行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
具能量回收與電力濾波之主動式電力負載
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2213-E-151-012- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電機工程系 計畫主持人： 吳坤德 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 92 年 10 月 20 日
摘要 本文應用電能轉換架構研製具能量回送之燒機系統，該系統可設定為電阻 性、電感性、電容性及非線性整流型負載的功能，且可將消耗儲存於燒機系統內 之能量回送到電力系統內以達到節省測試耗能之目的；同時亦能補償待測、燒機 設備所需虛功率、諧波電流以減少燒機試驗之電能損失。 關鍵字：主動式負載、能量回送、燒機試驗
ABSTRACT
A burn-in system with energy-recovering and power-filtering is presented in this paper. The burn-in system can be operated as resistance, inductance, capacitance and nonlinear load. The developed burn-in system can regenerate the consumed energy to the power system. Hence, it has the performance of energy-recycle.
The developed system can be applied in burn-in test of power electronic equipment with advantages of saving energy, suppressing harmonic current and improving power factor.
一、計畫緣由與目的 台灣係屬於高能源成本地區，政府積極 推行節約能源政策，尤其在今日能源開發困 難的情況下，更突顯出節約能源設備的重要 性，因此如何將現有能源做最有效率的利用 與回收再使用，已成為目前許多科技人員所 努力的目標。而目前世界各國除了致力於發 展無環境污染的能源設備，溫室效應對環境 的不良影響也被列為必須努力消除的對象。 再 加 上 近 年 來 由 於 電力 電 子 技 術 的 進 步，電子電力設備產品相繼的被研發出且被 廣泛的使用，而電子電力產品製造成品後， 需使用大功率負載來測試該產品的性能。並 且 長 時 間 利 用 大 功 率 負 載 來 做 燒 機 測 試 [1-4]，測試其性能、穩定性與可靠度。所使 用的功率負載傳統上都採用被動式的功率電 阻，而這被動式負載進行測試、燒機時將會 產大量功率消耗，不僅過度浪費電能，且消 耗功率所產生的熱能將產生溫室效應影響環 境品質，同時為了排放熱能所需空調花費也 往往高達所消耗電能費用的 2 至 3 倍。因而 大幅的增加生產成本與大量製造工廠為電力 公司之契約容量。而且隨著負載功率的需求 加大，導致負載器的體積與重量增加，造成 測試所需空間加大與使用的不便，因此為節 約能源，降低生產成本，減少測試燒機空間， 提高測試燒機的方便性，應以其它方式來取 代傳統式電阻負載的燒機動作[2]。在電力電 子設備的架構，其輸入級往往為一交流轉成 直流之整流電路，於大量燒機時，其輸入電 流將含有大量諧波成份，且該諧波電流又為 目前電力系統最為主要的污染來源，因此抑 制諧亦為當今電力品質改善必要手段。 基於上述情形，本文擬利用電力半導體 元件快速發展所研發出，高耐壓，高承受電 流的功率開關元件如功率 MOSFET 與 IGBT 等 能以高切換頻率來進行電能處理，期待利用 電力電子知技術研發出高功率、小體積，並 且將測試燒機時所消耗能量回收到電力系 統，並且能同時補償燒機時所產生的諧波電 流及虛功率的主動式負載，以達到小空間、 低成本、節約能源、大功率，無諧波電流污 染的燒機之目的。 二、系統架構 圖 1 所示為本文所研製系統之雛形架構 圖，其中包含由負載特性產生電路，儲能電 路及能量回送電路三部份所組成。負載特性 產生電路係由 AC/DC 電能轉換器[5]所構成， 內有濾波電感、功率晶體及控制器，其並接 於待測燒機設備之輸出端，且其具雙向功率 流動之能力。儲能電路系由一直流電容器所 構成，它並聯在負載特性產生電路的直流側 端。能量回送系統則由一 DC/AC 電能轉換器 所構成，它串聯於市電與負載特性產生電路 之間。 圖 1 本文所研提之系統架構圖 圖 2 至 4 所示該系統運轉時之功率流向 圖，圖 2 所示為負載特性產生電路模擬作電 阻性負載模式下功率流向圖。圖 3 所示為負 載特性產生電路模擬作電感或電容性負載模 式下功率流向圖。圖 4 所示為負載特性產生 電路模擬作整流性負載模式下的功率流向 圖。當主動式負載模擬作電阻性負載將只吸 收消耗實功率，暫時儲在儲能系統；若模擬 作電感性或電容性負載將只吸收虛功率，只 要儲能系統內的直流電容器的電壓能量夠 大，就足以吞吐負載模擬所需之虛功率量， 而不影響儲能電容器之穩態平均電壓。能量
回送系統則負責將暫存在儲能系統裏的實功 率回送到市電端，同時提供待燒機設備與模 擬負載所需之虛功及諧波功率，以達到市電 電流諧波抑制及功因矯正的目的。也就是能 量回送系統將能量回送到電力系統時，同時 作了主動電力濾波的作用。因此能量回送系 統除了負責回送燒機測試時所使用之實功率 至市電源端，以達到節省燒機時所消耗電能 外；亦同時補償待測、燒機設備所需虛功率 及諧波電流，以避免燒機測試時所產生電力 諧波污染鄰近電力設備及確保電力品質。 圖 2 負載特性產生電路模擬作電阻性負載模 式下功率流向圖 圖 3 負載特性產生電路模擬作電感或電容 性負載模式下功率流向圖 三、動作原理 本文所使用之系統包括負載特性產生電 路、儲能電路與能量回送電路，以下將更進 一步描述各個應用電路之運作模式。 (a)負載特性產生電路 負載特性產生電路為交流至直流電壓轉換電 路(AC/DC Converter)所構成，其連接在待測 設備之輸出端。利用電流控制方式控制電流 大小與相位差[6-7]，模擬出各種形式負載之 電壓、電流波形，以形成相對應之負載特性 作為待測設備之虛擬負載，其控制方塊圖如 圖 5 所示。在控制上有電壓控制方式與電流 控制方式；其中若採用電壓控制方式，需回 授電壓轉換電路的電壓訊號與相位訊號，在 藉由電壓轉換電路的電壓振幅與相位的調 整，控制實功率與虛功率的流向與大小，接 著間接的控制電流的波形、相位與大小，在 此電壓控制方式中必需使用鎖相回路，因此 線路較為複雜，且其電氣的輸出響應亦未臻 理想；而電流控制方式則為一種直接回授主 電路電流的控制方式在控制線路之製作相對 的簡單，電氣的輸出響應亦較為快速，因此 本文之控制器採電流控制[6-7]的方式。 圖 4 負載特性產生電路模擬作整流性負載模 式下功率流向圖 圖 5 負載特性產生電路之控制方塊圖 (b)儲能電路 儲能電路係由一直流電容器所構成，它 並聯在負載特性產生電路的直流側，其暫時 儲存負載特性產生電路所轉換進來的實功率 電能。在本文所擬研究之系統之架構中，一
具高壓額定之直流電容器組被設計安裝在負 載特性產生電路之直流匯流排，並作為系統 儲能元件使用，此時，由能量守恆的觀點， 該電容器之能量方程式可表示為：
(
V t V)
pdt Cdc dc − dc =∫
t∆ 0 2 2 ) 0 ( ) ( 2 1 (1) 其中Cdc為電容器電容值，Vdc為電容器電 壓，p 則為流入電容器之功率。從上式可看 出：當系統功率不平衡時，直流電容器即會 進行儲能或釋能動作，並令電容器電壓改變。 圖 6 能量回送電路之控制方塊圖 (c)能量回送電路 能量回送電路則由一直流至交流電壓轉換電 路(DC/AC Inverter)所構成，它串聯於市電 與負載特性產生電路之間， 其主要功能在將暫存於儲能系統之直流電能 轉成交流形式電能，回送到市電端以便循環 再使用，此可將能量回收、再生，以減少測 試系統之用電量，同時補償燒機設備之虛功 率及諧波功率。當系統運轉於電阻性負載或 整流性負載，燒機設備之實功率經整流後將 充入直流電容器，因此若電能轉換器未能及 時將所進入電容器之測試能量轉移出，則系 統運轉之功率不平衡狀態發生，電容電壓上 升。 如能妥善控制直流電容器之電壓值，則 本文所研製之系統在不同操作模式下，應皆 能達到輸出入功率平衡，此時若再利用電流 授控制技巧，則可對市電的電流波形予以控 制。圖 6 所示為本文所提能量回送控制方塊 圖。其中，一比例積分控制器係用於控制電 容器電壓回授 Vdc與預設值 Vdc set 間之誤差， 其輸出值將與市電電壓信號相乘而得到弦波 電流參考命令信號 is*。另外，一電流控制器 亦被用來修正回授電流值 isf 與電流參考命 令之誤差值，其輸出信號最後被送入脈衝寬 度調變器並產生功率晶體之驅動訊號。透過 該控制器的運作，本文所提之能量回送系統 將可維持系統之直流電容器電壓為定值，並 適度補償市電電流為純正弦波形。 四、模擬與實測結果 為了證實本文所提方法之可行性，將進 行模擬並發展一套硬體雛型來驗證，並且針 對主動式負載之四種模式來進行模擬與實 作，圖 7 至 10 為模擬之結果，圖 7 為主動式 負載操作成純電阻性負載之模擬結果，由圖 7(d)我們可以看出主動式負載操作成純電阻 性，其輸入電流為正弦波且與市電電壓同相 位，由圖 7(c)可以看出能量回送系統將主動式 負載大部分所消耗之能量回送至市電，並且 由圖 7(b)中可知能量回送系統將市電電流補 償為正弦波。圖 8 至 9 為主動式負載操作成 電感性與電容性負載之模擬結果，由圖 8(d) 可看出主動式負載操作成電感性負載，其輸 入電流為正弦波且相位落後市電電壓，由圖 8(b)與圖 8(c)可看出能量回送系統將主動式負 載消耗之能量回送至市電，並且將市電電流 補償成正弦波﹔由圖 9(d)可看出主動式負載 操作成電容性負載，其輸入電流為正弦波且 相位超前市電電壓，由圖 9(b)與圖 9(c)可看出 能量回送系統將主動式負載消耗之能量回送 至市電，並且將市電電流補償成正弦波。圖 10 為主動式負載操作成非線性負載之模擬結 果，由圖 10(d)可看出主動式負載操作成非線 性負載，由圖 10(b)與圖 10(c)可看出能量回送 系統將主動式負載消耗之能量回送至市電， 並且將市電電流補償成正弦波。 圖 11 至 14 為實測之結果，圖 11 為主動 式負載操作成純電阻性負載之實測結果，由 圖 11(d)我們可以看出主動式負載操作成純電 阻性，其輸入電流為正弦波且與市電電壓同相位，由圖 11(c)可以看出能量回送系統將主 動式負載大部分所消耗之能量回送至市電， 並且由圖 11(b)中可知能量回送系統將市電電 流補償為正弦波。圖 12~13 為主動式負載操 作成電感性與電容性負載之實測結果，由圖 12(d)可看出主動式負載操作成電感性負載， 其輸入電流為正弦波且相位落後市電電壓， 由圖 12(b)與圖 12(c)可看出能量回送系統將 主動式負載消耗之能量回送至市電，並且將 市電電流補償成正弦波。 圖 7 主動式負載操作成純電阻性負載之模擬 結果(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流 (d)主動式負載電流 圖 8 主動式負載操作成電感性負載之模擬結 果(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d) 主動式負載電流 圖 9 主動式負載操作成電容性負載之模擬結 果(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流 (d)主動式負載電流 由圖 13(d)可看出主動式負載操作成電容 性負載，其輸入電流為正弦波且相位超前市 電電壓，由圖 13(b)與圖 13(c)可看出能量回送 系統將主動式負載消耗之能量回送至市電， 並且將市電電流補償成正弦波。圖 14 為主動 式負載操作成非線性負載之實測結果，由圖 14(d)可看出主動式負載操作成非線性負載， 由圖 14(b)與圖 14(c)可看出能量回送系統將 主動式負載消耗之能量回送至市電，並且將 市電電流補償成正弦波。 圖 10 主動式負載操作成非線性負載之模擬結 果(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流 (d)主動式負載電流 圖 11 主動式負載操作成純電阻性負載之實測 結果(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電 流(d)主動式負載電流 五、結論 由模擬結果與實測結果可知，本文所提 出之單相主動式負載具備電阻性、電感性、 電容性及非線性整流型負載的功能，且可將 消耗儲存於主動式負載內之能量回送到電力
系統內以達到節省測試能源之目的；同時亦 能補償待測、燒機設備所需虛功率及諧波電 流，以避免燒機測試時所產生電力諧波污染 鄰近電力設備及確保電力之品質。 圖 12 主動式負載操作成電感性負載之實測結 果(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流 (d)主動式負載電流 圖 13 主動式負載操作成電容性負載之實測結 果(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流 (d)主動式負載電流 圖 14 主動式負載操作成非線性負載之實測結 果(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流 (d)主動式負載電流 六、參考文獻
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