本論文提出一創新風力發電之激磁式同步發電機系統架構。於此創新架構中，將風力機、發電機、伺服馬達以同軸連接方式配置，合成輸入風能和伺服馬達輸出能量，進而帶動激磁式同步發電機來達到發電之目的。本系統中控制端伺服馬達配合相位追隨控制策略進行位置控制，可穩定激磁式同步發電機之轉速、頻率，及使發電機輸出相位與市電相位同步。透過定電壓控制迴路來控制激磁式同步發電機之激磁電流，使發電機得到穩定之輸出電壓。藉由模擬驗證此創新風力發電系統架構之效果，並於實驗結果得知，此創新風力發電系統於風能變動及負載變動時，皆具有良好穩定度。

In this thesis, a novel wind power generator framework with an excitation synchronous generator is proposed. In this novel structure, the wind power and servo motor power are combined and transmitted to the excitation synchronous generator with coaxial configuration. In this system, the excitation synchronous generator’s rotation speed, frequency, phase are maintained by servo motor position control with phase tracking control strategy. By using static voltage control loop, the excitation current adjusts the excitation field to achieve the goal of stable voltage. By simulation, the proposed novel wind power generator framework was verified. From the experimental results, the proposed wind power generator system achieves the goal of high performance power generation with good stability.

中文審定書................................................. i
英文審定書.................................................ii
誌謝...................................................... iii
中文摘要.................................................. iv
英文摘要...................................................v
目錄.......................................................vi
圖次...................................................... ix
表次.......................................................xi
第一章 緒論......................................................... 1
1.1 前言......................................................... 1
1.2 研究方法..................................................... 3
1.3 論文內容概述................................................. 4
第二章 風力發電現況、原理及架構...................................... 5
2.1 前言......................................................... 5
2.2 全球能源種類介紹及各種能源之優缺點........................... 5
2.2.1 傳統能源................................................ 6
2.2.2 再生能源.............................................. 8
2.3 風力發電之發展趨勢.......................................... 10
2.3.1 全球風力發電產業之概況................................ 10
2.3.2 台灣風力發電之回顧與現況.............................. 12
2.4 風力發電之系統架構.......................................... 14
2.4.1 風力發電之原理........................................ 14
2.4.2 風力發電機分類........................................ 15
2.5 常見風力發電機系統........................................ 17
2.6 激磁式同步發電機......................................... 19
第三章 創新風力發電之激磁式同步發電機系統架構...................... 20
3.1 創新風力發電之激磁式同步發電機系統架構..................... 20
3.2 同軸配置下之能量流......................................... 21
3.3 伺服馬達位置控制架構....................................... 22
3.4 市電相位追隨控制策略....................................... 24
第四章 系統數學模型推導及Matlab模擬............................... 26
4.1 前言....................................................... 26
4.2 風能變動分析.............................................. 26
4.3 控制端伺服馬達............................................ 27
4.3.1 伺服馬達數學模型推導................................. 27
4.3.2 強韌積分控制器....................................... 30
4.4 激磁式同步發電機數學模型推導............................... 32
4.5 併聯市電方塊.............................................. 34
4.5.1 電阻性負載箱........................................ 34
4.5.2 市電電網............................................ 35
4.6 模擬結果分析............................................... 35
4.6.1 激磁式同步發電機模型驗證.............................. 35
4.6.2 負載變動模擬.......................................... 37
4.6.3 輸入風能步階變動模擬................................. 40
4.6.4 相位追隨控制模擬..................................... 42
第五章 硬體電路設計與實驗結果分析................................. 43
5.1 前言....................................................... 43
5.2 數位訊號處理器發展系統..................................... 43
5.3 實驗平台建置............................................. 46
5.4 硬體電路設計.............................................. 48
5.4.1 交流電壓回授電路.................................... 49
5.4.2 控制端伺服馬達馬達位置命令電路...................... 50
5.4.3 激磁場控制電路...................................... 50
5.4.4 電磁接觸器控制電路.................................. 51
5.5 系統發電效率測試......................................... 52
5.6 負載變動下系統之穩定度..................................... 52
5.7 風能變動下系統之穩定度..................................... 52
5.8 相位追隨控制實驗........................................... 55
5.9 併聯市電測試............................................... 56
第六章 結論與未來展望........................................... 58
6.1 結論...................................................... 58
6.2 未來展望................................................... 59
參考文獻............................................................ 60

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