本論文提出一單相獨立型激磁同步風力發電系統，搭配能量流管理策略。在系統中風機、伺服馬達和發電機採用同軸連接的方式，激磁式同步發電機透過伺服馬達控制轉速，使激磁式同步發電機發出的頻率與市電相同，並加入自動電壓調節器控制激磁場上的電流，以實現穩定電壓的目標。當輸入風能小於負載消耗時，根據提出的能量流管理策略，此時伺服馬達會提供一個正向的力矩來補足不夠的能量，同時發電機轉速保持不變，相反，在輸入風能大於負載消耗時，多餘的能量會分流到電池中，這時候伺服馬達只需提供很小的能量來維持系統轉速。藉由模擬和實驗驗證得知，此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 stand-alone wind power generator with power flow management strategy (PFMS) is proposed. In the system, wind power and servo motor power are combined and transmitted to the excitation synchronous generator via a coaxial configuration. The rotor speed of the excitation synchronous generator tracks the utility grid frequency by using servo motor tracking technologies. The automatic voltage regulator (AVR) governs the exciting current of generator to achieve the control goals of stable voltage. While the wind power is less than the needs of the AC loading, the proposed PFMS increases motor torque to provide a positive power outputs for the loads, meanwhile keeps the generator speed in constant. Conversely, during the wind power is greater than the output loads, the redundant generated by the generator is charged to the battery pack so as to maintain the motor speed in constant with very low power consumption. The operation principles with software simulation for the system are described. The experimental results of the laboratory prototype are shown to verify the feasibility and excellent performance of the system.

中文審定書 i
致 謝 ii
中文摘要 iii
英文摘要 iv
目 錄 v
圖 次 viii
表 次 xii
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 風力發電系統架構與原理介紹 4
2.1 前言 4
2.2 風力機原理介紹 4
2.3 風力機與發電機系統種類簡介 6
2.3.1 風力機種類介紹 6
2.3.2 發電機應用於風力發電系統之介紹 8
2.3.3 單相激磁式同步發電機結構與原理分析 11
第三章 單相獨立型激磁式同步風力發電系統架構分析 13
3.1 系統架構介紹 13
3.2 同軸連接架構 13
3.3 伺服馬達數學模型 14
3.4 伺服馬達位置控制架構 18
3.4.1 伺服馬達位置控制架構介紹 18
3.4.2 強韌積分控制器 19
3.5 單相激磁式同步發電機數學模型 21
3.5.1 發電機定子方程式 22
3.5.2 發電機轉子方程式 22
3.6 定電壓控制策略 23
3.7 能量流控制策略 24
第四章 系統MATLAB模擬 27
4.1 前言 27
4.2 輸入端風機變動模擬 27
4.3 控制端馬達穩速模擬 29
4.4 激磁式同步發電機模擬驗證 30
4.5 電池架構模擬 31
4.6 定電壓控制策略架構模擬 32
4.7 能量流控制策略架構模擬 34
4.7.1 輸入端風能以弦波變動之系統響應模擬 34
4.7.2 輸入端風能以步階變動之系統響應模擬 37
第五章 數位訊號處理器 40
5.1 DSP簡介 40
5.2 DSP內部模組介紹 42
5.2.1 ePWM(Enhanced Pulse Width Modulator) 42
5.2.2 eQEP(Enhanced Quadrature Encoder Pulse) 44
5.2.3 PIE(Peripheral Interrupt Expansion) 46
5.2.4 GPIO(General-Purpose Input/Output) 49
5.2.5 ADC(Analog-to-Digital Converter) 51
5.2.6 DAC(Digital-to-Analog Converter) 52
5.3 DSP內部模組應用於本系統之介紹 53
第六章 應用電路實現與系統實驗結果分析 54
6.1 風力發電系統之平台建置 54
6.2 系統應用電路介紹 58
6.2.1 定電壓控制策略電路 58
6.2.2 能量流控制策略電路 60
6.2.3 馬達位置脈波命令電路 64
6.3 實驗步驟 66
6.4 實驗結果 67
第七章 結論與未來展望 80
7.1 結論 80
7.2 未來展望 81
參考文獻 82

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