電力品質分析與改善( 3 / 3 ) - - - 子計畫六: 混合式電力濾波器之研究( 3 / 3 )
The Study of Hybrid Power Filter(3/3)
計劃編號：NSC 90-2213-151-032 執行期限：89/08/01~90/07/31 主持人： 周宏亮 國立高雄科學技術學院電機工程系電力電子應用研究室 共同主持人： 吳晉昌 私立高苑技術學院電機工程系 計劃參與人員：湯博文 國立高雄科學技術學院電機工程系電力電子應用研究室 黃敏昇 國立高雄科學技術學院電機工程系電力電子應用研究室 中文摘要 本報告提出利用混合式電力濾波器與一 固態穩壓器組合而成之電力調節器，其中混合 式電力濾波器與負載並聯，而固態穩壓器則串 接在市電與負載之間。混合式電力濾波器可以 消除負載產生的諧波，而固態穩壓器則具市電 電壓穩壓及電壓諧波隔離之功能。由於同時具 有濾波及穩壓之功能，是極具實用性之電力電 子系統。本報告將完成一套單相混合式電力調 節器之雛型並驗證其功能，實測結果証實所發 展之系統能達到預期之效果。 關 鍵 詞 ： 諧波、混合式電力濾波器、固態穩壓 器、混合式電力調節器 ABSTRACT
This report presents a hybrid power conditioner. This hybrid power conditioner consists of a solid-state voltage regulator and a hybrid power filter. The solid-state voltage regulator with the performance of voltage regulation is inserted between the mains and the load. The hybrid power filter is parallel with the load, and it has the performance of harmonic current suppression. Hence, this hybrid power conditioner has the performance of voltage regulation and harmonic current suppression. To verify the performance of this hybrid power
filter, a prototype will be developed and tested.
Keywords: harmonic. hybrid power filter,
solid-state voltage regulator, hybrid power conditioner. 一．前言 近 年 來 由 於 政 府 積 極 推 動 產 業 技 術 升 級，所以臺灣的工業界積極發展高科技產業， 因此許多的精密設備被廣泛使用，高科技產業 用戶對電力品質的要求較傳統性產業嚴格許 多，而電力品質問題相當的多，如瞬間停電、 電壓過高、電壓過低、雜訊干擾、頻率變動、 電壓閃爍與諧波等問題，其中有些是來自用戶 用電設備的操作不當與電源諧波污染，有些是 製造廠商所製造之設備不良，此外是配電系統 規劃及操作不當引起。各種的電力品質問題例 如電力系統電壓驟降或高諧波污染導致高科 技廠商生產停頓的事故，近年來時有耳聞，且 也遠較其它問題嚴重，因此如何改善電力品質 以避免高科技廠商生產停頓造成損失已成為 當今電力界與高科技產業之重要研究課題。而 造成電力品質不佳之因素除了電力中斷外，以 諧波汙染[1-3]及電壓不穩[1.4]為主。近年來電 力電子相關設備的大量使用，而此類設備具有 高輸入電流諧波與低功因之特性，因而導致電 力系統的諧波污染情況將日趨嚴重，因此諧波 污染防治刻不容緩。電力濾波器為最常用的諧
波改善裝置，而電力濾波器可分成被動式濾波 器、主動式濾波器[5-10]及混合式濾波器[11] 三種， 有鑑於近年來非線性負載的大量增加，導 致 電 力 系 統 之 諧 波 與 電 壓 不 穩 問 題 日 益 嚴 重。而利用被動式濾波器濾除諧波也有濾波特 性易受系統阻抗影響及共振等缺點，因此本文 提出結合混合式電力濾波器及固態穩壓器而 發展出一套具有穩壓及諧波抑制濾除功能之 “混合式電力調節器”，其架構如圖 1，它包 含 兩 個 電 力 轉 換 器 一 個 與 被 動 式 濾 波 器 串 聯，另一個則串聯於市電與負載之間，其中與 被動式濾波器串聯之電力轉換器主要之功能 在於改善被動式濾波器之功能，使得負載的諧 波電流能有效被濾除。而串聯於市電與負載間 之 電 力 轉 換 器 則 提 供 負 載 端 電 力 品 質 之 改 善，使得負載端電壓能有低的諧波失真與穩定 的電壓。而為驗証其功能本報告將完成一硬體 雛型，並進行實測。 二．基本操作原理 2-1 混合式電力濾波器基本操作原理 為了改善被動式電力濾波器之缺點，如在 被動式電力濾波器下串聯一電力轉換器來產 生一個電壓，其值為： Sh C K I V = • (1) 其中 Ish 為市電電流之諧波成分，K 為一 常數，混合式電力濾波器系統由負載側及電源 側之觀點分別等效成圖 2(a)及圖 2(b)，在此配 電系統仍等效成一電壓源 VS與 一 系 統 阻 抗 LS，且假設配電系統之電壓為純正弦波，而非 線性負載仍等效成一電流源。 首先分析負載側等效電路，由圖 2(a)中我 們可以推導出，回饋回配電系統之諧波分量為 Lh Fh Sh Fh Sh K Z Z I Z I + + = (2) 由式(2)可發現，加入電力轉換器後分母多 了一項 K ，這意味著加入電力轉換器後濾波 效果會更好。而由負載等效電流源看出之等效 阻抗為 ) 1 ( ) ( f f S f f S L eq C L L j R K C j L j R L j Z ω ω ω ω ω ω − + + + − + = (3) 由式(3)可發現，加入電力轉換器後分母多 了一項 K ，因此被動式電力濾波器之並聯諧 振問題被有效地抑制，而若配電系統供電電壓 含有諧波，則在圖 2(b)中 Zsh必須串聯一諧波電 壓源，由此諧波電壓看出之等效阻抗為 f f S S eq R K j L j L j C Z = + + ω + ω − ω (4) 由式(4)可發現，加入電力轉換器就好像在 串聯諧振的電路中加入一個電阻 K ，因此串 聯諧振問題亦被有效地抑制。 由以上之分析可看出若在被動式電力濾 波器上串聯一個電力轉換器且它操作成一個 產生 K•Ish 之電壓源，則被動式電力濾波器 會造成串 並聯共振之缺點便能有效地被克 服。 2 - 2 固態穩壓器基本操作原理 電壓不穩會導致輸出電壓偏高或偏低，如 圖 2.等效電路（a）負載側（b）電源側 圖 1.混合式電力調節器架構圖 Laod 1:1
Power Converter Power Converter
穩壓 濾波 Vs Nonlinear Zsh ZFh Ish ILh K*Ish Zs ZF ILh Vs Vf
(a)
(b)
能於線路中串聯一振幅可控制之電壓源，便可 使輸出電壓穩定在設定值下，本報告所發展之 方法即根據上述觀念發展而成。圖 3 為本文所 發展之等效電路，VC（t）為一固態電能轉換 器組成之交流電壓源，此交流電壓源之大小由 電源電壓之大小來決定，如電源電壓偏低，則 VC（t）使為正值，使 VL（t）升到達設定值如 電源電壓偏高，則 VC（t）變為負值，使 VL（t） 降到設定值。 三、系統架構與控制方塊 3 - 1 混合式電力濾波器架構與控制方塊 圖4所示為本文所提出之混合式電力濾波 器之架構及控制方塊圖，其中被動式電力濾波 器包含兩個單調諧濾波器其調諧頻率分別為 三階與五階，其主要參數如表1；主動電力濾 波器由四個IGBT電晶體所組成，其內部含有飛 輪二極體。由圖中可看到市電電壓、電容器端 電壓及市電電流等三個信號被偵測。控制基本 波電流的大小，就可以使流入混合式電力濾波 器的實功平衡，為了控制此基本波電流的大 小，所以必須檢出儲能電容上的電壓與設定的 電壓做比較後經P-I控制器再與基本波電流相 乘，即可控制流入主動式電力濾波器的實功， 當儲能電容電壓低於設定電壓時，表示市電供 應給電力的實功不夠，所以必須加大流入濾波 器的電流。反之，儲能電容電壓高於設定電 壓，則必須減小流入濾波器的電流。因此，在 穩態下電容電壓將可藉由流入濾波器基本波 電 流 大 小 之 控 制 而 維 持 在 我 們 所 設 定 的 值 上。另一方面，希望單相電流為純正弦波，所 以我們必須偵測單相電流信號，經60Hz帶通濾 波器(Band Pass Filter)後可得一純正弦波的電 流信號，再將所偵測的單相電流信號減去此正 弦波信號，即為電力濾波器所須補償的信號 Ish，Ish乘以增益K倍後即為所需的VC*信號，此 信號與流入電力濾波器的基本波電流信號相 加後，再與一10KHZ之三角載波做比較，產生 PWM驅 動 信 號 來 驅 動 換 流 器 上 之IGBT電 晶 體，即可得到我們所期望的市電電流。 三次調諧濾波器 L = 15 mH C = 50μF 五次調諧濾波器 L = 5 mH C = 50μF 系統等效電抗 1mH 電力轉換器 切換頻率 10 kHz 直流側電壓 40V 3 - 2 固態穩壓器控制方塊 如圖 5 所示為固態穩壓器之電路架構。由 圖中可看出此架構是利用一組電力轉換器經 變壓器耦合串聯於電源與負載之間，經由電力 轉換器提供補償電壓，以達到不論市電電壓偏 高或偏低皆能使負載端之電壓維持在穩壓的 狀態，此外此電力調整器亦具有阻隔電源電壓 諧波之功能。由圖中可看出變壓器取得之負載 電壓信號分成三個路徑，一路經由全波整流及 濾波以取得負載電壓之大小經與設定之負載 電壓（Vset）比較而得到誤差信號，而另一路 徑則在產生不含諧波之參考正弦波，此正弦信 號與 Va 相乘可得到負載端電壓的理想期望電 圖 3.固態穩壓器等效電路圖 表 1. 系 統 參 數 V LOAD V (t) s Vc(t) L(t) 圖 4.混合式電力濾波器之架構及控制方塊圖 dc bus voltage detector main voltage detector gate driver setting voltage PWM main Vc Loa band pass filter mains current detector Vo(t) P-I phase stift90 + + K + -Is Ifo circuit CONTROLLER
壓的波形與振幅，VL*再與實際量到的負載端 電壓 VL比較，得到之誤差經增益調整（K）後 送到 PWM 電路，以產生電力轉換器中電力電 子開關之切換信號，經電力電子開關之切換使 得電力轉換器產生一補償電壓，以補償電源電 壓之諧波及電壓變化。 四．實測結果 為 驗 證 本 文 所 發 展 之 電 力 調 節 器 之 功 能，將針對混合式電力濾波器及固態穩壓器分 別進行測試，亦對整合後之功能進行測試。圖 6、圖 7 所示為固態穩壓器非線性負載加載及 減載暫態之實測結果圖，由圖中可看出固態穩 壓器之暫態功能甚佳。 圖 8 是電源電壓含有諧波且市電電壓變 動在 90V 之實測結果，由圖中可看出雖然電源 電壓含有諧波失真，但是負載端電壓經電力調 節器後仍可得到失真非常低之電壓，且電壓亦 穩定在 110V 附近，不致受電源電壓大幅變化 而有大波動，由實測結果證明電力調節器具有 穩定電壓及隔離、濾除諧波之功能。 圖 9 所示為電力調節器負載加載暫態之 實測結果圖，由圖中可看出負載端電壓有一瞬 間暫態變化，混合式電力濾波器之電力轉換器 電壓穩定，負載端電壓雖因暫態變化而升壓但 馬上在很短的時間穩定，證明電力調節器可以 100V/div (a) 100V/div (b) 圖 6.加入非線性負載之暫態波形， (a)市電電壓 ，(b) 負載電壓。 100V/div (a) 100V/div (b) 圖 7.去除非線性負載之暫態波形 （a）市電電壓（b）負載電壓 200V/div (a) 200V/div (b) 10A/div (c) 2A/div (d) 圖 8. 電力調節器特性波形圖市電端含諧波失真 （ａ）市電電壓 Vs，（b）負載電壓 VL， （c）市電電流 Is，（d）負載電流 IL。 圖 5.固態電力調整器系統硬體架構與控制方塊圖 get driver PWM K B.P.F 方波產生器 全波整流 L.P.F setting voltage P-I + -Load + mains Vs(t) mains impendance 1:1 Nonlinear Load Vdc circuit voltage detactor
使負載端電壓有效且快速地穩定電壓在 110V 附近。 五．結論 近年來高科技產業快速發展，而高科技產 業對電力品質的要求較一般傳統產業嚴格，因 電力品質不良而造成生產中斷的事故，時有耳 聞，因此如何改善電力品質已成為當今高科技 產業與電力界之重要研究課題。本文利用電力 電子技術發展出結合穩壓與濾波功能之混合 式電力調節器，所發展出電力調節器具有僅需 較小容量電力電子裝置便可改善電壓穩壓與 濾波之優點。 六．參考文獻 〔1〕 羅韙良，「系統電壓變動的影響及對 策」，臺電工程月刊，第 450 期，第 58~64 頁，民國 75 年 2 月。 〔2〕 江榮城、顏世雄，「並聯共振」，臺電 工程月刊，第 535 期，第 23~28 頁， 民國 82 年 3 月。 〔3〕 胡忠興，「工業配電系統之電力品質與 抑制對策」，電機月刊，第九卷，第 2 期，第 130~139 頁，民國 88 年 2 月。 〔4〕 周宏亮、朱惠勇、黃慶連，「交流穩壓 器之類型與系統架構」，電機技師， Vol.3，NO.3，第 84~93 頁， 1989 年 1 月。
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