TW201310884A - 具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統，係包括二數位訊號處理器、二迴授電路模組、二驅動電路、二換流器與二濾波電路；令數位訊號處理器取得電流訊號與電壓訊號經迴授電路模組迴授控制補償，並利用迴授電路模組中之零點偵測電路做為與市電併聯電壓基礎，且輸出脈波寬度調變錯開一個角度的控制訊號至驅動電路，以交錯的方式驅動二換流器，使二換流器的輸出電流波形完全錯開180度，故在二換流器並聯之後電流漣波的部分將會抵消，達到減少換流器輸出之電流漣波的目的。

Description

具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統

　　本發明係有關於一種具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統，尤其是指一種以相位交錯式並聯換流器方式將脈波寬度調變錯開一個角度以抵消電流漣波，藉以達到減少換流器輸出之電流漣波，並有效降低切換頻率過高對整個電力系統造成電磁波干擾(EMI)之影響者。

　　按，獨立供電系統主要應用於離島、山區等市電無法供給或用電需求量較少的地區。此一系統通常需要裝設蓄電池，系統直流電源供電給負載並向蓄電池充電，至夜間時由蓄電池供電給負載，以達到獨立供電目的。

　　此系統優點為獨立發電，不影響其他系統；缺點為需要大容量蓄電池持續供電，故整體系統所佔空間龐大與建構成本昂貴。

　　市電併聯型供電系統，即為直流電源及市電共同供給負載電力之系統。當換流器輸入功率大於負載所需時，系統會將多餘之功率饋入市電，且系統須達到單位功因之最佳併聯效率。當換流器輸入的功率不足以供給負載使用時，則由市電來提供不足之電力給負載。

　　現有用於市電併聯型供電系統分成三種形式，分別為依架構形式、變壓器隔離方法與裝置容量。其中：

　　依架構形式區分市電併聯型系統，主要可分為單級式與兩級式。單級式系統通常轉換效率較兩級式高。也因是單級轉換器，除了必須保有換流器的基本功能外，也須同時執行直流電充放電與市電併聯控制，因此單級性控制策略上會複雜許多。兩級式因為比單級式多了一級，故效率方面通常會比單級式低。此架構前級主要功能為提升輸出電壓與直流電充放電，後級換流器只需負責市電併聯功能。兩級式較單級式的優點為控制策略較簡單，控制器運算量較低，選用較低階的控制器完成。

　　依變壓器隔離形式區分市電併聯型系統，可分為無變壓器與有變壓器隔離之設計。無變壓器隔離型式因為少了一級變壓器的損失，故整體轉換效率較高、因此系統成本也相對較低。有變壓器隔離型式換流器輸出端以變壓器隔離，其低頻變壓器體積較大、重量重，系統成本也相對提高，但能確保隔離地、保護維修人員的安全。

　　若以裝置容量形式區分市電併聯型系統，可分為集中式換流器(Central-inverter)、多組串列模組式換流器(Multi-string-inverter)與模組式換流器(Module-inverter)。5k W以上大型系統稱為集中式換流器，系統成本較低但效率較高。串列模組式應用範圍為500W～5kW之間，模組式換流器系統容量大多於500 W以下，因其架構為每一模組都裝設個別之轉換器，輸出端直接與市電併聯。也因為以相同瓦特數下須使用更多的元件與控制器，所以成本相較於集中式提高許多。

　　為了讓換流器並聯系統運轉更加穩定，有許多文獻已經提出相關換流器並聯運轉的方式，其中包括電感直接耦合、瞬時電流控制、N+1餘裕控制、結合電壓控制與電流控制法、集中式控制法、主僕控制法與分散邏輯控制法。

　　電感直接耦合方式，當電感兩端電壓或相位差出現循環電流時。電感則可作為導體，使換流器不會因循環電流過大而損壞，其優點為較具彈性且成本低，缺點則是模組換流器間具差異，故無法掌握其特性。

　　瞬時電流控制法操作於不同容量的換流器時，會有超載或是欠載之情形。因此僅適用於相同容量的換流器並聯運轉，N+1餘裕控制法，則是利用多一台換流器並聯於系統上，以增加系統的穩定度。

　　而結合電壓控制與電流控制法，是利用電壓源當成電壓參考。所有加入並聯運轉的換流器之輸出電壓皆跟隨電壓源換流器，電流分配部份則由負載電流分配中心完成，將負載電流平分給其他換流器。故較不會有相位差異，由於需要有電流負載分配中心均分配負載電流，故成本較高。

　　集中控制法可分成兩種：(1)直接集中式控制法(2)間接集中控制法；並聯控制單元統一送出同步訊號至換流器，且電壓相位與輸出頻率之同步訊號同步，使各換流器之間電流精準分配，缺點為：若集中控制系統故障時，會使整個系統崩潰。

　　至於主僕控制法，其能克服集中控制單元的缺點，透過開關或軟體自動設定，其中一組換流器當主模組(Master module)，產生分流控制訊號修正之電壓調整訊號，以同時調整電壓及控制分流。

　　本發明之主要目的，係提供一種具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統，其能減少換流器輸出之電流漣波，並有效降低切換頻率過高對整個電力系統造成電磁波干擾(EMI)之影響，以提供良好的電力品質輸出。

　　本發明之主要目的是由以下之技術所實現：

　　一種具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統，係包括二數位訊號處理器、二迴授電路模組、二驅動電路、二換流器與二濾波電路；令數位訊號處理器取得經迴授電路模組迴授控制補償之電流訊號與電壓訊號，並利用迴授電路模組中之零點偵測電路做為與市電併聯電壓基礎，且輸出經脈波寬度調變且錯開一個角度的控制訊號至驅動電路，以利用外部中斷的方式達成二換流器同步輸出，且使二換流器的輸出電流波形完全錯開180度，當二換流器並聯之後電流漣波的部分將會抵消，達到減少換流器輸出之電流漣波的目的。

　　本發明之具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統具有如下所列之優點：

(1)實現交錯相位移方式，讓換流器同步運轉併聯市電的目的，同步訊號由其一數位訊號處理器統一送出，解決換流器輸出電壓與相位同步的問題。

(2)迴授電路模組中使用電壓迴授電路與電流迴授電路，能有效準確控制輸出功率。

(3)大幅有效減少濾波電容與濾波電感花費成本、降低切換頻率對電力系統電磁汙染。

(4)相對並聯模組輸出功率達成分散電力系統負擔，降低諧波對變壓器所產生的影響，且可降低換流器市電併聯時輸出之電流漣波。

　　為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

　　請參第一圖，本發明之具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統，係包括有：二數位訊號處理器（１）、二迴授電路模組（２）、二驅動電路（３）、二全橋換流器（４）與二濾波電路（５）；其中：

　　二數位訊號處理器（１）的輸出端各自分別連接一驅動電路（３），該二驅動電路（３）再分別各自與一全橋換流器（４）連接，而二全橋換流器（４）的輸出端各自分別連接一濾波電路（５）後再共同併接至負載（６）與市電（７），而市電（７）之電壓訊號、電流訊號及相位訊號再迴授至二迴授電路模組（２），二迴授電路模組（２）各包含有一ＰＬＬ鎖相電路（２１）、電壓迴授電路（２２）、電流迴授電路（２３），且二迴授電路模組（２）的ＰＬＬ鎖相電路（２１）、電壓迴授電路（２２）、電流迴授電路（２３）各分別與二數位訊號處理器（１）連接；又將其一數位訊號處理器（１）的時序計數器【圖中未表示】正緣輸出端連接至其本身觸發端，而將負緣輸出端連接至另一數位訊號處理器（１）的負緣觸發端，藉此使二數位信號處理器（１）達成同步運作之目的；其中，該數位訊號處理器係採用TMS302F2812。

　　數位訊號處理器（１）取得經迴授電路模組（２）之電壓迴授電路（２２）與電流迴授電路（２３）迴授控制補償之電流訊號與電壓訊號後，由於全橋換流器（４）與市電（７）併聯之前，必須確定全橋換流器（４）的輸出是否與市電（７）同相位，才能將全橋換流器（４）輸出電壓與市電（７）同時運轉，作為輸出電流的參考值投入時機，讓市電（７）與電流同相位，使得電流與電壓單位實功率輸出；故利用ＰＬＬ鎖相電路（２１）偵測市電（７）零交越點並將訊號送入數位訊號處理器（１），使數位訊號處理器（１）依據迴授之電流訊號、電壓訊號及零交越點進行運算處理，且輸出脈波寬度調變錯開一個角度的控制訊號至驅動電路（３），實現以交錯的方式驅動二全橋換流器（４），使二全橋換流器（４）的輸出電流波形完全錯開180度，接著以濾波電路（５）濾除全橋換流器（４）輸出電流的高頻諧波成分，當二全橋換流器（４）並聯之後，其電流漣波的部分將會抵消，達到減少全橋換流器（４）輸出之電流漣波的目的【請一併參第二圖】。

＜實施例＞

　　以下將以實驗波形驗證本發明之市電併聯系統的可行性。其中，驗證系統整體架構如第三圖所示，系統分成單一模組換流器市電併聯輸出及雙模組換流器同步並聯市電併聯輸出、雙模組換流器相位交錯同步並聯市電併聯輸出。

【單一模組換流器市電併聯輸出】

　　系統以單一模組市電併聯時，為了使電流與電壓同相位，如第四圖為系統一開始與市電併聯，由於市電本身具有諧波成份波形失真，電壓相位有差異導致輸出的電流落後電壓相位。換流器輸出電流命令歸零電流大約0.4 A，如第五圖所示。經由比例控制電流修正輸出；下達電流命令1.0 A，如第六圖所示。下達電流命令1.5 A，如第七圖所示。

【雙模組換流器同步並聯市電併聯輸出】

　　此係以兩個模組換流器相互並聯，並以同步換流器輸出，而併聯市電前須注意兩個換流器輸出交流電壓與市電系統電壓相同頻率與相位，並進行電流控制以確保輸出電流近似弦波饋入市電網路。

　　由於試驗電路與市電併聯，所以換流器輸出電壓已被市電電壓鎖住於110V，主要透過電流控制換流器輸出電流追隨市電相位，輸出交流電流與電壓同相後即可輸出實功給市電系統。

　　第八圖為雙模組換流器同步初步併聯電力網路電流輸出波形，TPV1為市電波形。TPC1為換流器一電感電流。TPC2為換流器二電感電流。TPC3為相互並聯最後輸出至市電。由於電流漣波相對增大，由圖中可以觀察出市電波形受到影響。

　　第九圖為雙模組換流器同步併聯電力網路電流輸出波形，TPV1為市電波形。TPC1為換流器一下達0.3 A電流命令。TPC2為換流器二下達0.2 A電流命令。TPC3為相互並聯最後輸出至市電波形總輸出0.5A。

　　第十圖為雙模組換流器同步併聯電力網路電流輸出波形，TPV1為市電波形。TPC1為換流器一下達1.5 A電流命令。TPC2為換流器二下達1.5 A電流命令。TPC3為相互並聯最後輸出至市電波形總輸出3 A。

【雙模組換流器相位交錯同步並聯市電併聯輸出】

　　第十一圖為雙模組換流器交錯式相位移併聯電力網路初步電流輸出波形，TPV1為市電波形。TPC1為換流器一電感電流波形。TPC2為換流器二電感電流。TPC3為相互並聯最後輸出至市電波形。市電端所受換流器諧波影響也明顯減少，由圖中TPV1波形觀察明顯未受到影響。

　　第十二圖為雙模組換流器交錯式相位移併聯電力網路電流輸出波形，TPV1為市電波形。TPC1為換流器一下達0.3 A電流命令。TPC2為換流器二下達0.2 A電流命令。TPC3為相互並聯最後輸出至市電波形總輸出0.5 A。

　　第十三圖為雙模組換流器交錯式相位移併聯電力網路電流輸出波形，TPV1為市電波形。TPC1為換流器一下達1.5 A電流命令。TPC2為換流器二下達1.5 A電流命令。TPC3為相互並聯最後輸出至市電波形總輸出3 A。市電端所受換流器諧波影響也明顯減少，由圖中TPV1波形觀察明顯未受到影響。

　　接著針對上述三種狀態進行電流漣波比較。第十四圖為單一換流器連結電力系統電流波形，TPC1為單一換流器輸出電感電流，TPC3為市電端的輸出1.5 A電流。第十五圖為外部中斷同步輸出連結電力系統電流波形，TPC1為模組一換流器一輸出電感電流，TPC2為模組二換流器二輸出電感電流，TPC3並聯之後輸出至市電3.0 A電流波形。第十六圖為外部中斷交錯式相位移輸出連結電力系統電流波形，TPC1為模組一換流器一輸出電感電流，TPC2為模組二換流器二輸出電感電流，TPC3並聯之後輸出至市電3.0 A電流波形。

　　經由以上的市電併聯模式的由實驗結果，可知換流器透過電流控制策略與交錯相位移式換流器並聯，模組間錯開角度使得輸出電流相互抵消，相對的同樣的容量輸出，擁有較好的電力品質輸出，並能降低諧波失真電流之弦波饋入市電。

　　以上所舉者僅係本發明之部份實施例，並非用以限制本發明，致依本發明之創意精神及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本專利範圍之內。

　　綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體技術手段，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

(1)．．．數位訊號處理器

(2)．．．迴授電路模組

(21)．．．PLL鎖相電路

(22)．．．電壓迴授電路

(23)．．．電流迴授電路

(3)．．．驅動電路

(4)．．．全橋換流器

(5)．．．濾波電路

(6)．．．負載

(7)．．．市電

第一圖：本發明整體硬體架構

第二圖：相位交錯與功率晶體開關之切換時序圖

第三圖：系統整體架構圖

第四圖：換流器輸出連結上電力系統

第五圖：換流器輸出電流歸零0.4 A

第六圖：單一換流器輸出電流1 A

第七圖：單一換流器輸出電流1.5 A

第八圖：雙模組換流器同步輸出初步併聯電力網路電流輸出波形

第九圖：雙模組換流器同步併聯電力網路電流輸出0.5 A波形

第十圖：雙模組換流器同步併聯電力網路電流輸出3 A波形

第十一圖：雙模組換流器交錯式相位移初步併聯電力網路電流輸出波形

第十二圖：雙模組換流器交錯式相位移併聯電力網路總電流輸出0.5 A波形

第十三圖：雙模組換流器交錯式相位移併聯電力網路總電流輸出3 A波形

第十四圖：單一換流器連結電力系統電流波形

第十五圖：模組一與模組二同步輸出換流器連結電力系統電流波形

第十六圖：模組一與模組二交錯式換流器連結電力系統輸出電流波形

(1)．．．數位訊號處理器

(2)．．．迴授電路模組

(21)．．．PLL鎖相電路

(22)．．．電壓迴授電路

(23)．．．電流迴授電路

(3)．．．驅動電路

(4)．．．全橋換流器

(5)．．．濾波電路

(6)．．．負載

(7)．．．市電

Claims (3)

1. 一種具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統，係包括二數位訊號處理器、二各自分別連接該二數位訊號處理器的迴授電路模組、二各自分別與該二數位訊號處理器連接的驅動電路、二各自分別與該二驅動電路連接的全橋換流器，以及分別連接二全橋換流器的二濾波電路，二濾波電路的輸出再共同併接至市電；將其一數位訊號處理器的時序計數器正緣輸出端連接至其本身觸發端，而將負緣輸出端連接至另一數位訊號處理器的負緣觸發端；令數位訊號處理器取得經迴授電路模組迴授控制補償之電流訊號與電壓訊號，迴授電路模組進一步在零交越時機使電流訊號與電壓訊號相位同步，該數位訊號處理器輸出脈波寬度調變錯開一個角度的控制訊號至驅動電路，以交錯的方式驅動二全橋換流器，使二全橋換流器的輸出電流波形完全錯開180度，當二全橋換流器並聯之後電流漣波的部分將會抵消。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統，其中，該迴授電路模組包含有一ＰＬＬ鎖相電路、電壓迴授電路、電流迴授電路。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具相位交錯並聯換流器之市電併聯供電系統，其中，該數位訊號處理器係採用TMS302F2812。