行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
電力濾波器教具與教材(ⅠⅠ)
Designing of Teaching Tool and Experiment Manual
for Power Filter (II)
計畫編號: NSC 89-2511-S-151 –003-執行期限: 89 年 8 月 01 日起 90 年 7 月 31 日 主 持 人: 吳坤德 副教授 國立高雄應用科技大學電機系 共同主持人: 李平章 副教授 國立高雄應用科技大學電機系 一.中文摘要 近年來由於非線性負載急速增加,導致電 力系統諧波污染的問題日益嚴重,目前已嚴重 的影響到電力品質,因此世界先進國家皆已制 定諧波管制規範,以抑制諧波。台灣目前極力 發展高科技產業,而高科技產業之相關設備對 電力品質要求甚高,目前台灣雖亦以已有諧波 管制,但電力濾波器設計人才不足,必須仰賴 國外之大公司。為厚植國內工業實力,積極培 育國內電力濾波器設計人才實有其必要性。鍵 於電力濾波器之技術,近幾年來有甚大的進展, 有主動式電力濾波器及混合式電力濾波器等 技術先後被開發出來,然目前國內尚缺乏有系 統且符合實務要求之電力濾波器之教材。本計 畫發展出電力濾波器之教具與教材以培育國 內電力濾波器設計人才。主動式電力濾波器為 近年來發展成功之電力諧波濾除技術,目前已 有國外產品問世;雖然價格昂貴但其功能遠優 於傳統之被動式電力濾波器。目前本系已採購 主動式電力濾波器,本年度將製作此設備之使 用手冊及所規劃之實用所需教材,此外亦將自 製一套主動式電力濾波器,並編寫其教材。 關鍵詞: 主動式,電力濾波器, 諧波 ABSTRACT
Due to the large growth of nonlinear load, it
issues the problem of harmonic pollution in power system. It results in the poor power quality. For solving this problem, some harmonic standards have been developed in many countries. High technical industry has experienced the large growth in Taiwan. The demanded power quality of high technical industry is striker than conventional industry. The harmonic restriction standard has been set up in Taiwan Power Company (TPC). However, the designing of power filter is still poor in knowledge and people. For improving this problem, to intensify the power filter to design training course is important and emergency. In recent years, the technique of power filter has developed fast. The active power filter and hybrid power filter has been developed. However, the experiment equipment on teaching tool related power filter is still not developed. In this project, the teaching tool and experiment manual of power filter will be developed. The active power filter has been developed successfully in recent years. The experiment manual of commercial active power filter will be made. Additionally, an active power filter system will be developed in our laboratory. Finally, the teaching tool and experiment manual of
developed active power filter will be made.
Key words: active, power filter, harmonic 二.前言 隨著電力電子技術的進步，電力電子電路 之應用亦日益廣泛，主要的原因是其具有效率 高，容易控制的優點。由於電力電子相關負載 皆具有非線性負載特性，因此會產生大量的諧 波電流，污染電力系統，使得電力品質因而降 低。由於電力電子具有效率高，容易控制的優 點因而廣為工業界所採用，藉以達到提高產 量，降低成本的目的。同時為了避免功率因數 過低，遭到電力公司在電價上的加重計費，因 此工廠普遍採用電容器來改善功率因數，以減 低電費的支出，由於一般負載多屬電感性，所 以在電容器投入後，便會使系統原有之共振頻 率降低，降低後之共振頻率可能高於電源頻 率，故在沒有諧波的系統上並不會有重大的不 良影響，但在存有大量諧波電流的系統中，若 系統的共振頻率等於或接近諧波頻率，則會引 起共振現象，將導致諧波電流或電壓波被放大, 被放大的諧波電流或電壓，不僅對設備造成傷 害，同時也會使電力品質因而降低。為了能夠 抑制諧波，我們採用主動式濾波器注入負載所 需諧波電流量進而降低電力提供電流的諧波 含有量。 三.主動式電力濾波器之種類及原理 由於被動式濾波器潛藏著串/並聯共振之 問題，而且濾波效果受到系統阻抗變化之影響 甚鉅，而系統阻抗又隨時在改變，難以具體掌 握，再加上裝置被動式濾波器可能吸引鄰近其 它非線性負載所產生之諧波電流，造成濾波器 之過載，上述問題使被動式濾波器之使用及設 計飽受困擾，更限制電力濾波器之諧波濾除效 果。電力電子相關設備大量使用是造成目前諧 波污染日益嚴重之主要原因，為有效解決諧波 問題學術界及工業界開始利用電力電子之技 術來解決諧波問題，此解決諧波問題之電力電 子設備被稱為主動電力濾波器。 主動電力濾波器之構造主要是由一電力 轉換器加上一儲能元件組成，其依照儲能元件 之種類，可分為電壓源型與電流源型，如圖 1 所示。電壓源型其儲能元件是採用電容器放在 電力轉換器之直流側，將其操作成一個電壓 源；而電流源型則以電感器當作儲能元件，放 在 電 力 轉 換 器 之 直 流 側 將 其 操 作 成 一 電 流 源。一般之主動電力濾波器均採用電壓源型， 主要是考慮到成本與體積，若考慮到損失與可 靠度將可能採用電流源型。 圖 1 主動電力濾波器，(a)電壓源型，(b)電流源 型。 圖 2 電壓控制式主動電力濾波器之電路架構。 若依照電力轉換器之控制方式，則主動電 力濾波器可分為電壓控制式與電流控制式，其 原理分述如下。
(a)電壓控制式主動電力濾波器之電路架構 如圖 2 所示，包含一個連結電感與電力轉換 器，由於它是藉由控制電力轉換器之輸出電壓 來完成濾波的功能，因此稱它為電壓控制式主 動電力濾波器。電壓控制式主動電力濾波器中 電力轉換器被操作成電壓源，因此它與市電電 源間可等效成一個雙電壓源系統如圖 3 所示， 若電源電壓為
( )
t V t vs( )= ssinω (1) 若電力轉換器輸出電壓被控制成一個正弦波 則可表示如下(
ω +δ)
=V t t vc( ) Csin (2) 可導出市電電流為( )
= ∫t( ) ( )
− c s s V t V t dt L t i 1 0 =Issin(
ωt+β)
+Idc (3) 其中(
) (
)
[
]
2 1 2 2 cos sin 1 s c c s V V V L I = δ + δ − ω (4) δ δ β sin cos tan 1 c s c V V V − = − (5) 式（3）中之 Idc為暫態之直流量，它隨著 時間增加而遞減，其遞減速度由連結電感之內 阻來決定，因此電源電流在穩態時為一個正弦 波電流，由式中可看出它與負載電流無關，所 以負載所產生之諧波電流能被電力轉換器吸 收，而達到諧波抑制之功能。 由電源送往負載匯流排之實功與虛功分 別為 δ sin 2 s c s m X V V P = (6)(
cosδ)
2 s s c s m V V X V Q = − (7) 在穩態操作時，我們期望電源僅傳送實 功，而負載所需虛功則由電力轉換器提供，因 此由式(6)與(7)可以看出欲達到此期望必須滿 足下式 Vccosδ =Vs (8) 假設電力轉換器沒有損失，理論上主動電 力濾波器不消耗任何實功，因此電源供應之實 功應該等於負載所消耗之實功( pL)，因此 pL = pm (9) 由式(2)可觀察到電力轉換器輸出電壓有兩個 可控制的參數分別是振幅(Vc)與相位(δ)，由 式(6)與(7)可觀察到此兩參數同時影響到電 源供應之實功與虛功，所以電壓控制式主動濾 電力濾波器即藉由控制電力轉換器輸出電壓 的相位來控制電源供應之實功，而控制電力轉 換器輸出電壓的振幅來控制虛功。 由以上之分析可以看出只要電力轉換器 輸出電壓能正確的被控制成正弦波，並適當調 整其振幅與相位，即能滿足主動電力濾波器之 諧波濾除及虛功補償之要求。在此即以此方法 來作電腦模擬以驗證電壓控制式主動電力濾 波器之特性。該方法之控制方塊如圖 4 所示。 圖 5 與 6 所示為電壓控制式主動電力濾波器在 理想電源電壓時之模擬結果，負載為一單相全 橋式整流器其電流波形如圖 5(d)所示，圖 5(b) 所示為電力轉換器之輸出電壓，它被控制成一 個正弦波，所以圖 5(c)所示之市電電流為正弦 波，且與電壓同相位，圖 6 為電源電流及負載 電流之頻譜，由圖中亦可看出負載電流含有大 量諧波，而經主動電力濾波器補償後之電源電 流只含基頻成分，因此負載電流之諧波能被有 效抑制。 由於電壓控制式主動電力濾波器必須額外 串聯一個連結電感，且響應速度慢，所以較少 使用。 圖 3 電壓控制式主動電力濾波器之等效電路。圖 4 電壓控制式主動電力濾波器之控制方塊。 圖 5 電壓控制式主動電力濾波器在理想電源電 壓下之模擬結果，(a)電源電壓，(b)負載端電 壓，(c)電源電流，(d)負載電流。 圖 6 電壓控制式主動電力濾波器在理想電壓源 下之電流頻譜，(a) 電源電流頻譜，(b) 負載電 流頻譜。 圖 7 電流控制式主動電力濾波器之電路架構。 (b)電流控制式主動電力濾波器之電路架構 如圖 7 所示，其基本原理是利用電力轉換器產 生一個補償電流注入電力線路上，以抑制出現 在電力線路上的負載諧波及提供負載所需的 虛功，其使市電端之功率因數到達單位功因， 也就是使市電所供應之電流為純正弦波，且和 市電電壓同相位，因此市電只提供負載所需之 實功部份，其它部分則是由主動電力濾波器來 提供，由於控制對象為電力轉換器之輸出電 流，所以稱之為電流控制式主動電力濾波器， 圖 8 所示為電流控制式主動電力濾波器之控制 方塊，它包含補償電流計算電路及電流控制 器，補償電流計算電路是用來計算電力轉換器 所必須送出之電流，而電流控制器則用來控制 電力轉換器之開關元件的狀態以產生與計算 出來的補償電流一樣的輸出電流。圖 9 為一個 主動電力濾波器系統，由於電流控制式主動電 力濾波器中電力轉換器操作成一個電流源，所 以可得到圖 10 之負載側及電源側等效電路， 由圖中可看出由於主動電力濾波器操作成一 個電流源，所以不會和系統阻抗 Le 產生串並 聯諧振。 若圖 7 中電源電壓可表示為 ) sin( ) (t V t vs = s ω (10) 而非線性負載電流由傅立葉型式表示成 ) sin( ) ( 1 ∑ + = ∞ = n n n L t I n t i ω θ ) sin( cos sin sin cos 2 1 1 + +∑ + = ∞ = n n n t n I t I t I θ ω θ ω ω θ (11) 其中第一項為基頻實功之電流成份，第二項為 基頻虛功之電流成份，第三項則為諧波成份， 若不考慮主動電力轉換器之損失，則期望市電 電流為 is(t)=I1cosθ sinωt (12) 為了得到此期望的電源電流，則主動電力濾波 器必須提供(11)式與(12)式之差，即 = +∑∞ + =2
1sin cos sin( )
) ( n n n c t I t I n t i θ ω ω θ (13) 此電流即稱之為補償電流，由此電力轉換器必
須經過適當控制以產生補償電流，大部分在文 獻上所看到的主動電力濾波器均屬此型。 圖 8 電流控制式主動電力濾波器之控制方塊。 圖 9 電流控制式主動電力濾波器系統。 圖 10 電流控制式主動電力濾波器系統等效電 路，(a)負載側，(b) 電源側。 四.實驗結果: 圖 11 所 示 為 本 計 畫 所 製 作 之 主 動 電 力 濾 波 器 電 力 電 路 之 架 構 控 制 方 塊 圖 。 先 測 出 儲 能 電 容 上 的 電 壓 ， 再 和 設 定 電 壓 做 比 較 後 送 到 P I 控 制 器，而 控 制 器 之 輸 出 即 為 我 們 期 望 的 市 電 電 流 之 振 幅 。 當 儲 能 電 容 電 壓 低 於 設 定 電 壓 , 則 表 示 市 電 供 應 之 實 功 小 於 負 載 消 號 之 實 功 。 所 以 必 須 加 大 市 電 電 流 ， 即 控 制 器 之 輸 出 應 加 大 。 反 之 ， 儲 能 電 容 電 壓 高 於 設 定 電 壓 ， 則 需 降 低 市 電 電 流 ， 即 控 制 器 之 輸 出 應 減 小 。 因 此 在 穩 態 下 ， 電 容 電 壓 可 藉 由 市 電 電 流 之 控 制 而 維 持 在 一 定 值 ， 即 市 電 所 供 應 之 實 功 恰 等 於 負 載 消 耗 之 實 功 。 既 然 期 望 市 電 電 電 流 與 市 電 電 壓 同 相 位 之 純 正 弦 波 ， 因 此 必 須 偵 測 市 電 電 壓 ， 再 經 由 ， 方 波 產 生 器 、 正 弦 產 生 器 而 產 生 一 個 單 位 振 幅 之 振 弦 波 。 它 是 和 市 電 電 壓 同 相 位 ， 將 此 單 位 振 幅 之 正 弦 波 和 控 制 器 之 輸 出 送 至 乘 法 器 相 乘 ， 即 得 市 電 電 流 參 考 信 號 。 經 由 電 流 檢 出 器 之 市 電 電 流 和 此 參 考 信 號 送 入 電 流 控 制 器 中 ， 並 相 互 比 較 ， 而 控 制 器 之 輸 出 即 為 換 流 器 上 之 開 關 元 件 的 控 制 信 號，再 將 此 控 制 信 號 送 到 極 驅 動 電 路 ， 以 產 生 觸 發 信 號 來 驅 動 換 流 器 之 切 換 開 關 。 即 可 得 所 期 望 的 市 電 電 流 ， 一 個 和 市 電 電 壓 同 相 位 之 純 正 弦 波 ， 如 圖 12、 圖 13。 圖 11 控 制 方 塊 圖 五.結論 諧波抑制一直是電力品質改善的重要課 題，隨著非線性負載的快速成長，造成電力品 質每下愈況，臺灣電力公司不得不訂立諧波管 制標準來限制用戶產生的諧波量，以維持整個 系統的電力品質。目前臺灣地區產業界之諧波 濾除仍只限於被動式電力濾波器的使用，但是 它存在的串 並聯諧振及濾波特性受限於系 統參數等問題，所以它常常造成電力濾波器元 件之損毀，且濾波特性較難掌握，而電力電子 應用技術之發展，使得主動電力濾波器之技術
日益成熟，再加上電力電子的電壓電流額定愈 來愈高，且價格愈來愈便宜，因此造就主動電 力濾波器之實用化，目前國外大廠已有實際產 品並已上線運轉，目前亦已有產業界將之產品 引進國內,在可預見的數年來亦將被用來協助 國內解決諧波問題。目前主動電力濾波器之價 格仍偏高，但它的體積較被動式調諧濾波器小 很多，因此將來若主動電力濾波器的價格能降 低一半，則在較小容量非線性負載的諧波補償 上，主動電力濾波器將出現它的競爭力。 圖 12 轉換器操作在主動式電力濾波器之測試 結果(a)電源電壓(
Vs
)，(b)負載電流(I
L)。 圖 13 轉換器操作在主動式電力濾波器之測試 結果 (a)電源電壓(Vs)，(b) 電源電流(Is)。 六.參考資料[1] E. B. Makram, E. V. Subramaniam, A. Girgis and R. Catoe, “Harmonic Filter Design Using Actual Recorded Data,” IEEE Trans. on
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