本論文所提出的獨立型風力發電系統使用三相激磁式同步發電機，並於系統中加入了一穩速伺服馬達，藉由控制系統轉速可決定激磁發電機之輸出頻率；運用定電壓控制策略控制輸入發電機之激磁電流進而控制其輸出電壓值，達到定頻定壓之目的並供給至負載使用。此外，當風能變化時，為了有效運用風能，加入了能量流管理控制策略，當風能過多時會透過電池充電控制電路將多餘之風能存進電池裡面，當風能不足時會由穩速伺服馬達提供功率，穩速伺服馬達功率來源為市電或電池，在本論文中我們利用昇壓電路將電池昇壓後並聯至馬達驅動器之DC Bus以結合市電提供之功率，再由此將功率傳送至激磁式同步發電機使系統能夠穩定輸出功率，達到自給自足之目標。本論文另外於系統中加入了最佳轉速起動切離控制策略，使系統在上升和下降之過程中能使穩速伺服馬達幾乎不出額外的功率。由實驗結果來證明此系統之優異性。

The Stand-Alone Wind Power System using a three-phase excited synchronous generator is proposed in this thesis. We add a servo motor and the fixed-voltage control strategy into system in order to adjust the frequency and amplitude respectively of the generator’s output voltage. Besides, because the variety of wind power, we add power flow management strategy into system for the sake of increasing the efficiency of wind power. We store the extra energy into battery through the buck circuit when the wind power is large than the consumption of the load. On the other hand,the power will be supplied from the servo motor when the wind power is lower than the consumption of the load. The sources of servo motor are either the main power or the battery power. In this thesis, we release the power that stored in the battery by boosting the voltage of battery through boost circuit and add main power together to the servo motor driver and servo motor. And then transmit the power to the three-phase excited synchronous generator to let it supply a stable electric source. Furthermore, in behalf of the energy conservation, we also add startup and shutdown control strategy into system to decrease the power of servo motor during the startup and shutdown period. By the result of this system’s experiment, we prove it’s adventages.

論文審定書 i
誌謝 ii
中文摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
圖次 xi
表次 xvii
第一章 緒論 1
1-1 研究動機與背景 1
1-2 研究方法 3
1-3 論文內容概述 4
第二章 風力發電系統架構介紹 5
2-1 前言 5
2-2 風力機種類簡介 5
2-2-1 水平軸、垂直軸風力機 5
2-2-2 阻力型、升力型風力機 6
2-2-3 迎風型、背風型風力機 7
2-2-4 單葉片、多葉片風力機 7
2-3 發電機種類及風力發電系統簡介 8
2-3-1鼠籠式非同步感應發電機 8
2-3-2雙饋式非同步感應發電機 8
2-3-3永磁式同步發電機 9
2-3-4激磁式同步發電機 10
2-4 各種主流風力發電優缺點之比較表 12
第三章 系統數學模型與控制策略介紹 13
3-1 前言 13
3-2 獨立型風力發電系統之同軸配置架構 13
3-3伺服馬達之數學模型 15
3-4 伺服馬達驅動器之數學模型 19
3-4-1 強韌型積分控制器 19
3-4-2 電流控制 19
3-4-3 脈波寬度調變電路 20
3-5 激磁式同步發電機之數學模型 23
3-5-1 定子方程式 25
3-5-2 轉子方程式 26
3-6 三相Y接負載箱之數學模型 27
3-7 磷酸鋰鐵電池之模型 28
3-8 系統控制策略介紹 29
3-8-1 最佳轉速起動切離控制策略 29
3-8-2 激磁式同步發電機之激磁場控制 31
3-8-3 定電壓控制策略 33
3-8-4 能量流管理控制策略 34
3-9 風機力矩命令之控制方法 37
3-10 穩速伺服馬達之轉速控制 38
3-11 系統功率之計算 40
3-11-1 馬達功率之計算 40
3-11-2 發電機功率之計算 40
3-12 過濾回授訊號雜訊之方法 41
3-12-1 移動平均法 41
3-12-2 數位低通濾波器 41
第四章 獨立型MATLAB模擬系統 42
4-1 前言 42
4-2 風機端模組 44
4-3 穩速伺服馬達模組驗證 45
4-4 激磁式同步發電機模組驗證 46
4-5 磷酸鋰鐵電池模擬 47
4-6 最佳轉速起動切離控制策略 49
4-6-1 起動策略之模擬 49
4-6-2 切離策略之模擬 51
4-7 定電壓控制策略之模擬 53
4-7-1 風能弦波變動 54
4-7-2 風能方波變動 56
4-8 能量流管理控制策略之模擬 58
4-8-1風能弦波變動 59
4-8-2風能方波變動 62
第五章 微控制器與系統周邊硬體電路簡介 65
5-1 微控制器 65
5-1-1 微控制器簡介 65
5-1-2 微控制器使用模組之簡介 67
5-1-2-1 GPIO模組 67
5-1-2-2 ADC ( Analog-to-Digital Converter )模組 72
5-1-2-3 ePWM ( Enhanced Pulse Width Modulator )模組 74
5-1-2-4 eQEP( Enhanced Quadrature Encoder Pulse )模組 76
5-1-2-5 PIE(Peripheral Interrupt Expansion)模組 78
5-1-2-6 IQ math模組 80
5-2 系統周邊硬體電路簡介 81
5-2-1 獨立型風力發電系統之同軸架構 81
5-2-2 MITSUBISHI泛用型交流伺服馬達與驅動器 82
5-2-3 激磁式同步發電機 84
5-2-4 磷酸鋰鐵電池 85
5-2-5 三相負載箱 87
5-2-6 交流電壓感測電路 88
5-2-7 直流電壓感測電路 89
5-2-8 電流感測電路 90
5-2-9 降壓(BUCK)電路 91
5-2-9-1 激磁場控制電路 93
5-2-9-2 電池充電控制電路 94
5-2-10 昇壓(BOOST)電路 96
5-2-10-1 電池昇壓控制電路 98
5-2-11伺服馬達位置脈波命令電路 100
5-2-12光編碼器回授電路 101
5-2-13 力矩隔離電路 102
5-2-14 電磁接觸器控制電路 103
5-2-15直流電源供應電路 103
5-2-16伺服馬達驅動器之介面電路(驅動板電路) 104
5-2-17 通訊硬體電路 106
5-2-18 DAC(Digital-To-Analog)電路 107
5-3 PCB(PRINTED CIRCUIT BOARD)電路圖及電路板的設計與製作 108
5-3-1 第一塊：伺服馬達驅動器介面電路與其周邊電路之整合電路板 108
5-3-2 第二塊：激磁場控制與電池充電控制整合之電路板 111
5-3-3 第三塊：發電機功率感測之電路板 114
5-3-4 第四塊：電池昇壓控制之整合電路板 116
5-3-5 第五塊：通訊硬體之整合電路板 118
5-3-6 第六塊：DAC(Digital-to-Analog)之整合電路板 121
第六章 獨立型風力發電系統之實驗過程與結果 123
6-1實驗步驟流程 123
6-2 實驗結果 125
6-2-1 啟動控制策略之實驗結果 125
6-2-1-1 原始啟動(無控制策略) 125
6-2-1-2 最佳轉速起動控制策略 126
6-2-2 切離控制策略之實驗結果 128
6-2-2-1 原始切離(無控制策略) 128
6-2-2-2 最佳轉速切離控制策略 129
6-2-3 定電壓控制策略之實驗結果 131
6-2-4 能量流管理控制策略之實驗結果 134
6-2-4-1 前言 134
6-2-4-2 風機輸入功率-弦波變動(上下總和400W) 134
6-2-4-3 風機輸入功率-方波變動(上下總和400W) 138
第七章 結論與未來展望 142
7-1 結論 142
7-1-1 前言 142
7-1-2 結論 143
7-3 未來展望 144
參考文獻 145

[1]台灣發明專利，發明人:陳遵立 “可應用於風力發電之激磁式同步發電機最大功率追蹤控制方法” 發明證書第I 446138號)，2014.~2034
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[34]RJH60F0元件資料網址：
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[35]IRFP460元件資料網址：
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http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=L7805
[41]L7905元件資料網址：
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[43]田又豪著，“併網型激磁式同步風力發電系統之定電壓與最佳功率追蹤控制策略”，中山大學電機系，西元2015年