本論文採用一併網型激磁式同步風力發電系統架構，在此架構中將風力端、激磁式同步發電機以及伺服馬達採同軸連接，對系統之轉軸進行位置控制，並在併網後利用馬達轉子控制發電機電流追蹤市電，進行功因修正控制策略，改善電力品質，如此可以直接將電力輸出進電網，減少經過電力轉換器的消耗，簡化了系統架構也提高系統效率。此外，本論文提出啟動切離控制策略，在發電系統於啟動及切離區段，利用最大功率追蹤控制，使發電機輸出功率追蹤風能輸入功率變化，減少伺服馬達輸出功率，達成風能轉換成電能的目標。

This thesis adopts a grid-connected excited synchronous wind power generator system. This system uses coupling to connect the wind power, excited synchronous generator, and servo motor in a coaxial framework, and realizes position control of the system rotation axis. This thesis also proposes a power factor correction control strategy and uses the servo motor rotor to control the current of generator to track the frequency and phase of grid right after the connection between the system and the grid. In this way, we can connect the system output to the grid directly without the consumption of the power converter, and simplify the framework and enhance system efficiency. Furthermore, the system startup and shutdown control strategy is proposed to reduce servo motor output in startup and shutdown duration to achieve the goal of converting the wind energy into electrical energy by using Maximum Power Tracking Control.

中文審定書 i
誌謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
目 錄 v
圖 次 viii
表 次 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 系統描述與控制策略簡介 3
1.3 研究方法 4
1.4 內容概述 6
第二章 風力發電系統與發電機簡介 7
2.1 現行風力發電系統架構分類 8
2.2 常見發電機種類簡介 11
2.2.1 鼠籠式非同步感應發電機 11
2.2.2 雙饋式非同步感應發電機 12
2.2.3 永磁式同步發電機 12
2.2.4 激磁式同步發電機 13
2.3本論文採用激磁式同步發電機之原因 14
第三章 併網型激磁式同步風力發電系統架構與控制策略介紹 16
3.1 併網型激磁式同步風力發電系統架構 16
3.2 伺服馬達位置控制架構 18
3.3 啟動切離控制策略 20
3.4 功因修正控制策略 22
第四章 併網型激磁式同步風力發電系統Matlab模型與模擬 28
4.1 控制端伺服馬達模型 29
4.1.1 伺服馬達數學模型推導 29
4.1.2 伺服馬達定轉速控制模型 34
4.1.3 強韌積分控制器 35
4.2 激磁式同步發電機模型 37
4.2.1 定子方程式 38
4.2.2 轉子方程式 39
4.3 市電併聯及負載箱模型 39
4.4 模擬結果分析 41
4.4.1 激磁式同步發電機模型驗證 41
4.4.2 啟動切離模擬 43
4.4.3 相位同步模擬 45
4.4.4 功因修正模擬 47
4.4.5 風能力矩變動模擬 49
第五章 系統韌體與週邊電路 51
5.1 微控制器介紹及腳位規劃 51
5.2 系統韌體流程圖 57
5.3 週邊電路介紹 61
5.3.1 激磁場控制電路 61
5.3.2 電壓感測及比較器電路 63
5.3.3 電流感測及比較器電路 64
5.3.4 差動訊號轉單端訊號電路 66
5.3.5 控制端伺服馬達位置脈波命令電路 67
5.3.6 電磁接觸器驅動電路 68
5.3.7 力矩隔離電路 69
5.4 PCB電路板設計製作及電路圖 70
5.4.1電路佈局 70
5.4.2 Layout設計規範 74
5.5 實驗平台建置 80
5.5.1 伺服馬達 81
5.5.2 激磁式同步發電機 83
5.5.3 負載箱 84
5.5.4 電池 85


第六章 實驗過程與結果分析 86
6.1 實驗步驟 86
6.2 實驗結果分析 88
6.2.1 啟動切離實驗 88
6.2.2 相位同步實驗 91
6.2.3 功因修正實驗 93
6.2.4 風能力矩變動實驗 97
第七章 結論與未來展望 100
7.1 結論 100
7.2 未來展望 102
參考文獻 103

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