本論文提出一單相無轉換器獨立型激磁同步風力發電系統。為求簡化系統及提高系統效率，我們捨棄傳統風力發電系統中，齒輪箱連接的使用模式，改以同軸連接方式，整合風機之輸入風能和伺服馬達之輸出能量，以驅動激磁式同步發電機。系統中發電機採用定電壓控制策略，當負載端變動時發電機仍可保持穩定的輸出電壓；另外，加入能量流管理策略，當輸入風能大於負載消耗時，可將多餘的能量分流給電池。藉由模擬和實驗驗證得知，此一風力發電系統於風能變動以及負載變動時，可達到有效利用風能與良好穩定度的目標。

In this thesis, a single-phase converter-less excitation synchronous stand-along wind power generator system is proposed. In order to simplify the system and improve the system efficiency. In this system, coaxial connection has been employed instead of the gear box that used in conventional wind power generator system. In this system, wind turbine power and servo motor power are integrated to drive the excited synchronous generator. By using constant voltage control strategy, the output voltage can still remain stable when load is changing. Additionally, to combine power flow management strategy as well, excess power will be shunted to charge the battery when the input power greater is than the consuming power. According to the verification of the simulations and experiments, the goal of effective use of the wind power and excellent performance can be established.

第一章 緒論..........................................................................1
1.1 研究動機與背景..............................................................1
1.2 研究方法.........................................................................2
1.3 論文內容概述..................................................................3
第二章 風力發電系統原理及架構..........................................4
2.1 能源種類介紹及各種能源之優缺點..................................4
2.1.1 傳統能源.......................................................................5
2.1.2 再生能源.......................................................................7
2.2 風力發電系統架構............................................................9
2.2.1 風力發電原理................................................................9
2.2.2 風力發電機分類...........................................................10
2.3 常見的風力發電架構.......................................................12
2.4 單相激磁式同步發電機....................................................14
第三章 單相無轉換器獨立型激磁同步風力發電系統架構.......15
3.1 獨立型風力發電系統架構.................................................15
3.2 同軸配置之能量流............................................................16
3.3 發電機定電壓控制策略.....................................................17
3.4能量流管理策略.................................................................18
第四章 數學模型推導及Matlab模擬.........................................20
4.1 前言...................................................................................20
4.2 控制端伺服馬達.................................................................20
4.2.1 伺服馬達數學模型推導...................................................21
4.3 激磁式同步發電機數學推導...............................................25
4.3.1 定子方程式.....................................................................25
4.3.2 轉子方程式.....................................................................26
4.4 風能變動分析....................................................................27
4.5 伺服馬達穩速控制.............................................................28
4.6 激磁式同步發電機模型驗證...............................................29
4.7 發電機定電壓控制.............................................................30
4.8 鉛酸電池模擬....................................................................32
4.9 模擬結果...........................................................................32
4.9.1 輸入風能以步階變動......................................................32
4.9.2輸入風能以弦波變動.......................................................35
第五章 硬體電路設計與實驗結果分析.....................................39
5.1 前言..................................................................................39
5.2 數位訊號處理器簡介.........................................................43
5.3 控制電路簡介....................................................................46
5.3.1 定電壓控制電路..............................................................46
5.3.2 馬達功率偵測電路...........................................................48
5.3.3 電池充電電路..................................................................49
5.3.4 電池功率回授電路...........................................................50
5.4 實驗結果分析.....................................................................52
5.4.1 發電機定電壓控制...........................................................52
5.4.2 輸入風能以步階變動作測試.............................................56
5.4.3 輸入風能以弦波變動作測試.............................................59
第六章 結論與未來展望............................................................64
6.1 結論....................................................................................64
6.2 未來展望.............................................................................65
參考文獻...................................................................................66

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