本論文提出之直接併網型勵磁式風力發電系統採用勵磁式同步發電機，配合同軸連接之穩速伺服馬達為主要架構，可對發電機輸出進行精確的控制。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，也增加系統可靠度。
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，以達到市電併網之標準，並在併網期間持續進行功因修正，將電能更有效率地輸出至電網，過程中伺服馬達卻又盡可能的不消耗能量。另外，在併網過程中伺服馬達也可用以提供能量，直接提升發電機輸出功率。
本論文亦提出控制迴路及驅動器參數之調整分析；以多組數據比較同步及功因修正策略中，頻率、相位同步參數與馬達驅動器參數對發電系統之影響，藉由觀察馬達轉速、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資訊，分析其對應參數變化之趨勢，最後可因此歸納出一最佳化之系統參數。搭配韌體中的各式控制方法，讓風能可以有效地轉換成電能輸出至電網，由實驗結果驗證此系統優異的性能。

This thesis proposes the direct grid-connected excited synchronous wind power system by using excited synchronous generator. With a coaxial-coupled servo motor, we can precisely control the generator output. Since the excited synchronous generator can operate in high voltage and directly connect to the power grid, the usage of power converter is no longer needed. Therefore, the energy conversion efficiency and reliability of the system can be improved.
The servo motor can adjust the phase and frequency of the generator output to reach the requirement of grid connection, while continuously correcting the power factor after the grid is connected. Moreover, the servo motor can remain very low power consumption in the process. When the grid is connected, the servo motor is able to offer power to promote generator output.
This thesis also proposes Motor Driver Parameter Optimization Analysis. With multiple data comparison, we modify the motor driver parameters and the parameters of frequency and phase synchronizing to see the result. By observing motor speed, the absolute angle of the transmission shaft and phase difference between generator output and the mains power, we can estimate the trend made by parameter setting. As the result, we are able to conclude a strategy for parameter optimization. Along with the system control strategy, the energy conversion between wind power and the electrical power can be more efficient.

論文審定書 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 系統描述與控制方法簡介 2
1.3 研究方法 2
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 勵磁式同步風力發電機 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 啟動切離控制策略 11
3.3 最大功率追蹤控制策略 12
3.4 定電壓控制策略 12
3.4.1馬達穩壓模式 12
3.4.1電池穩壓模式 13
3.5 同步及功因修正策略 14
3.6 伺服馬達外部供電策略 17
3.7 控制迴路參數及驅動器參數調整分析 18
3.7.1 控制迴路參數調整 18
3.7.2 驅動器參數調整 19
第四章 數學模型推導及MATLAB模擬 22
4.1 控制端伺服馬達模型 23
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 28
4.1.3 強韌積分控制器 29
4.2 勵磁式同步發電機模型 31
4.2.1 定子方程式 32
4.2.2 轉子方程式 33
4.3 市電併聯及負載箱模型 33
4.4 模擬結果分析 35
4.4.1 勵磁式同步發電機模型驗證 35
4.4.2 啟動切離模擬 37
4.4.3 相位同步模擬 39
4.4.4 功因修正模擬 41
4.4.5 風能力矩變動模擬 43
第五章 系統韌體與週邊電路 45
5.1 微控制器介紹及腳位規劃 45
5.2 系統韌體流程圖 49
5.3 微控制器電路 54
5.3.1 勵磁場電路 57
5.3.2 感測電路 58
5.3.3 馬達驅動電路 60
5.3.4 升壓電路 61
5.4 實驗平台建置 61
5.4.1 勵磁式同步發電機 62
5.4.2 伺服馬達 62
5.4.3 負載箱 64
5.4.4 電池 65
第六章 實驗過程與結果分析 66
6.1 實驗步驟 66
6.2 實驗結果分析 68
6.2.1 啟動切離實驗 68
6.2.2 定電壓及最大功率追蹤實驗 70
6.2.3 同步及功因修正實驗 73
6.2.4 系統參數調整 76
6.2.5 驅動器參數調整 80
6.2.6 實驗總結 84
第七章 結論與未來展望 88
7.1 結論 88
7.2 未來展望 89
參考文獻 90

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