第三章 數位控制器
3.7 數位帶通濾波器
圖3-10 數位帶通濾波器
3.9 主程式
在完成數位信號處理器之初始設定以及積分器、低通濾波器、帶通濾波器、
鎖相、鎖頻及虛功計算程式之後，即可將程式之主程式流程規劃如圖 3-12 所示。
再進行鎖相、鎖頻程式使數位控制器得以與市電系統同步。當數位控制器之開關 啟動後，即開始「固態式、混合式虛功補償器」之計算補償程式，再將其計算結 果送至脈寬調變模組之暫存器以自動產生脈寬調變信號，再返回等待中斷之無限 迴圈，週而復始。而「主動式虛功補償器」及「混合式虛功補償器」之控制方塊 圖在後面章節將有更詳細之說明。
第四章 固態虛功補償器
圖4-2 相量圖 4.2 固態虛功補償器之主電力架構
本論文所發展之固態虛功補償裝置係由一電力轉換器、一直流儲能電容器、
一高頻漣波濾波器及一數位控制器組成，它可使固態虛功補償裝置無段調整其提 供之補償虛功量。
三相固態虛功補償器主電力電路架構如圖4-3所示。圖4-3之電力轉換器採用 由六個IGBT組成之三相穚式架構，而電力轉換器上之六個控制接腳─R、S、T、X、
Y、Z則分別接至驅動電路。高頻漣波濾波器則由電感-電容-電感之三階低通濾波 器組成，其目的是濾除電力轉換器所產生之高頻漣波。
圖4-3 固態虛功補償器主電力電路架構
固態虛功補償器之數位控制器使用德州儀器所發展之TMS320F2812 數位信號 處理器組成，其主要功能包含：高速的系統運算頻率、類比數位轉換及脈寬調變 電路等，非常適合電力電子應用之控制。
4.3 固態虛功補償器之控制方法
固態虛功補償器之控制採電流控制式。圖4-4為控制電路方塊圖，控制電路中 參考信號包含兩個控制信號－(S1)、(S2)。
圖4-4中第一控制信號(S1)是用來完成虛功調整之功能，由於該固態虛功補償 器為電流控制模式，因此該第一控制信號(S1)必須為超前電源系統電壓90度之基本 波信號。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(VS)並送 到一相移電路取得同步於電源系統之餘弦信號，將和負載電流(IL)及相移電路之輸 出送入虛功計算器計算出該固態虛功補償器所需補償之虛功電流之振幅(QCOMM)。而 為了決定提供之虛功電流，該相移電路與虛功計算電路之輸出送到一乘法器相乘 可得到第一控制信號(S1)。
圖4-4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本身會有功率損耗，所以該固態虛功補償器之直流側 儲能電容上之電壓將會下降，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該電源系統電壓相同相位之基本波電流，為達此目的，該固 態虛功補償器之直流側電壓經檢出後與其設定電壓(VREF)送到減法器相減，該減法 器相減結果送到第一控制器，第一控制器輸出與同步於電源系統電壓之正弦信號 (VS)送到一乘法器相乘，即可得到第二控制信號(S2)。
將二個控制信號 S1 及 S2 送到加法器相加可得到參考信號，參考信號與固態 虛功補償器之輸出電流送到一減法器相減，減法器之輸出送到第二控制器得到一 調變信號，第二控制器輸出之調變信號送到一脈寬調變電路產生一脈寬調變信 號，最後再將脈寬調變電路產生之脈寬調變信號送到一驅動電路產生固態虛功補
圖4-4 固態虛功補償器之控制方塊圖
4.4 實測結果
為驗証固態虛功補償器之功能，本章發展一以數位信號處理器控之三相固態 虛功補償器雛型，其主要參數如表4.1所示。
表4.1 硬體雛型之主要參數 市電電壓 220V,三相三線 直流匯流排電壓 380V
高頻漣波濾波器 R=5 C=6uf, L1=0.12mH, L2=0.2mH 切換頻率 20kHz 直流側儲能電容 4900uF
圖4-5所示為固態虛功補償器之補償電流。由圖中可看出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，因此證明固態虛功補償器能產生 一幾乎是純虛功之補償電流。圖4-6所示為Ｒ相補償電流及其頻譜，由圖中可知虛
功補償裝置之電流近乎正弦波，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4-5 固態虛功補償器之實測結果，(a)Ｒ相之線電壓，(b) 電能轉換器Ｒ相 輸出電流，(c) 電能轉換器S相輸出電流，(d)電能轉換器T相輸出電流。
圖4-6 Ｒ相補償電流及其頻譜
圖4-7所示為固態虛功補償器R相之補償結果。由圖中可看出補償後市電電壓
圖4-7 固態虛功補償器R相之補償結果，(a)Ｒ相之線電壓，(b) Ｒ相市電電流，
(c) Ｒ相負載電流，(d) R相固態虛功補償器輸出電流。
圖4-8及4-9所示為固態虛功補償器加、減載暫態之實側結果。由圖中可看出 其暫態響應時間約為二至三個週期，且在暫態期間固態虛功補償器電流仍維持弦 波，証明固態虛功補償器具有良好的暫態特性。
圖4-8 固態虛功補償器去載暫態，(a)Ｒ相之線電壓，(b) Ｒ相市電電流，(c) Ｒ 相負載電流，(d) R相固態虛功補償器輸出電流。
圖4-9 固態虛功補償器去載暫態，(a)Ｒ相之線電壓，(b) Ｒ相市電電流，(c) Ｒ 相負載電流，(d) R相固態虛功補償器輸出電流。
圖4-10所示為當固態虛功補償器啟動及關閉時系統虛功變化之實測結果，系 統中負載為4.12KVAR之落後虛功，當固態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0.76立即升至1.00；而在固態虛功補償器關閉之後，
系統之虛功量再升高至4.12KVAR，且功因又降至0.76，因此證明本論文所提之固 態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。
近年來由於非線性負載大量地被使用在配電系統，造成配電系統諧波汙染日 益嚴重，亦造成配電系統電壓的失真，因此，為了驗証固態虛功補償器在配電系 統電壓失真下之補償性能，本論文利用一電感串聯在電源端以增加系統阻抗並在 電感後面再加入一非線性負載以造成電源電壓失真。圖4-11所示為在電源電壓波 形失真下本論文所發展之固態虛功補償器之實測結果。由圖中可看出在電源電壓 波形失真下，固態虛功補償器輸出電流仍然趨近於正弦波，而不受電源電壓波形 失真之影響，因此驗証了固態虛功補償器在電源電壓失真下仍有相當良好的補償 效果。
圖4-11 電源電壓波形失真下之本論文所發展之固態虛功補償器其性能，(a)Ｒ相 之線電壓，(b) 電能轉換器Ｒ相輸出電流，(c) 電能轉換器S相輸出電流，(d)電
能轉換器T相輸出電流。
圖4-12、4-13所示為在電源電壓不平衡下本論文所發展之固態虛功補償器之 實測結果。圖4-12所示為三相不平衡電源電壓之波形，而圖4-13為在電源電壓不 平衡下之本論文所發展之固態虛功補償器之輸出電流波形，由圖中可看出固態虛 功補償器輸出電流之振幅幾乎一樣，不受電源電壓不平衡之影響。
圖4-12 三相電源電壓不平衡，(a)Ｒ相之線電壓，(b) 電S相之線電壓，(c) T相 之線電壓。
圖4-13 在電源電壓不平衡下之情況本論文所發展之固態虛功補償器其性能，(a) Ｒ相之線電壓，(b) 電能轉換器Ｒ相輸出電流，(c) 電能轉換器S相輸出電流，(d)
電能轉換器T相輸出電流。
由以上實驗結果可以看出本論文所發展之固態虛功補償裝置，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，且該固態虛功補償 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
第五章 混合式虛功補償器
其中I 為流經交流電力電容器之電流，QC r為混合式虛功補償器所提供之虛功量，
Qc 為交流電力電容器單獨加入電源系統所提供之虛功量，由式(5.4)可發現該混合 式虛功補償器可藉由控制該電能轉換器產生之基頻成份來無段調整補償之虛功量
。電能轉換器產生基波電壓之最大振幅由混合式虛功補償裝置所提供之虛功變化 範圍來決定，而電能轉換器之直流電壓則由最大基波電壓決定。
5.2 虛擬諧波電阻
交流電力電容器受到諧波損害幾乎都可歸因於與電力系統阻抗間的共振及過 量諧波電流注入。若將阻尼電阻串聯在電路上，即可抑制共振，減少諧波電流注 入量。然而，若使用傳統被動電阻不僅作用於諧波頻率電流以抑制諧振及減少諧 波電流注入，且亦作用於基本波電流，在正常的運轉條件下，電力電容器電流中 的基波成份會比諧波成份大很多，因此，使用插入被動電阻器的方法將會導致大 量的電力損失。
本章所發展之混合式虛功補償器中，電能轉換器與電力電容器串聯，為了避 免串入一被動式電阻，本章所發展之電能轉換器除了可藉由產生一與電源電壓同 相位基波電壓來調整虛功外，亦利用它來操作成一虛擬電阻，又為了避免消耗太 多實功率，因此期望電能轉換器操作成一虛擬諧波電阻，它可以有效提供諧波阻 尼，抑制諧振，並阻止諧波電流的注入，同時可避免基頻大量的功率消耗。
由於電能轉換器與電力電容器串聯，要使電能轉換器操作成一虛擬諧波電 阻，就必須控制電能轉換器產生一個為流過電流諧波成份之倍數比的電壓信號
) ( )
( 1
2 t K i t
Va = × ch （5.5）
其中ich(t)為混合式虛功補償器電流之諧波成份，因此電能轉換器便像是一個K1Ω 之諧波電阻串聯於電力電容器。
此外，電能轉換器操作成一虛擬諧波電阻所消秏之實功將會注入電能轉換器 之直流側電容，此注入之實功將會造成直流側電容電壓之變動，電能轉換器只要 再加入一直流穩壓控制便能將注入之實功以基本波成份再回送給配電系統，為了