Design of Static Synchronous Compensator for a Grid-connected Induction Generator

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。但由於感應機本身有著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。本論文提出設計一靜態同步補償器，提供系統無效電力，用來調整系統電壓，以及改善電壓品質。 靜態同步補償器，在架構上將由一直流電容器來提供電壓來源，並使用脈波寬度調變技術來完成三相電壓源型變流器的設計。 在模擬方面使用Matlab_simulink軟體來評估系統的補償效果，實驗方面採以個人電腦為基礎，配合研華科技公司PCL-1800資料擷取卡，透過C語言來達成電壓補償控制，最後由模擬及實驗結果來驗證靜態同步補償器應用於感應機互聯電力系統，確實可以有效維持系統電壓的穩定性。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 are the main source of the power. Induction machines are not commonly employed as generators except in the case of wind farms due to their unsatisfactory voltage regulation. Hence, in this thesis, a static synchronous compensator is designed to supply reactive power for the system and to regulate bus voltage, and to have better voltage profile on the customer side. The static synchronous compensator employs a direct current capacitor to offer voltage source and use the pulse-width modulation technology to adjust the output voltage of the three phase voltage source inverter. The effectiveness of the designed STATCOM is first investigated by digital simulations using the simulink of MATLAB software. Then, in the experiment, the control kernel of the STATCOM is based on a personal computer with Adventec PCL-1800 data acquisition cards. Finally, it is concluded from results of simulations and experiments that load bus voltage in a grid-connected induction generator can be effectively regulated by the STATCOM.摘要………………………………………………………………………I Abstract……………………………………………………………… II 目錄……………………………………………………………………III 圖目錄……………………………………………………………… VIII 表目錄……………………………………………………………… XIV 第一章 緒論………………………………………………………… 1 1.1 研究背景…………………………………………………… 1 1.2 文獻回顧……………………………………………………… 2 1.3 研究方法與目的……………………………………………… 7 1.4 論文內容介紹………………………………………………… 8 第二章 感應發電機之特性分析與參數量測…………………………11 2.1 前言……………………………………………………………11 2.2 感應發電機的優缺點…………………………………………11 2.3 感應發電機互聯電力系統……………………………………12 2.4 感應電機參數量測……………………………………………14 2.4.1 定子電阻值之量測試驗…………………………………14 2.4.2 堵住轉子試驗……………………………………………16 2.4.3 同步轉速試驗……………………………………………18 第三章 靜態同步補償器簡介…………………………………………20 3.1 前言……………………………………………………………20 3.2 並聯補償器基本工作原理……………………………………20 3.2.1 STATCOM基本架構……………………………………… 21 3.3 靜態同步補償器對系統的影響………………………………22 3.3.1 電壓穩定度………………………………………………23 3.3.2 暫態穩定度………………………………………………25 3.3.3 功因改善…………………………………………………27 3.3.4 電壓支撐…………………………………………………27 3.3.5 線路傳輸功率……………………………………………29 3.4 補償器特性分析………………………………………………31 3.5 元件參數之決定………………………………………………32 3.5.1 電容器電壓與電容值設計………………………………33 3.5.2 補償器濾波電感器的設計………………………………34 3.5.3 補償器容量的計算………………………………………35 3.6 脈衝寬度調變(PWM)切換技術………………………………36 3.6.1 PWM電壓控制器………………………………………… 36 3.6.2 變流器切換頻率之分析…………………………………38 第四章 演算法分析及系統數學模型建立……………………………40 4.1 前言……………………………………………………………40 4.2 演算法分析……………………………………………………40 4.2.1 同步旋轉座標轉換法……………………………………41 4.2.2 靜態同步補償器之數學模型建立………………………43 4.2.3 解耦合電流控制…………………………………………46 4.3 系統數學模型建立…………………………………………… 48 4.3.1 感應機數學模型………………………………………… 48 4.3.2 被動元件數學模型……………………………………… 51 第五章 靜態同步補償器之實體製作……………………………… 53 5.1 前言……………………………………………………………53 5.2 硬體電路製作…………………………………………………53 5.2.1 實作電路之系統架構…………………………………… 54 5.2.2 研華PCL-1800資料擷取卡之簡介與設定……………… 55 5.2.3 電力電路之製作………………………………………… 61 5.2.4 驅動與互鎖電路之製作………………………………… 65 5.2.5 同步控制電路及鎖相電路之製作……………………… 70 5.2.6 電壓、電流感測器之製作……………………………… 76 5.2.7 其他相關硬體之製作…………………………………… 78 5.3 軟體程式規劃…………………………………………………79 5.3.1 軟體簡介………………………………………………… 80 5.3.2 軟體程式之規劃設計…………………………………… 80 5.3.3 數位低通濾波器………………………………………… 82 5.3.4 類比訊號輸入控制流程………………………………… 82 5.3.5 補償信號控制流程……………………………………… 83 第六章 模擬結果與分析………………………………………………84 6.1 前言……………………………………………………………84 6.2 系統平衡故障補償……………………………………………84 6.2.1 三相6Ω接地故障………………………………………… 86 6.2.2 三相4Ω接地故障………………………………………… 89 6.2.3 平衡故障補償之結論…………………………………… 92 6.3 轉速變動………………………………………………………92 6.4 負載變動………………………………………………………98 第七章 實驗結果與分析……………………………………………103 7.1 前言………………………………………………………… 103 7.2 平衡接地故障補償………………………………………… 103 7.2.1 三相6Ω接地故障……………………………………… 105 7.2.2 三相4Ω接地故障……………………………………… 107 7.2.3 三相接地故障補償之結論………………………………109 7.3 負載變動補償……………………………………………… 110 第八章 結論…………………………………………………………113 8.1 結論……………………………………………………………113 8.2 未來研究方向…………………………………………………114 附錄……………………………………………………………………115 參考文獻………………………………………………………………11