第一章 緒論
1.4 本文大綱
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
oC v
f dLe*與−ω
oC v
f qLe*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
BC 所組成，
BR 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
thT
B+T
B−D
B+D
B−C
dcv
dc+
-L
BC
Bv
B+
-i
Bdi
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，此時直流鏈電壓
v
dc與濾波電感L
B及蓄電池形成串接迴路，由於直流鏈電壓1
V
B ：輸出電壓v
B1的平均值T
SW ：T
B+的切換週期+
t
BON ：T
B+每一切換週期的導通時間*
d
B+ ：d
B+* ≡t
BON+ /T
SW為功率電晶體上臂開關T
B+的責任週期 其電感微分方程式為1
B B B Bc
v v L d i
= +
dt
(3-3) 採用電流控制則可再推得* *
1 ( )
B B iBc Bc Bc
v
=v
+G
Di
−i
(3-4) 其上臂開關T
B+之責任週期d
B+*可表示為* 1 *
[ ( )]
B B iBc Bc Bc
dc
d v G i i
v
+ = + D − (3-5)
依據上述推導，可由(3-2)得知控制功率電晶體上臂開關
T
B+的責 任週期d
B+*，即可以控制蓄電池之端電壓，其責任週期d
B+*值介於 0 到 1 之間，以達到蓄電池之儲能控制。根據上述(3-2)及(3-5)可建構出降壓式直流截波器開關控制迴 路，且由第 3.2 節分析可知，二段式定電流-定電壓充電為最佳之充 電方式，因此當蓄電池電壓未達汽化電壓時，將開關
S
10切至 0，直接 設定充電電流命令i
Bc* ，使充電電流命令i
*Bc與實際回授電流i
Bc相減產 生電流誤差量，經比例-積分電流調節器G
iBc得到補償量U
*B1，以達到 定電流充電控制，縮短充電時間。當蓄電池電壓達到浮充電壓時，改 採用定電壓方式充電，利用外部電壓控制迴圈，設定蓄電池電壓命令*
V
B與實際回授之蓄電池電壓v
B相減，經比例-積分電壓調節器G
vB， 得到充電電流命令i
Bc* ，其二段式定電流-定電壓控制方塊圖如圖 3-4 所示。
- voltage limiter regulator current regulator
DC-DC buck/boost
chopper
A/D
time
依據上述推導，由(3-7)可知控制功率電晶體下臂開關
T
B−的責任chopper
A/D
第四章 功率分配及補償
上式中
ω
e為市電並聯(grid-connected operation)下市電側電源之角頻 率，V 為市電相電壓之峰值。
ml而負載之輸入實功率(
p
L)及虛功率(q
L)的瞬時值在三相座標系 統下可表示為[13]' ' '
e
low-pass filter
+
-low-pass
filter -+
功率為
流鏈電壓與電流濾波；在直流側則並接一直流電容(
C
dc)做為直流穩2 2 2
其中
率電晶體之切換週期而達到電流控制目的。
鏈電容所儲存之電能，則直流鏈電壓將會開始下降，而降低提供給交 (4-16b)及(4-17b)修正為
*' * *
A/D current sensor
A/D current sensor
A/D voltage
sensor
由圖 4-4 中可知，經由回授之負載端電流
i
u'、i
v' ，並透過功率補 償單元(power compensation set)，依據負載情況進行即時補償，且於 直軸電流命令加入功率平衡控制，其中i
qf ae*− 、i
df ae*− 分別為功率補償設定 所計算出之交、直軸電流命令，並藉由比例-積分控制器的調節，使 實際電流追隨命令電流，並利用改變開關切換狀態，以達到三相功率 補償器之功率補償與消除市電側諧波的功能。4.4 結語
本章推導了三相功率補償器之數學模式，以及在同步旋轉座標下 的交、直軸控制方塊圖，並利用負載瞬時功率之計算與分析，決定功 率補償器之交、直軸電流命令，以抵消負載側所產生的諧波電流與虛 功量，使電源側具有單位功因與降低電流諧波失真。本文所採用之同 步旋轉座標控制法具有暫態響應快速且無穩態誤差等優點，之後並依 此控制策略作為計算機模擬與實體製作之程式撰寫的依據。
第五章 通信介面及三相不斷電系統並聯
5.1 前言
控制區域網路，本文簡稱為CAN。CAN係於1986年由德國Robert Bosch公司所推出
。
早期CAN通信介面主要設計於汽車電子的應用 上，因為CAN更能有效提高配線的效率，大幅減少連接電線的使用 量，並且減少線路連接不良的問題，對於已蓬勃發展的車用電子，CAN通信介面之配線系統有不可或缺的地位。目前廣泛的工業控制網 路常常可見到CAN的應用，由於CAN採用分散式控制，提高了系統 擴展的彈性及可靠度，也可降低整體成本。
本文將以CAN通訊介面用於各三相不斷電系統間之資料傳輸及 控制。於二個數位信號處理器中均加入CAN通信介面，作傳送及接收 的並聯控制及運轉決策使用。
5.2 數位訊號處理器之CAN簡介
CAN是以資訊為基礎的通訊方式而非傳統以位址為基礎的通訊 方式。故所有節點可接收資料，且節點在接收到正確的資料封包後會 回送確認位元(acknowledgment bit, ACK bit)，CAN硬體會自動回應給 傳送端，每個接收節點會依照軟體設定之遮罩器和濾波器判斷是否將 資料接收至節點的接收暫存器中[39-42]。
CAN的主要特點為匯流排上任一節點，可在任意時刻主動向網路 上其他節點發送訊息，而不分主從，也就是說每個節點都可以當作主 控制器。且CAN具有多主站(mult-master points)、點對點、一點對多 點及全區廣播傳送及接收資料功能。當匯流排上有二個以上的節點同 時向網路要求發送訊號時，識別碼(identifier, ID)優先權較高之節點可 不受其他較低節點之影響而持續傳送資料，ID優先權較低之節點會主 動停止傳送訊號，可有效地避免匯流排上的衝突。
本文採用之德州儀器公司所生產的控制區域網路通訊介面(CAN) 為16位元模組且具有下列特性：
1. 完全符合德國Robert Bosch所制定CAN2.0的協定，其傳輸僅 用二條雙絞線(Data+及Data-)以差動信號來傳輸資料。
2. 內部有六個郵遞箱，每個郵遞箱可設定1~8位元組(byte)的資 料長度：
二個固定為接收郵遞箱(MBOX0、1)，二個固定為傳送郵遞箱 (MBOX4 、 5) ， 二 個 可 彈 性 設 定 為 接 收 或 傳 送 之 郵 遞 箱 (MBOX2、3)。
3. 訊息的辨識碼功能可有效降低判斷時間，因CAN在辨識區段 上具有位元裁定能力。
4. 標準容許之最大傳輸速度高達每秒一百萬位元(million bit per second, Mbps)。
5. 具有極低之資料傳輸錯誤率，故可靠性大為提高。
6. 可偵測線路故障(短路、斷路)。
7. 自我測試模式：
(1) CAN 週 邊 可 以 運 作 於 自 我 回 接 的 檢 測 模 式 (loopback mode)。
(2) 接收其本身所傳出的訊息並自動產生告知(acknowledge) 訊號的自我測試。
8. 資料訊息具有優先權(priority)。
9. 非破壞性的優先權仲裁(arbitration)。
10. 採用廣播的方式(multicast)，並藉所傳輸的訊息作時序同步的 動作。
11. 任一節點皆可主動發送訊息(multimaster)。
12. 未傳送成功的訊息會自動重新傳送。
5.3 CAN之通信協定
CAN是一種分散式即時控制的序列傳輸通訊協定[42-43]，具有高 安全性，通訊速度最高可達1Mbps/40m，最大節點數可達110個，而 且符合國際標準組織(ISO)11898的規範，其定義了開放式系統參考互 連模式(open system interconnection reference model, OSI)，將通訊所需 的軟硬體結構依功能區分為七層，依序為實體層(physical layer)、資 料連結層(data link layer)、網路層(network layer)、傳輸層(transfer layer)、會議層(session layer)、表示層(presentation layer)及應用層 (application layer)，如表5-1所示，用以說明通用網路的所有協定及各 協定之間的關係。
一般工業現場控制存在大量的感測器(sensor)、控制器以及致動 器，單個節點需要控制的訊息量不大，任務較不複雜，但即時性及快 速性的要求較高，因此為了滿足此要求，大多數的工業控制網路僅採 用開放式系統參考互連模式中較重要的三個層次使用，即第一層(實 體層)、第二層(資料連結層)以及第七層(應用層)[45]。
由於本文之系統架構並無工業控制系統之規模，但本文使用之感 測器及控制器亦多，故本文同樣使用上述三層(實體層、資料連結層 及應用層)作為本文通信使用。
表5-1 開放式系統參考互連模式層級表[46]
層次 OSI
開放式系統參考互連模式 目的 主要特徵
7
應用層 規範高階物件介面特性 應用相容性6
表示層 規範資料格式的轉換 數據解譯5
會議層 規範要求、指示、回應、確認
遠程作用 (需求/反應 證實)
4
傳輸層 規範封包組合及檢查/再發送 點對點通訊可靠性
3
網路層 規範路徑 目的地編址2
資料連結層 規範媒介存取方式及優先權 媒介存取及封包架框
1
實體層 規範傳輸媒介 支援不同的傳輸媒介而資料鏈結層與實體層之工作內容如下[44-46]：
(1) 資料鏈結層，其下分為二個子層：
a.邏輯鏈結控制(logical link control，LLC)子層：定義資料 傳輸和遠端資料要求的服務，並決定接收那一個訊號。
b.媒體存取(medium access control, MAC)子層：實現傳輸通 訊協定，包括控制傳輸資料的架構、執行仲裁、錯誤檢查、
錯誤處理及錯誤的限制。
(2) 實體層：定義如何將每個位元逐一送出，並
且處理傳輸同步、字元編碼及字元傳輸時間等事件。
且處理傳輸同步、字元編碼及字元傳輸時間等事件。