第五章 混合式虛功補償器
5.3 混合式虛功補償器硬體架構
三相混合式虛功補償器之硬體架構由一被動式虛功補償和一固態虛功補償器 兩者相互串聯而成，如圖5-1所示，其被動式虛功補償器即為一交流電力電容器，
而固態虛功償器部份則由一電力轉換器、一直流儲能電容器、一高頻漣波濾波器 及一數位控制器組合而成，其直流電容器扮演著能量緩衝器的角色，並且提供一 個直流電壓使電力轉換器能夠正常的運作。電力轉換器為一個三臂橋式架構且每 一臂都包含了一對電力電子元件。每一個電力電子元件是由一個可控的電力電子 開關(像是IGBT、POWER MOSFET)和一個二極體所組成。高頻漣波濾波器由一個電 感與一電容電阻組組成之低通濾波器，其功能是為了濾除電力轉換器切換時所產 生之漣波電流。數位控制器則產生一連串的驅動信號來控制電力轉換器上的電力 電子開關六個控制接腳─R、S、T、X、Y、Z。
圖5-1 混動式虛功補償器主電力電路架構 5.4 混合式虛功補償器之控制方法
本章所提出之混合式虛功補償器採電壓控制式。圖5-2為本章所發展之混合式 虛功補償器之控制方塊圖，其主要包含有虛功調整迴路、穩壓迴路以及虛擬諧波 阻抗迴路。
圖5-2中第一控制信號S1是用來完成虛功調整之功能，由5.1節之分析得知要調
節混合式虛功補償器產生之虛功，電力轉換器必須產生一與市電電壓同相位之基 本波電壓，因此該第一控制信號S1必須為與市電電壓同相位之基本波信號，而電源 系統電壓經由鎖相程式取得同步於電源系統電壓之正弦信號並送到一相移電路取 得同步於電源系統之餘弦信號，將負載電流與同步於電源系統之餘弦信號送入虛 功計算電路計算出該固態虛功補償器所需補償之虛功量，再將虛功計算電路之輸 出及電源電壓基本波成份送到一乘法器相乘可得到第一控制信號S1。
圖 5-2 中第二控制信號 S2主要用來作固態虛功補償器直流側儲能電容之穩壓 用。由於該固態虛功補償器操作成虛擬諧波阻尼及本身之功率損耗，所以該固態 虛功補償器之直流側儲能電容上之電壓將會變動，為了維持該固態虛功補償器正 常操作，其直流側電壓必須維持一穩定值，因此該固態虛功補償器必須從電源系 統吸收或送回實功，亦即必須產生具有與混合式虛功補償器電流同相位之基本波 電壓，而混合式虛功補償器電流超前電源電壓 90o，因此該第二控制信號 S２必須超 前電源電壓 90o之基本波信號。固態虛功補償器之直流側電壓經檢出後與其設定電 壓 VREF送到一減法器相減，相減結果送到－PI 控制器，PI 控制器輸出與相移電路 輸出之同步於電源系統之餘弦信號信號送到一乘法器相乘，即可得到第二控制信 號 S2。
圖 5-2 中第三控制信號 S3主要是將電力轉換器虛擬成諧波阻抗。將混合式虛 功補償器電流經由帶通濾波器配合一減法器取出其諧波成份，即可得到第三控制 信號 S3。
將控制信號 S1、S2及 S3 送到一加法器相加可得到電壓調變信號，再將其調變 信號送至脈寬調變模組及驅動電路以產生電力轉換器內電力電子開關之驅動信 號。
5.5 實測結果
為了驗証本章所提混合式虛功補償器之功能，本章將建立一數位信號虛理器控 制之三相混合式虛功補償器之硬體雛型，其主要參數如表5.1所示。
表5.1 硬體雛型之主要參數 市電電壓 220V, 60Hz
直流匯流排電壓 300V 高頻漣波濾波器 R=3
C=6uF L=360uH 切換頻率 20kHz 直流側儲能電容 4900uF 交流電力電容器 180uF
圖5-3所示為混合式虛功補償器之實測結果，包含Ｒ相電源壓與三相補償電 流，由圖中可看出混合式虛功補償器提供之三相輸出電流皆為正弦波，且Ｒ相輸 出電流與Ｒ相市電電壓相差將近90o，因此證明混合式虛功補償器能產生一虛功弦 波之補償電流。
圖5-3 混合式虛功補償器之實測結果，(a)Ｒ相之相電壓，(b) 電力轉換器Ｒ 相輸出電流，(c) 電力轉換器S相輸出電流，(d)電力轉換器T相輸出電流。
圖5-4所示為Ｒ相補償電流之頻譜，由圖中可知虛功補償裝置之電流近乎正弦 波其 THD 僅為2.2%，因此可避免該虛功補償裝置產生諧波污染或諧波放大的問 題。
圖5-4 Ｒ相補償電流頻譜
圖5-5所示為混合式虛功補償器R相之補償結果。由圖中可看出負載電流落後 電源電壓，而補償後市電電壓與市電電流幾乎同相位，即經補償後輸入功因可維 持在單位功因，可驗証混合式虛功補償器具有良好的補償效果。
圖5-6、5-7分別為混合式虛功補償器加、去載暫態之實測結果。由圖中可看 出不論加、去載其暫態響應時間均很短，因此本論文所提混合式虛功補償器之暫 態響應良好。
圖5-6 混合式虛功補償器加載暫態，(a)Ｒ相之相電壓，(b) Ｒ相市電電流，(c) R相混合式虛功補償器輸出電流，(d) Ｒ相負載電流。
圖5-7 混合式虛功補償器去載暫態，(a)Ｒ相之相電壓，(b) Ｒ相市電電流，(c) R相混合式虛功補償器輸出電流，(d) Ｒ相負載電流。
圖5-8所示為混合式虛功補償器啟動及關閉時之系統虛功變化實測結果，系統 中負載為3.67KVAR之落後虛功，當混合式虛功補償器啟動後系統之虛功量立即降 至0KVAR，且功因亦由最低的0.64立即升至1.00；而在混合式虛功補償器關閉之 後，系統之虛功量又回升至原來的3.67KVAR，且功因又降至0.64，因此證明本論 文所提之混合式虛功補償器能快速且準確的補償負載所需之虛功量，而使系統功 因達到單位功因。
圖5-8 系統匯流排上之VAR及DPF之變化量。
近年來配電系統之非線性負載的使用愈來愈頻繁，因此配電系統常常受諧波 污染而失真，因此以下即針對電源電壓失真下作測試，圖5-9及5-10所示為實驗之 失真市電電壓及其頻譜，由圖5-10中可發現此時市電電壓之THD為10.9%。
圖5-9 電源電壓波形失真下之R相電壓。
圖5-10 電源電壓波形失真下之R相頻譜及THD。
圖5-11所示為使用傳統交流電力電容器在此失真電壓下之實測結果，由圖中 可發現交流電力電容器之電流將因電壓失真而產生大量諧波，而圖5-12所示為交 流電力電容器電流之頻譜圖，由圖中可看出交流電力電容器電流之THD為36.4%，
這意謂著在諧波汙染的配電系統中利用電力電容器來作虛功補償將使得電力電容 器之諧波電流大增而失去補償效果，且電力電容器諧波電流變大將使得其電流之 有效值變大，而可能造成電力電容器之損壞。
圖5-11 電源電壓波形失真下，(a)Ｒ相之相電壓，使用傳統交流電力電容器之(b) Ｒ相輸出電流，(c)Ｓ相輸出電流，(d)T相輸出電流。
圖5-12 使用傳統交流電力電容在畸變電壓下之R相頻譜及THD。
圖5-13 電源電壓波形失真下之本章所發展之混合式虛功補償器之實測結果，(a) Ｒ相之相電壓，(b)電力轉換器Ｒ相輸出電流，(c)電力轉換器S相輸出電流，(d)
電力轉換器T相輸出電流。
圖5-14 本論文所發展之混合式在畸變電壓下之交流電力電容器R相頻譜及THD。
本章利用數位信號處理器來實現一混合式虛功補償裝置，經過實測証明本章所 發展之混合式虛功補償器其提供之虛功量可以依負載變動而線性調整，使輸入功 因維持在單位功因，且該虛功補償器之補償電流為一近乎正弦波，可避免該裝置 對電源系統產生諧波破壞，因此不會有交流電力電容器諧振破壞的問題。
圖5-15 混合式虛功補償器實體照片
第六章 三相兩臂橋式混合式虛功補償器
術控制，每一臂電力電子開關切換直流電容器電壓均會產生一輸出電壓，因
圖6-2 三相兩臂橋式混合式虛功補償器之三相等效直流電路
圖6-3所示為三相兩臂橋式混合虛功補償器在基頻下之三相等效電路，
圖中包含兩組電源，一組為市電電壓源，而另一組為電能轉換器產生之電 壓，由式(6.3)及式(6.4)中可得知電能轉換器將會產生兩個正比於調變信號之 基頻電壓vcona1(t)及vconb1(t)。
圖6-3 三相兩臂橋式混合式虛功補償器之三相等效基頻電路
為了得到平衡三相補償電流，交流電容器組上的基頻電壓亦必須為平 衡，圖6-3中可利用重疊定理分別計算出兩組電源在交流電容器組上的基頻 電壓，考慮市電電壓時電能轉換器電壓予以短路，假設市電電壓如式(6.1) 所示為三相平衡電壓源，由電路中可發現交流電容器上的電壓即為市電電 壓；而考慮電能轉換器電壓時則將市電電壓予以短路，由於電能轉換器只 產生兩個基頻電壓，為了在交流電容器組上得到平衡基頻電壓，因此必須 藉由對稱分量來求出電能轉換器所必須產生之電壓。由圖6-3中我們可推得 電能轉換器電壓所造成在交流電容器組上的三個基頻電壓(Vpa1,c,Vpb1,c,Vpc1,c)
分別為:
conb aV
V =− （6.14）
3
圖6-4 三相兩臂橋式混合式虛功補償器之諧波等效電路 6.3 三相兩臂橋式混合式虛功補償器之硬體架構
三相兩臂橋式混合式虛功補償器由一被動式虛功補償器和一固態虛功補償器 兩者相互串聯而成，如圖 6-5 所示，其中被動式虛功補償器即為一交流電力電容器
，而固態虛功補償器部份則由一電力轉換器、一直流儲能電容器、一高頻漣波濾 波器及一數位控制器組合而成。
其直流電容器扮演著能量緩衝器的角色，並且提供一個直流電壓使電力轉換 器能夠正常的運作。電力轉換器為一個三相兩臂橋式架構，且兩臂中每一臂都包 含了一對電力電子元件。每一個電力電子元件是由一個可控的交換式開關(像是 IGBT、POWER MOSFET)和一個二極體所組成，而剩下之一臂則可以不經過任何電力
其直流電容器扮演著能量緩衝器的角色，並且提供一個直流電壓使電力轉換 器能夠正常的運作。電力轉換器為一個三相兩臂橋式架構，且兩臂中每一臂都包 含了一對電力電子元件。每一個電力電子元件是由一個可控的交換式開關(像是 IGBT、POWER MOSFET)和一個二極體所組成，而剩下之一臂則可以不經過任何電力