動機及目的

隨著產業的發展，各種資訊化與自動化的儀器設備均需使用到電 力，使得對於電力的需求與日俱增。電力系統容易遭遇各種天災及人 為疏失等外在因素的影響而產生瞬間電壓變動或電力中斷，造成系統 設備事故。因此，不斷電系統便被廣泛地應用在各種場合之中，用以 解決各種輸入電源異常之問題。

不斷電系統的功用是在電源中斷時可立刻提供電力之重要設 備，可供使用者完成正常關機程式或及時將不斷電系統啟動以代替 市電。除了在停電時產生作用外，在電力品質不佳，比如雜訊干擾、

尖波、電壓壓降、高(低)電壓暫態、電壓突波等等影響設備正常運 轉的環境下，不斷電系統具有自動穩定電壓與過濾雜訊，提供設備 穩定且乾淨之電源的功能。因此，許多要求高品質電源的系統設備，

均會使用不斷電系統解決電源不穩定問題。

另者，由於日漸增加的負載量，儀器設備對電力品質及可靠度的 要求愈來愈嚴格，雖然單機之不斷電系統能提供大容量的供電需求，

但是在製造與安裝上的困難及其所佔的空間與重量相對提高，而且一 旦發生故障，將無其他轉換器提供備用電源，因此多模組不斷電系統 並聯發展勢必取代單機不斷電系統成為未來趨勢。

採用不斷電系統功率轉換器的並聯運轉方式具下列優點：1.可隨 時擴充系統容量，當系統因應負載需求必須擴增容量時只需依照負載 容量並聯適當數目的功率轉換器以符合容量需求即可，而不必重新設 計一組新款功率轉換器；2.提高不斷電系統的可靠度，對一個需要絕 對高度可靠度的電源系統而言，採用並聯模組化之功率轉換器作為電 源設備較為妥當，因每一組功率轉換器在負載中僅承受一部分電流，

相對地降低開關元件之電流應力，因而提高功率轉換器之使用壽命。

此外，當系統中一組功率轉換器損壞時其餘功率轉換器可由控制策略

即時補足負載所需電流，確保系統仍能正常運作；3.考慮成本因素，

一般而言，將數個功率轉換器並聯來達到大容量化，應比單一大容量 功率轉換器成本還低。

本文之並聯方式，主要藉由主-僕式(master-slave)控制法來達成 [1-10]。其中主要由一台直流-交流功率轉換器擔任主(master)轉換器提 供穩定交流電壓源，其餘直流-交流功率轉換器(slave)則可視為一電流 源並藉由負載的管理控制來分攤負載功率。此種電壓源或電流源之功 率轉換器之並聯無需考慮同步操作問題。最近幾年由於微處理機及數 位信號處理器(digital signal processor, DSP)的盛行[11]，可利用全數位 控制來達成並聯以及利用無限獨立負載共用控制達成並聯。而本文採 用可以符合功率轉換器並聯之工具，為德國 Robert Bosch 公司所推出 之區域網路控制通訊匯流排(controller area network, CAN bus)，作為 並聯溝通與控制[12]。

本文並聯系統採用三相直流-交流功率轉換器架構，其並聯電力 電路圖如圖 1-1 所示，圖中第一台直流-交流功率轉換器擔任電壓控制 模式功率轉換器，第二台直流-交流功率轉換器即為電流控制模式功 率轉換器並由功率分配表掌管功率分配來達成並聯，其中採用數位信 號處理器作為控制核心。

1.2 系統架構

本文為二機三相三臂式直流-交流功率轉換器之並聯架構，其整 體系統之電力電路圖如圖 1-1 所示，每個機台皆能獨立運轉，並由 區域網路控制介面作為通訊並聯使用。當市電正常時，三相直流-交流功率轉換器結合虛功與諧波電流運演算法則，完成實功率與虛 功率之直流-交流功率轉換，可對電源側進行虛功補償與功因校正，

並可對蓄電池充電；而當市電故障時，則操作為電壓控制模式，瞬 時提供三相交流電壓，且從並聯供電轉為獨立運轉供電，並採用主-僕式(master-slave)控制法[13-16]，將第一台直流-交流功率轉換器以

電壓控制模式，藉由電壓及電流雙迴路控制法則，提高輸出電壓之 響應速度，無論是負載瞬間變動或是非線性負載，皆能提供三相平 衡且低諧波失真之交流電壓源；第二台直流-交流功率轉換器則以電 流模式控制，依據各種負載狀況，分擔負載電流或提供非基本波之 補償電流，以提高系統容量。

本文系統所具備之功能為：1.於市電中斷時，主功率轉換器操 作為電壓控制模式，僕功率轉換器操作為電流控制模式；2. 於市電 並聯時，主功率轉換器與僕功率轉換器均操作為電流控制模式，可 當做主動式濾波器、補償實功率及虛功率、及對蓄電池充電。

能量管理方面，對於直流鏈電壓與蓄電池儲、釋能之控制 [17-19]，本文採用昇/降壓式直流截波器架構，於市電中斷時，則操 作為昇壓模式，由蓄電池提供直流電源至直流鏈側，以維持穩定輸 出電源，使直流鏈具有快速響應之特性。

圖1-1 三相並聯運轉之整體系統電力電路圖

n

2w

i

2u

i

2v

i

1rc

i i

1sc1tc

i

f

C

1u

i

1v

i

1w

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u

v

v

v

w

v

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v

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w

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1f

L

1r

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1t

T

− 1s

T

− 1r

T

−

1

s

1

t

1

r

dc1

C

1

i

dc1

v

第二台直流-交流功率轉換器

第一台直流-交流功率轉換器 r1

T

+ 1s

T

+ 1t

T

+ 2t

T

− 2s

T

− 2r

T

−r2

T

+ 2s

T

+ 2t

T

+ dc2

C

dc2

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2f

L

+ - +

-1 1

111

1 1

11 2 2

2 22 2

2 22

2

r

2

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2

t

Y-Y 1:2 三相 變壓器 2i

市電

靜態 開關 ea eceb

as

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bs

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Load r Load t

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2rc

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C

2

1 昇/降壓型 直流截波器蓄電 池組 濾波器

負載2u

v

2v

v

2w

v

1u

v

1v

v

1w

v

本文之系統架構方塊圖如圖 1-2 所示，系統之控制核心採用低價 位元、運算速度快且具備強大週邊功能之數位訊號處理器，藉由電壓 及電流偵測電路，回授電壓、電流信號至數位訊號處理器之內建數位 /類比轉換器，以軟體完成電壓、電流閉迴路控制，並利用空間向量 脈波寬度調變法[20-26]，送出脈寬調變信號控制功率電晶體之開關狀 態，達成全數位化之控制。最後，利用控制區域網路匯流排的方式，

達成不斷電系統間之並聯控制。本文之功率電晶體採用絕緣閘雙極性 電晶體(Insulated-Gate Bipolar Transistors, IGBT)，可減少硬體電路體 積。另外，於市電並聯下，利用零點交越偵測電路，產生零點交越信 號，送入數位訊號處理器內計算出電源之同步角位置，可作為同步旋 轉座標系統轉換計算用。

本文之系統輸出為三相三線式 60 Hz、220 V 之交流電壓源，目 前已完成二台不斷電系統並聯控制之雛形。在實測結果方面，三相直 流-交流功率轉換器於 1030W 之三相線性負載下，其負載電壓總諧波 失真率為 1.32%，符合 IEEE Std. 519-1992 規範[27]；於 1030 W 之三 相非線性整流二極體負載下，其負載電壓總諧波失真率為 5.5 %。且 於市電並聯下，可對電感性負載(630 W,640 VAR)進行功因補償，使 市電側獲得近單位功因，亦可對蓄電池充電，使市電中斷時能接替對 負載供電。

1.3 本文主要特色

1. 為了達成不斷電系統之間的並聯如圖 1-3 所示，本文使用德州 儀器公司所生產之控制區域網路控制介面(SN65HVD230Q)作為系統 並聯及傳送接收資料之通信使用，本文已完成控制區域網路控制介 面，作為多機並聯型多功能不斷電系統之架構。本文以控制區域網路 控制介面建構之控制網路，完成二台不斷電系統之並聯，增加其容 量。當主功率轉換器發生故障時，僕功率轉換器能夠及時遞補主功率 轉換器之功能，維持穩定之輸出電壓。

2. 在 三 相 直 流 交 流 功 率 轉 換 器採 用 電 壓 空 間 向 量 脈 寬 調 變 (voltage space vector PWM,VSVPWM 或 SVPWM)技術取代傳統正弦 式脈寬調變技術。電壓空間向量脈波寬度調變控制，具有提高直流鏈

Load tLoad sLoad r

n

繼電 開關

UPS1

UPS2

UPSn

+ B

-v

₁

+ B

-v

₂

+ B

-v

n

三相 市電

e

abc

開關1

開關2

開關

n

負載

圖 1-3 多機並聯型不斷電系統架構之示意圖

1.4 本文大綱

本文共分為五章。第一章為緒論，說明本論文研究動機、背景與 目的。第二章為三相直流-交流功率轉換器之控制，本章首先介紹電 壓空間向量脈波寬度調變之控制，然後分別分析及介紹本文並聯系統 於市電正常與市電中斷時之控制，以及蓄電池之充放電架構與控制，

且將建立電壓控制及電流控制模式功率轉換器之控制方塊圖，以及蓄 電池充放電之控制方塊圖，以作為實作之依據。第三章為二台不斷電 系統之並聯控制，介紹控制區域網路之應用。第四章為實體製作及測 試，說明硬體電路設計、控制軟體流程，並由實測驗證本文之分析結 果。第五章為結論與建議。最後為參考文獻及附錄。

第二章 三相直流-交流功率轉換器之分析及控制

為單一台不斷電系統之電力電路圖，蓄電池經由昇壓-降壓型直流截波器(dc-dc choper)昇壓[14-15]，建立直流鏈電壓，並 利用電壓調節器之閉迴路控制直流鏈電壓，使直流鏈電壓追隨命令

2.2.1 三相直流-交流功率轉換器之電壓控制模式

其中

e

G

1qv、

G

_1dv ：分別為交、直軸之比例-積分電壓調節器

(2-7)中

ω

_o

C v

_{f dL}^e*與−

ω

_o

C v

_{f qL}^e*為濾波電容電流之前饋補償項。“

D

^”為運算

操作(operation)符號。另外，根據(2-4)可令

1

* * * 及(2-12)代入(2-10)整理可得

* *

*

& Load

A /D

Soft -start

*

2.2.2 三相直流-交流功率轉換器之電流控制模式

* *

A/D current

sensor

第三章 儲能系統之分析與控制

3.1 前言

蓄電池為不斷電系統中重要的一環，提供電力中斷時有效之電力 來源，選用之蓄電池種類及其充、放電控制方式，都對不斷電系統的 性能有顯著影響。本章首先介紹蓄電池之充、放電特性，以探討最佳 之充、放電方式；再分析本系統之儲能架構工作原理，搭配蓄電池特 性設計控制器，以提高充、放電效率，並延長蓄電池使用壽命。

3.2 昇/降壓型直流截波器之分析

本文以昇/降壓型直流截波器[14]做為蓄電池與直流鏈之間能量 轉換之路徑，其電力電路如圖 3-1 所示，包含一組功率電晶體對(

T

_B⁺、

T

B⁻)、濾波電感

L 及濾波電容

_B

C 所組成，

_B

R 為由直流側看入系統之

_th 等效組抗，其中濾波電感

L 之內阻很小，可忽略不計。當市電正常

_B 時，截波器操作於降壓(buck)模式，將直流鏈之能量儲存於蓄電池中；

當市電中斷，截波器操作於昇壓(boost)模式由蓄電池提供能量至直流 鏈，以供應線性或非線性負載持續受電。

R

th

T

B⁺

T

B⁻

D

B⁺

D

B⁻

C

dc

v

dc

+

-L

B

C

B

v

B

+

-i

Bd

i

Bc

圖 3-1 昇/降壓型直流截波器電力電路圖

3.2.1 降壓式直流截波器控制分析

當市電正常時，直流截波器操作為降壓模式，如圖 3-2 所示。若 功率電晶體

T

_B⁺保持導通，功率電晶體

T

_B⁻為截止(off)狀態時，此時直

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