本論文提出之直接併網型勵磁式同步風力發電系統，主要架構採用勵磁式同步發電機，配合一同軸連接的穩速伺服馬達，可以針對發電機輸出進行精確的控制，達到高品質及高效率的併網效果。
同軸連接之穩速伺服馬達可即時調整發電機輸出之頻率、相位，以達到市電併網標準；此外，於併網期間能夠持續進行功因修正，使輸出電能可以更有效率地被應用；在整個過程中，伺服馬達卻又能夠盡可能的不消耗能量，讓本系統對風能的應用達到最佳化。同時，利用勵磁式同步發電機可直接以高壓輸出之特性，不僅能省略電力電子轉換器以提升轉換效率，也能增加系統可靠度。
本論文亦提出系統參數調整分析。根據多組數據，比較位於各控制迴路中的參數變化對於系統及併網效果的影響。控制迴路包括最大功率追蹤、鎖頻鎖相及功因修正等，藉由觀察馬達功率、傳動軸絕對角度與市電之相位差、發電機輸出與市電相位差等結果，分析不同參數造成的變化，進而歸納出一組較佳的結果，可以將風能更有效率的輸送至電網。

This thesis proposes the direct grid-connected excited synchronous wind power system. The main structure of this system is using coupling to connect excited synchronous generator and servo motor in a coaxial framework. Since we can precisely control the generator output with the servo motor, we can achieve high quality and efficient grid connection.
The servo motor can adjust the frequency and phase of generator output in time to reach the requirement of grid connection. Besides, the motor can improve the power factor during the grid connection so that the output can be applied more efficiently. However, the servo motor is able to use as little energy as possible throughout the process to optimize the application of the wind power. Furthermore, with the characteristic that the excited synchronous generator can output directly with high voltage, we can not only reduce the electronic converter but also improve the efficiency and reliability.
This thesis also proposes the analysis of system parameter optimization. With multiple data, we compare the effect of the parameters change in each loop on the system and the grid connection. The control loop includes the Maximum Power Tracking, the Frequency Locking, the Phase Locking and the Power Factor Correction, etc.. By observing the motor power, the phase difference between the absolute angle of the transmission shaft and the mains power and the phase difference between the generator output and the mains power, etc., the changes caused by the different parameters are analyzed. As a result, we are able to conclude a set of better result which can be used to deliver the wind energy more efficiently to the grid.

論文審定書 i
誌 謝 ii
摘 要 iii
Abstract iv
目 錄 vi
圖 次 ix
表 次 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 系統描述與控制方法簡介 2
1.3 研究方法 3
1.4 內容概述 4
第二章 風力發電系統與發電機簡介 5
2.1 現行風力發電系統架構分類 5
2.2 直接併網型勵磁式同步風力發電系統架構 7
2.3 本論文採用勵磁式同步發電機之原因 8
第三章 控制策略介紹及系統、驅動器參數調整分析 10
3.1 伺服馬達位置控制架構 10
3.2 最大功率追蹤控制策略 11
3.3 啟動切離控制策略 12
3.4 定電壓控制策略 12
3.5 同步及功因修正策略 13
3.6 控制迴路調整分析 18
3.6.1 功因修正架構調整 18
3.8.2 控制迴路參數優化 21
第四章 數學模型推導 22
4.1 控制端伺服馬達模型 22
4.1.1 伺服馬達數學模型推導 23
4.1.2 伺服馬達定轉速控制模型 27
4.1.3 強韌積分控制器 28
4.2 勵磁式同步發電機模型 30
4.2.1 定子方程式 31
4.2.2 轉子方程式 32
4.3 市電併聯及負載箱模型 32
第五章 系統韌體與週邊電路 35
5.1 微控制器介紹及腳位規劃 35
5.2 系統韌體流程圖 39
5.3 微控制器電路 45
5.3.1 微控制器電路 45
5.3.2 勵磁場電路 49
5.3.2 感測電路 50
5.3.3 馬達驅動電路 51
5.4 實驗平台建置 53
5.4.1 勵磁式同步發電機 54
5.4.2 伺服馬達 54
5.4.3 負載箱 56
第六章 實驗過程與結果分析 58
6.1 實驗步驟 58
6.2 實驗結果分析 60
6.2.1 啟動切離實驗 60
6.2.2 定電壓及最大功率追蹤實驗 62
6.2.3 同步及功因修正實驗 65
6.2.4 系統參數調整 66
6.3 實驗總結 74
第七章 結論與未來展望 77
7.1 結論 77
7.2 未來展望 78
參考文獻 79

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