three level boost dc to dc converter for wind...

วงจรทบระดบแรงดนแบบสามระดบสาหรบกงหนลม

THREE LEVEL BOOST DC TO DC CONVERTER FOR WIND TURBINE

สรรธพล คมทรพย SANTAPHON KOOMSAP

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต

สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร พ.ศ. 2554

วงจรทบระดบแรงดนแบบสามระดบสาหรบกงหนลม

สรรธพล คมทรพย

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ภาควชาวศวกรรมไฟฟา

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

พ.ศ. 2554


SANTAPHON KOOMSAP

A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF ENGINEERING

IN ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY OF ENGINEERING

RAJAMANGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THANYABURI 2011

วทยานพนธฉบบน เปนงานวจยทเกดจากการคนควาและวจยขณะทขาพเจาศกษาอยในคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ดงนนงานวจยในวทยานพนธฉบบน ถอเปนลขสทธของมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบรและขอความตาง ๆ ในวทยานพนธฉบบน ขาพเจาขอรบรองวาไมมการคดลอกหรอนางานวจยของผอนมานาเสนอในชอของขาพเจา

นายสรรธพล คมทรพย

COPYRIGHT © 2011 ลขสทธ พ.ศ. 2554 FACULTY OF ENGINEERING คณะวศวกรรมศาสตร RAJAMANGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THANYABURI มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

ใบรบรองวทยานพนธ คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร _____________________________________________________________________________________ หวขอวทยานพนธ วงจรทบระดบแรงดนแบบสามระดบสาหรบกงหนลม


ชอนกศกษา นายสรรธพล คมทรพย รหสประจาตว 114970402002-7

ปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต

สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา

อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก ดร.วนชย ทรพยสงห

วน เดอน ป ทสอบ 26 เมษายน 2554

สถานทสอบ หองประชมชมพพนธทพย ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

คณะกรรมการสอบวทยานพนธ ......................................................................... ประธานกรรมการ

(รองศาสตราจารย ดร.เวคน ปยรตน) ......................................................................... กรรมการ

(ดร.กฤษณชนษ ภมกตตพชญ) ......................................................................... กรรมการ

(ดร.สรนทร แหงมงาม) ......................................................................... กรรมการ

(ดร.วนชย ทรพยสงห)

..................................................................... (ผชวยศาสตราจารย ดร.สมหมาย ผวสอาด)

คณบดคณะวศวกรรมศาสตร

ก

หวขอวทยานพนธ วงจรทบระดบแรงดนแบบสามระดบสาหรบงานกงหนลม นกศกษา นายสรรธพล คมทรพย รหสประจาตว 114970402002-7 ปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา ปการศกษา 2553 อาจารยผควบคมวทยานพนธ ดร.วนชย ทรพยสงห

บทคดยอ

วทยานพนธนนาเสนอวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงแบบทบระดบแบบคาสเคดแรงดนสามระดบ โดยทดสอบรวมกบแบบจาลองกงหนลม ทงนวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงจะไดรบการควบคมและแสดงผลสญญาณผานบอรดประมวลผลสญญาณดจตอลรน DS1104 ของบรษท dSPACE GmbH. แบบจาลองกงหนลมในวทยานพนธนสามารถจาลองพฤตกรรมของกงหนลมไดตามตองการเชน คาความเรวลม ขนาดและชนดใบกงหนลม ขนาดพกดกาลงของกงหนลม ตลอดจนความสงของเสากงหนลม เปนตน

วงจรทบระดบแรงดนทาหนาทแปลงผนไฟฟากระแสตรงจากแรงดนขนาด 35-65 โวลตใหมคา 311 โวลตคงท ซงมคาสงเพยงพอสาหรบผลตแรงดนไฟฟาขนาด 220 โวลต ความถ 50 เฮรตซ โดยผานวงจรอนเวอรเตอรแบบหนงเฟส และระบบทงหมดในงานวจยนกระทาไดโดยการประยกตใชซอฟแวร Orcad/Pspice และMatlab/Simulink ในการจาลองระบบทงหมดใหอยในสภาวะเสถยรตามทตองการ

จากการทดสอบระบบทงหมดในงานวจยจะเหนวา ขณะระบบอยในสภาวะวงเปด คาแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงจะตกลงทกครงขณะทมโหลดตอเขาสระบบอยางทนท ในทางตรงขาม ระบบในสภาวะวงปดดวยการประยกตใชตวควบคมแบบพไอ จะเหนวาแรงดนเอาตพตของวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงจะมคาคงทท 311 โวลตเสมอ ในขณะทตอโหลดขนาด 200 วตต เขาสระบบโดยทนท อยางไรกตามประสทธภาพของระบบวงจรแปลงผนไฟฟากระแสตรงนจะมคาเฉลยอยท 73% โดยประมาณ

คาสาคญ : วงจรทบระดบแรงดนแบบสามระดบ กงหนลม เครองจาลองกงหนลม

ข

Thesis Title : THREE LEVEL BOOST DC TO DC CONVERTER FOR WIND TURBINE Student Name : Mr. Santaphon Koomsap Student ID : 114970402002-7 Degree Award : Master of Engineering Study Program : Electrical Engineering Academic year : 2010 Thesis Advisor : Dr. Wanchai Subsingha

ABSTRACT

This paper presents the three level boost DC to DC converter for wind turbine which was tested together with wind turbine simulator which can controls and monitoring using a digital signal processing board DS1104 of dSPACE GmbH. The simulator can simulate any characteristics of wind turbine such as wind velocity, turbine’s blade, sizing of wind turbine and height of turbine pole etc.

The function of the boost Converter converts DC voltage from 35-65 Vdc to 311 Vdc which is enough for a establish a 220 Vac 50 Hz output voltage through a single phase inverter circuit. Orcad/Pspice and Matlab/Simulink software are also used for simulating the overall system in order to stabilize the output voltage as desired. The results of this thesis prove that output voltage will drop in every voltage level with sudden load change under the open loop control condition. When PI controller is applied in closed loop of the DC Boost converter control, DC output voltage of the converter is stabilized at 311 Vdc while the 200W load is injected into the converter output, However, the efficiency of the DC Converter system in this experiment is about 73%. Keywords: Three level boost dc to dc converter, Wind turbine, Wind simulator.

ค

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธนสาเรจลลวงไดดวยดดวยความกรณาจากอาจารยทปรกษา อาจารย ดร.วนชย ทรพยสงห ทแนะแนวทางและใหคาปรกษาในการทาวทยานพนธเลมนมาโดยตลอด รวมทงคณาจารยและบคลากรในสาขาวชาวศวกรรมไฟฟาทกทานทไดใหความรและคาปรกษา ผวจยซาบซงในความอนเคราะหของทานและกราบขอบพระคณเปนอยางสง

ขอขอบคณ อาจารยชาญฤทธ ธาราสนตสข ทคอยใหความอนเคราะหและชวยเหลอแนะนาการออกแบบสรางและแนวทางในการแกปญหา และแนะแนวทางในการเขยนและนาเสนอบทความงานวจยทงยงคอยหวงใยและใหกาลงใจมาโดยตลอด

ขอขอบคณมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลกรงเทพ ทมอบทนการศกษาพรอมท งอนเคราะหใหใชสถานท เครองวดในการทาวจย ผวจยขอกราบขอบพระคณ บดา มารดา และขอบคณบคคลในครอบครวทเหนใจและคอยเปนกาลงใจตลอดระยะเวลาในการศกษาดวยดตลอดมาจนผวจยสามารถสาเรจการศกษา

ทายทสดนขออาราธนาพระคณแหงพระศรรตนตรย จงชวยปกปองคมภย ผมพระคณทกทานใหมสขภาพพลานามยทสมบรณ ปราศจากโรคภยทงปวง

สรรธพล คมทรพย 26 เมษายน 2554

ง

สารบญ หนา

บทคดยอภาษาไทย ก บทคดยอภาษาองกฤษ ข กตตกรรมประกาศ ค สารบญ ง สารบญตาราง ฉ สารบญรป ช บทท 1 บทนา 1

1.1 ความเปนมาและความสาคญของปญหา 1 1.2 วตถประสงคของการศกษา 2 1.3 ขอบเขตของการศกษา 2 1.4 ขนตอนการดาเนนการ 2 1.5 1.6 1.7

เครองมอทใช ขอจากดของการศกษา ประโยชนทคาดวาจะไดรบ

3 4 4

บทท 2 วรรณกรรมหรองานวจยทเกยวของ 5 2.1 งานวจยทเกยวของ 5 2.2 วงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหรอวงจรบสคอนเวอรเตอร 6 2.3 อปกรณทใชงานในวงจรทบระดบแรงดนไฟฟา 12 2.4 วงจรควบคมวงจรทบระดบแรงดนไฟฟา 14 2.5 วงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบแบบคาสเคด 17 2.6 การวเคราะหแรงดนตกครอมทสวตชและไดโอด 23

2.7 หลกการของพลงงานลม 25 2.8 ชวงการทางานของกงหนลม 27 2.9 สารวจและเกบขอมลลม 29 2.10

2.11 แบบจาลองกงหนลม เครองกาเนดไฟฟากระแสตรงแบบแยกกระตน

31 33

บทท 3 วธการดาเนนงานวจย 34 3.1 ขนตอนการดาเนนการวจย 34 3.2

โครงสรางของวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบ 35

จ

สารบญ (ตอ)

หนา

3.3 วงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบแบบคาสเคด 36 3.4 การออกแบบวงจรทบระดบ 44 3.5 วงจรทใชควบคมแบบวงเปด 45 3.6 วงจรทใชควบคมแบบวงปด 45 3.7 โครงสรางของเครองจาลองกงหนลม 51

บทท 4 ผลการสรางและการทดสอบ 56 4.1 วงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบ 56 4.2

4.3

วงจรเครองจาลองกงหนลมดวยมอเตอรเหนยวนาทมการควบคมและแสดงผลดวยการดอนเตอรเฟสdSPACE การทดสอบวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบดวยเครองจาลองกงหนลม

67

70 บทท 5 สรปผลและขอเสนอแนะ 74

5.1 สรปผลการวจย 74 5.2 ขอเสนอแนะในการวจย 75

เอกสารอางอง 76 ภาคผนวก

ก รปเครองตนแบบ 78 ข โปรแกรมทใชในการจาลองของเครองจาลองกงหนลม 81 ค ผลการทดสอบเครองจาลองกงหนลมจากโปรแกรม Control Desk

กบวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบ 86

ง ขอมลอปกรณ 90 จ ผลงานตพมพเผยแพร 118

ประวตผเขยน 133

ฉ

ตารางท

สารบญตาราง

หนา

2.1 ขอมลศกยภาพพลงงานลม กรงเทพ รวมชวงลมสงบ-เฉลยรายป 30 2.2 สถานทเกบขอมลความเรวลม 30 3.1 เปรยบเทยบวงจรแปลงผนแตละแบบ 38 3.2 พารามเตอรขดลวดทองแดง 42 3.3 คาของ pC เปรยบเทยบกบ λ 54 4.1 การทดสอบดคาแรงดนและกระแสเอาตพตเมอเปลยนโหลดแบบทนททนใดท

แรงดนอนพตคงท 50 โวลต ดวตไซเคลคงท 0.5 แบบวงเปด 59

4.2 การทดสอบดคาแรงดนเอาตพต ทแรงดนอนพตคงท 50 โวลต ทดสอบโดยการเปลยนแปลงโหลดลาดบ3 เมอเปลยนคาดวตไซเคล แบบวงเปด

60

4.3 การทดสอบดคาแรงดนคากระแสเอาตพตกระแสอนพตและคาดวตไซเคลเมอปรบเปลยนโหลดตามลาดบแบบทนททนใด โดยแรงดนอนพตคงท 50 โวลต แบบวงปด

62

4.4 การทดสอบดคาแรงดนเอาตพตและดวตไซเคลเมอแรงดนอนพตเปลยนแปลง แบบวงปด

64

4.5 ทดสอบหาคาประสทธภาพโดยรกษาระดบแรงดนอนพตคงท แบบวงปด 66

ช

รปท

สารบญรป

หนา

2.1 บลอกไดอะแกรมระบบแปลงผนพลงงานไฟฟาจากกงหนลม 6 2.2 ก) วงจรทบระดบแรงดนไฟฟา

ข) วงจรสมมลในชวง onT ค) วงจรสมมลในชวง offT

7

2.3 กระแสทไหลผานตวเหนยวนาตอเนอง 8 2.4 กระแสทไหลผานตวเหนยวนาเรมไมตอเนอง 9 2.5 กระแสทไหลผานตวเหนยวนาไมตอเนอง 10 2.6 กระแสไหลผานตวเกบประจ และ OV 11 2.7 ไดโอดกาลง 13 2.8 วงจรควบคมวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาในโหมดควบคมแรงดน 15 2.9 รปรางสญญาณทจดตางๆของวงจรในรปท 2.8 16

2.10 วงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบแบบ2 1N − 17 2.11 การทางานของวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบชวงท (ก) 18 2.12 การทางานของวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบชวงท (ข) 19 2.13 การทางานของวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบชวงท (ค) 20 2.14 การทางานของวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบชวงท (ง) 21 2.15 การทางานของวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบชวงท (ฉ) 22 2.16 การทางานของวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบชวงท (ช) 23 2.17 ขณะ 4C ชารจจะมแรงดนตกครอมทไดโอดและสวตช 24 2.18 ขณะ 2C ชารจจะมแรงดนตกครอมทไดโอดและสวตช 24 2.19 ปรมาตรการไหลของอากาศทไหลผานกงหนลม 26 2.20 ก) กงหนทางานตามปกต

ข) กงหนเกดปรากฏการณสตอล 28

2.21 การทางานของกงหนลม 28 2.22 แผนทศกยภาพพลงงานลม กรงเทพ รวมชวงลมสงบ-เฉลยรายป 29 2.23 ตดตงเครองวดความเรวลมทชน11 ตกคณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยมงคลกรงเทพ 30

2.24 ผลการวดความเรวลมทวดไดจรง ณ.ชน11 ตกคณะวศวกรรมศาสตรมหาวทยาลย เทคโนโลยราชมงคลกรงเทพ

31

2.25 แบบจาลองกงหนลม 31

ซ

รปท

สารบญรป (ตอ)

หนา

2.26 บลอกไดอะแกรมแบบจาลองของกงหนลมนา Matlab/Simulink ใชในการคานวณ 32 2.27 วงจรภายในของเครองกาเนดไฟฟาแบบแยกกระตน 33 3.1 โครงสรางวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบ 35 3.2 วงจรทบระดบแรงดนไฟฟาหลายระดบ(2 สถานะ) 38 3.3 การจาลองวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบ 39 3.4 ผลจาลองวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบแบบวงเปด 39 3.5 วงจรทบระดบแรงดนไฟฟา เมอเทยบเคยงหมอแปลงอดมคต 46 3.6 วงจรไฟฟาสมมลของวงจรทบระดบแรงดนไฟฟา 47 3.7 จาลองวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาดวยโปรแกรม Ocad/Pspice

เพอหาผลตอบสนองทางความถ 48

3.8 ผลของการจาลองวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาดวยโปรแกรม Ocad/Pspice เพอหาผลตอบสนองทางความถ

48

3.9 จาลองผลการตอบสนองวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาดวยโปรแกรม Ocad/Pspice เพอหาผลตอบสนองทางแรงดนไฟฟาโดยใชวธปอนกลบแรงดน

51

3.10 ผลการตอบสนองวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาดวยโปรแกรม Ocad/Pspice เพอหาผลตอบสนองทางแรงดนไฟฟาโดยใชวธปอนกลบแรงดน

51

3.11 โครงสรางและสวนประกอบเครองจาลองกงหนลม 52 3.12 บลอกไดอะแกรมแบบจาลองความเรวลมและการกาหนดคาตวแปร 53 3.13 บลอกไดอะแกรมแบบจาลองของกงหนลม 53 3.14 บลอกของ Look-Up Table ในโปรแกรม Matlab/Simulink ในการคานวณ

คา pC โดยใชหลกการ Interpolation 54

3.15 กราฟคาของ pC เปรยบเทยบกบคา λ ทได 54 4.1 การทดสอบวงจรตนแบบวงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบ 57 4.2 วงจรทบระดบแรงดนไฟฟาแบบสามระดบทใชในการทดสอบ 58 4.3 การเปรยบเทยบคาจาลองดวยโปรแกรม Orcad/Pspice กบทใชออสซลโลสโคปวด

วงจรทสรางขน 59

4.4 สญญาณแรงดนอนพตและแรงดนเอาตพตทดวตไซเคล 50% 60 4.5 สญญาณแรงดนอนพตและแรงดนเอาตพตทดวตไซเคล 60% 60 4.6 สญญาณแรงดนอนพตและแรงดนเอาตพตทดวตไซเคล 70% 61 4.7 สญญาณแรงดนอนพตและแรงดนเอาตพต ควบคมแบบวงปด 61

ฌ

รปท

สารบญรป (ตอ)

หนา

4.8 สญญาณแรงดนอนพตและแรงดนเอาตพตทดวตไซเคล 45% ทการเปลยนแปลงโหลดลาดบ 1 ควบคมแบบวงปด

62


63


63

4.11 สญญาณแรงดนอนพต 40 โวลตและทดวตไซเคล 60% ควบคมแบบวงปด 64 4.12 สญญาณแรงดนอนพต 50 โวลตและทดวตไซเคล 45% ควบคมแบบวงปด 65 4.13 สญญาณแรงดนอนพต 60 โวลตและทดวตไซเคล 35% ควบคมแบบวงปด 65 4.14 วงจรวดคาประสทธภาพ แบบวงปด 66 4.15 เครองจาลองกงหนลมดวยมอเตอรเหนยวนาทมการควบคมและแสดงผลดวย

อนเตอรเฟสการด dSPACE ทสรางขน 68

4.16 เปรยบเทยบสญญาณแรงบดของมอเตอรและสญญาณแรงบดอนเตอรเฟสการดทความเรวลม 3 m/s

69

4.17 เปรยบเทยบสญญาณแรงบดของมอเตอรและสญญาณแรงบดอนเตอรเฟสการดทความเรวลม 4 m/s

69

4.18 สญญาณแรงดนอนพต 35 โวลต แรงดนเอาตพต 311 โวลต ทดวตไซเคล 60% ควบคมแบบวงปด ทความเรวลม 3 m/s และความแปรปรวนลม 2 %

70


71


71


72


72


73

three level boost dc to dc converter for wind...

Documents