。有鑑於此,本論文引入直接轉矩阻抗控制架構,利用補償轉矩的方式,改善伺服馬達對葉片實際動態之模擬效果。由實驗結果可知,於多種不同測試條件下,引入阻抗控制技術確實能明顯提升模擬平台對葉片動態模擬之準確度。此外,並以一實際發電機進行實測以驗證本論文所提之方法具可行性。

    This thesis develops a wind turbine emulator which is able to simulate the dynamics of wind turbine blades based on impedance control. The wind turbine emulator can offer laboratory-scale tests for studies about wind energy to save the costs during field tests or wind tunnel tests. In this thesis, the emulator simulates the motion of a wind turbine to drive a generator by controlling a servo motor output. The implement is to set up the blade models and conduct servo motor torque control based on characteristics of blade output from analysis. However, due to the differences in parameters between servo motor system and blade model, the accuracy of emulator will be reduced if only using the output torque calculated from blade models as motor torque command. Therefore, this thesis applies direct torque impedance control to improve the simulation result for the dynamics of wind turbine blades. Experimental results confirm that impedance control can effectively improve the dynamic simulation of wind turbine blades for emulator under different testing conditions. A generator is tested to verify the feasibility of the wind turbine emulator developed by this thesis.

    中文摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 3 1.3 文獻回顧 7 1.3.1 風力發電機模擬平台文獻回顧 7 1.3.2 阻抗控制文獻回顧 11 第二章 葉片設計理論與方法 15 2.1 葉片設計理論 15 2.1.1 基礎知識 15 2.1.2 貝茲界限(Betz limit)與動量理論(Momentum Theory) 18 2.1.3 葉素理論(Blade Element Theory) 21 2.1.4 葉素動量理論與尖端損失(Tip losses) 23 2.2 葉片設計方法 26 2.3 葉片模型建立與特性分析 31 2.3.1 葉片模型(一) 31 2.3.2 葉片模型(二) 36 第三章 阻抗控制理論與系統架構 41 3.1 馬達系統鑑別 41 3.2 阻抗控制理論 46 3.3 風力發電機模擬平台系統架構 50 3.4 發電機模型 53 第四章 實驗系統及設備介紹 57 4.1 SERCOS通訊協定簡介與即時系統建置 57 4.2 軟硬體介紹 61 4.2.1 軟體簡介 61 4.2.2 硬體簡介 62 4.3 平台硬體評估 65 第五章 實驗結果 68 5.1 馬達系統鑑別實驗結果 69 5.2 實驗(1) – 風力發電機模擬平台帶動虛擬發電機 72 5.2.1 實驗方法 72 5.2.2 實驗(1-1) – 定風速實驗 73 5.2.3 實驗(1-2) – 變風速實驗 78 5.2.4 實驗(1-3) – 減速煞車實驗 81 5.3 實驗(2) – 風力發電機模擬平台帶動真實發電機 86 5.3.1 實驗方法 86 5.3.2 實驗(2-1) – 定風速實驗 87 5.3.3 實驗(2-2) – 變風速實驗 89 第六章 結論與建議 92 參考文獻 95

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