用於電力系統電壓控制之原型靜態同步調相器之研究(3/3)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

用於電力系統電壓控制之原型靜態同步調相器之研究(3/3)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC93-2213-E-002-011-

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日

執行單位： 國立臺灣大學電機工程學系暨研究所

計畫主持人： 許源浴

計畫參與人員： 陳本盛 劉建宏 陳如元 黃國禎 魏堂宇 許明杰

報告類型： 完整報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 7 月 21 日

行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告

用於電力系統電壓控制之原型靜態同步調相器之研究(3/3)

A prototype static synchronous compensator for power system voltage control

計畫編號：NSC 93-2213-E-002-011

執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日

主持人：許源浴教授 國立台灣大學電機工程學研究所

計畫參與人員：陳本盛 劉建宏 陳如元 黃國禎 魏堂宇 許明杰

國立台灣大學電機工程學研究所

一、 中文摘要 本年度計畫之主要目的在於靜態同步調相器 硬體的實現。此計劃延續第一年和第二年計畫的分 析規劃與研究成果，並且以台電系統為對象，實作 一縮小比例之原型STATCOM，以便對 STATCOM 實際運用的性能進行了解。另外，在硬體電路方面 由 一 個 三 相 四 臂 脈 波 寬 度 調 變(Pulse Width Modulation，PWM) 的電壓型變流器連接一個直流 電容器所組成。在系統平台方面，則採用數位式架 構 ， 以 個 人 電 腦 為 基 礎 ， 配 合 研 華 科 技 公 司 PCL-1800 資料擷取卡來完成靜態同步補償器的控 制核心。最後，觀察實驗測試結果可發現，本計劃 所設計之靜態同步補償確實具有可降低電壓不平 衡率以及改善電壓驟降的能力。 關鍵詞: 靜態同步調相器、動態電壓響應、對稱 成分法。 Abstract

The purpose of final phase of this three-year project is to conduct experiments on a prototype static synchronous compensator (STATCOM) and to investigate the capability of the SATATCOM to regulate bus voltage when the power system is subjected to disturbances. The STATCOM comprises a three phase voltage-sourced pulse width modulated inverter with a dc capacitor. The control kernel of the STATCOM is implemented by a PC-based digital system with Adventec PCL-1800 data acquisition boards. Finally, based on the results from experiments of this project, it can be concluded that voltage unbalance and voltage sag can be effectively reduced by the proposed STATCOM.

Keywords: static synchronous compensators

(STATCOMs), dynamic voltage response, symmetrical component algorithm.

二、 緣由與目的 近年來台電公司及國內學者為改善台灣電力 系統所遭遇之輸電瓶頸，嘗試利用傳統串聯電容器 或閘控串聯電容器來調整電力潮流不平均分佈之 第一、第二輸電迴路[8]，由研究成果顯示不但可 提升輸電效率、更可改善電力系統穩定度。但研究 中亦指出，串聯補償裝置雖可解決輸電線過載及電 力潮流分佈不平均問題，但峨眉匯流排電壓過低的 問題仍然存在於台電系統。因此，本計畫希望探討 如何應用STATCOM 裝置改善峨眉匯流排電壓，並 進一步提升峨眉電壓之動態特性。 對於 STATCOM 實體之實現，本計劃設計工作 主要包含硬體設計、控制軟體設計，控制器設計 等，並於最後由實驗測試得知所設計的STATCOM 確實提供不錯的動態特性。 三、 系統實體線路 為驗證計畫所提之靜態同步補償器可應用於 電力系統電力品質之改善，在本節中利用計畫第二 年時使用Kron 化簡法求得系統從峨眉匯流排往系 統端看出之戴維寧等效電路，此等效電路即為簡化 後之台電系統線路，如圖1 所示，電路詳細內容為 連接台灣北部與中部的 345KV 線路，STATCOM 系統裝設在電壓為全系統最低的峨眉匯流排。此等 效電路還包含了一組連接到峨眉匯流排的等效負 載(RL+ωLL)，如圖 1 所示。實驗時所採用之實作系 統參數值分別為 Rs=0.5Ω,ωLs1=0.5Ω,ωLs2=0.75Ω, Lf=12Mh, Cf=20µF, Cdc=6800µF, RL=22.4Ω, ωLL=12Ω, 故障電阻 Rf=2Ω 及 4Ω，為討論系統平 衡故障與不平衡故障補償，在圖1 中我們分別投入 一故障電阻 Rf的三相電阻測試系統模擬發生一三 相平衡接地故障，之後投入一單相接地的故障電阻 模擬發生一三相不平衡接地故障，之後由本計畫所 提出之靜態同步補償器來開始進行補償。以實驗的 方式驗証本計畫所設計之靜態同步補償確實具有 可降低電壓不平衡率以及改善電壓驟降的能力。 四、 靜態同步補償器（STATCOM） 1979年Gyugyi提出三種可行的實現方式，即電 壓 源 型 式 （VSI ） 之變 流器 設 計、 電 流源 型式

（Current-Sourced Inverter, CSI）之變流器設計與變

頻 控 制 方 式 （Unrestricted Frequency Converter,

UFC）[4]。由於使用CSI與UFC設計方式之電力電 子元件需有雙向阻斷的能力。而VSI的設計方式之 電力電子元件只需要單向電壓阻斷能力，故VSI的 設計方式一直為相關研究所採用，而目前已商轉之 STATCOM也全以此種方式實現。 1. STATCOM 硬體設計 硬體系統架構圖如圖2所示。主要是採模組化

的設計理念，以電壓型變流器為主，構成整個硬體 系統中的電力電路部分，以供給負載所需之補償電 壓。然而為了補償線路電壓，必須送出一組參考信 號給變流器電路來產生我們所要的正確半導體開 關切換模式。此參考電壓之產生是經由四組霍爾電 壓感測器及一組霍爾電流感測器，分別將負載端電 壓、直流電容器之電壓信號及零序電流由資料擷取 卡之類比輸入端輸入至由個人電腦所構成之控制 器，而此控制器透過撰寫之補償演算法，決定出變 流器之開關切換動作，再經由資料擷取卡之數位輸 出端送出信號至互鎖電路。此互鎖電路為了避免造 成上下臂同時開啟或閉合的情形，因此對上下臂開 關的死域時間(Dead Time)作設計。最後由驅動電 路來驅動變流器之八個半導體開關之導通或截 止。而在驅動電路部分，採用六組分開之+15V的 直流電流供應驅動電路所需之隔離直流電源；其他 硬體所需之直流電源亦如圖2所示，其中+5V為專 供互鎖電路與同步電路所需之直流電源。一般而 言，必須嚴格的將數位電路和類比電路之電源分 開，以避免不必要的雜訊干擾造成不正確之誤動 作，而本年度計畫特別對此可能錯誤加以防範。 另外，本計劃所提三相四臂靜態同步補償器之 電力電路係採用電壓型變流器的電路架構。在變流 器部份，在此是採用日本三菱公司所生產之三相智 慧型功率模組（Intelligent Power Module, IPM）變 流器，編號為PM50RSA060，內部的半導體開關元

件 其 最 大 汲 極 到 源 極 承 受 電 壓 （Drain-Source

Voltage, VDS） 為600 伏 特 ， 而 額 定 汲 極 電 流

（Continuous Drain Current, ID）為50A，並能承受

最大脈衝電流（Pulse Drain Current, IDM）100A，同

時內含過電流、短路電流、過熱和欠壓等故障保護 電路及煞車電路與故障輸出，當有故障發生時，會 快速的關閉（shut down）以避免半導體開關元件 輕易燒毀及防止直流端瞬間產生電壓突波；而待故 障清除後，才會恢復正常動作。在直流電容器部 份，是採用一個6800µF的直流電容器，其主要功用 是提供變流器一個直流電壓，使其能正常運作，並 抑制直流漣波。在變流器交流輸出側部份，每相均 串接了12mH之電感器，其主要功用是緩和補償電 流的變化率及當作一低通濾波器，以減少電流諧波 流入系統電源端。 2. STATCOM 控制軟體撰寫 本計劃實作的部分其軟體是採用 C 語言來撰 寫，程式在作業系統中直接對資料擷取卡做直接的 輸出和輸入控制，使硬體的速度提至最高，而其中 控制程式的撰寫雖可採用組合語言以提高運算速 度，但因現在個人電腦已進入高速處理器時代，故 可不作此考慮，即用 C 語言來撰寫程式即可。就 整個系統的運作而言，軟體扮演著相當重要的角 色，也可以說是整個系統的核心。在程式的執行速 度要求上，軟體程式設計的好壞，有絕對的影響， 所以本計劃採用易於設計撰寫的 C 語言。就整個 軟體程式而言，大致可分成三個部分： （1）A/D 輸入取樣及資料轉換。 （2）欲補償電壓值之計算。 （3）輸出開關切換命令以達電壓補償。 其整個控制程式的流程，如圖 3 所示；其中 A/D 為輸入取樣及資料轉換，以週期性的方式自系 統電路中擷取類比資料，並將取樣之類比資料轉換 成數位資料，再經由演算法分析的對稱成份法算出 當時系統的正序、負序及零序電壓值，而由系統中 的正序電壓成分即可訂出負載端的參考正序電壓 值，此參考值和實際正序電壓成分之差經由一 PI 控制器即可求得電壓調整器所需輸出的補償電 壓，其負序、零序成分也以相同方式計算出來，而 此電壓再經 PWM 輸出後即可得到變流器開關之 切換命令。如此週而復始計算出正確的補償命令而 達到補償電壓以及降低不平衡率之目標。 3. STATCOM 控制器設計 圖 4 為主系統控制方塊圖，由此圖可看出首先 利用 Clark Hochgraf 所提出的同步座標矩陣[6]將 匯流排電壓轉成 Vqa、Vda、Vqb、Vdb、Vqc 及 Vdc 六個電壓相量。之後將此六個電壓分量利用對 稱成分法[19]可將三相電壓相量轉成正負零序電 壓相量，之後利用轉出的正負零序電壓相量可把系 統分成正負零序三個迴圈作各別控制。從物理意義 可以預期在設計時，我們會把正序電壓參考值設為 一標么，而負序電壓參考值會設為零標么，以減少 匯流排電壓不平衡率。在追逐參考值的過程中，是 採取前饋回授控制器來達成。至於零序不平衡率， 本計畫以圖5 的方式達成改善。 五、 STATCOM 與系統整合控制之應用性能測試 為驗證本計劃所提之靜態同步補償器可應用 於電力品質之改善，利用先前所建立的小型電力系 統與靜態同步補償器，以實驗的方式驗証本計劃所 提理論之可行性，實驗結果驗証採取本計劃所提出 之靜態同步補償器對發生故障之系統，其電壓及不 平衡率均獲得極大之改善效果。在實驗之波形量測 方面，主要是利用安捷倫（Agilent）之數位示波器 （Digitizing Oscilloscope；54624A）搭配 1:19.8 的 電壓霍爾感測器做波形的測量。本計劃對三相四線 式系統平衡故障補償和三相四線式系統不平衡故 障補償分別做實驗分析如下: 1. 三相四線式系統平衡故障補償 首先對三相四線式系統平衡故障作補償，在系 統圖 1 中我們在補償器投入前 2.406 秒時投入一 4Ω 的三相電阻模擬系統發生一三相平衡接地故 障，在 1.62 秒時，由本計劃所提出之靜態同步補 償器開始進行補償。圖6 為未發生平衡 4Ω 接地故 障時之負載端電壓，負載端峰值電壓為 Vl=26.73 伏，其中由於三相平衡故障不會造成負載端電壓不 平衡，因此僅以單相電壓表示負載端電壓。圖 7 為發生平衡4Ω 接地故障後之負載端電壓，負載端

峰值電壓降至Vl=22.27 伏，圖 7 中很清楚可看到 在補償器投入前2.406 秒時有一因三相電阻投入而 產生的暫態波形。圖8 為補償器投入補償後之負載 端電壓，負載端峰值電壓升至Vl=25.34 伏，在圖 8 中可看到會有大約50 毫秒的暫態現象，造成負載 端電壓恢復的延遲。 另外探討不同故障接地電阻值 2Ω 的補償情 形，在圖1 中我們在 0.398 秒時投入 2Ω 的三相電 阻模擬系統發生一三相平衡接地故障，在 1.84 秒 時，由靜態同步補償器開始進行補償。圖9 為未發 生平衡2Ω 接地故障時之負載端電壓，負載端峰值 電壓為 Vl=26.73 伏，同樣地由於三相平衡故障不 會造成負載端電壓不平衡，因此僅以單相電壓表示 負載端電壓。圖 10 為發生平衡 2Ω 接地故障後之 負載端電壓，負載端峰值電壓降至 Vl=16.83 伏， 圖 10 中很清楚可看到在 0.398 秒時有一因三相電 阻投入而產生的暫態波形。圖11 為補償器投入補 償後之負載端電壓，負載峰值端電壓升至Vl=24.26 伏，在圖11 中可看到會有大約 108 毫秒的暫態現 象，造成負載端電壓恢復的延遲。 由實驗波形圖8 與圖 11 中可看到暫態現象， 這是因為並聯補償器是利用電流去推動電壓來達 到電壓支撐之目的，因此實際作實驗與模擬會有速 度上的差別。此外，平均法濾波器在第一個週期僅 讀取資料不送出補償信號，也會造成時間上的延 遲。這代表50ms 可能還要外加一個週期的時間。 最後還可考慮當補償器投入匯流排造成的擾動亦 有可能造成零交越線錯誤，控制器與系統無法同 步，以上的因素皆有可能影響補償器達到穩態的速 度。在圖8 及圖 11 中可算出在平衡 4Ω 接地故障 中，補償器能將負載端電壓升至Vl=0.95 pu，在更 嚴重之平衡2Ω 接地故障中，補償器僅能將負載端 電壓升至Vl=0.90 pu。這是由於演算法分析中的四 個 PI 控制器，選擇不同的值，會使系統穩定至不 同的操作點。 2. 三相四線式系統不平衡故障補償 在此對三相四線式系統不平衡故障作補償，在 系統中我們投入一4Ω 的單相接地電阻模擬系統發 生一三相不平衡接地故障，在 1.44 秒時，由計畫 所提出之靜態同步補償器開始進行補償。圖12 為 未發生不平衡4Ω 接地故障時之負載端電壓，負載 端峰值電壓為Vl=26.73 伏，圖 13 為發生不平衡單 相4Ω 接地故障後之負載端電壓，負載端峰值電壓 如圖13 下方所示，分別為 20.39 伏、27.13 伏及 27.52 伏，並且在故障相有些許相位移的情況發生。圖 14 為補償器投入補償後之負載端電壓，負載端峰 值電壓恢復至Vl=27.02 伏，在圖 14 中可看到故障 相電壓到達穩態的時間較其他相久，並且略大於原 先的負載端峰值電壓 Vl=26.73 伏，這是由於電力 電子開關元件切換時所造成之諧波所致。圖15 為 補償器投入後達到穩態後之負載端電壓，負載端電 壓維持接近 Vl=26.73 伏，可驗証補償器在經較久 的時間後足以維持穩定。 另外探討不同故障接地電阻值2Ω 時的補償情 形，在系統中我們投入一2Ω 的單相接地電阻模擬 系統發生一三相不平衡接地故障，在 6.48 秒時， 由計畫所提出之靜態同步補償器開始進行補償。圖 16 為未發生不平衡 2Ω 接地故障時之負載端電 壓，負載端峰值電壓為Vl=26.73 伏，圖 17 為發生 不平衡單相2Ω 接地故障後之負載端電壓，負載端 峰值電壓如圖17 下方所示分別為 17.52 伏、27.42 伏及27.82 伏，並且在故障相有點相位移的情況發 生。圖18 為補償器投入補償後之負載端電壓，負 載端峰值電壓恢復至Vl=26.63 伏，在圖 18 中可看 到故障相電壓到達穩態的時間較其他相長。圖 19 為補償器投入後達到穩態後之負載端電壓，負載端 峰值電壓維持接近 Vl=26.63 伏，同樣地可驗証補 償器在經更遠的時間後足以維持穩定。 比較圖15 與圖 19 可以看到本計劃所提之靜態 同步補償器能對單相4Ω 接地故障作回復至 1pu 的 能力，但對較嚴重之單相2Ω 接地故障，就有力有 不逮的現象。並且可觀察到故障相因需求較大之補 償電流，故障相的電壓恢復也會較其他久，同時系 統達到穩態的時間會比平衡故障時久。 六、 討論 本計劃提出一以個人電腦作為控制主體的靜 態同步補償器，主要是研究如何以變流器為主體電 力架構來達成其應用於電力系統電壓驟降以及不 平衡改善之目標。最後利用實驗來測試本計劃所提 態同步補償器之應用效能；並由結果顯示，本計劃 所提之靜態同步補償器確實能達到調整負載端電 壓以及降低負載端電壓不平衡率之功能。 七、 計劃結果自評 本計劃針對用於電力系統電壓控制之靜態同步 調相器作第三年之研究，完成了原型靜態同步調相 器應用於電力系統之應用性能測試，對於預期工作 項目中的「STATCOM 硬體製作設計」、「STATCOM 控 制 軟 體 撰 寫 」、「STATCOM 控 制 器 設 計 」、 「STATCOM 性能測試」、「STATCOM 系統整合測 試」以及「STATCOM 在系統控制之應用」等項目 均順利完成，達成本計畫原先所擬定之進度和目 標。最後實體性能測試的結果亦相當令人滿意。 八、 參考文獻 [1] 陳如元, “三相四線式靜態同步補償器,” 碩士 論文, 台灣大學, 民國九十三年。

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圖1 系統等效電路圖 − + dc V 驅動電路 互鎖電路 研華PCL-1800 資料擷取卡 PC Control +5V * 2 + 15V * 6 DC Power Supply +5V * 2 +/-15V * 2 DC Power Supply 同步電路 圖2 靜態同步補償器之硬體系統架構圖 A/D是否忙碌？ 開始 資料擷取卡初始設定 計算所需補償電壓 PWM比較 輸出開關切換命令 中斷 結束 是 否 是 圖3 靜態同步補償器之程式控制流程圖 Rs ωLs1 dc C Inverter ωLs2 RL ωLL Lf Cf

− V abc l V • ∠ • • ∠ • − φ φc− − c V • ∠ • • ∠ • + ∆φ + -+ -+ + + + + + + c V + c φ abc c V PI ∗ dc V + -dc V abc − ref V + V + ref V + φ PI PI dq + T − T 0 T − dq + dq + dq − dq dq abc ] [T inv 圖4 電壓控制方塊圖 0 to dq dq • ∠ • PI dq • ∠ • dq to 0 0 I ref I0, 0 I 0 I ∠ comp V0, 圖5 第四臂零序電壓控制迴圈 伏 73 . 26 = l V X ∆ =200ms 圖6 未發生平衡 4Ω 接地故障時之負載端電壓 伏 27 . 22 = l V X ∆=200ms 圖7 發生平衡 4Ω 接地故障後之負載端電壓 伏 34 . 25 = l V X ∆ =50ms 圖8 發生平衡 4Ω 接地故障補償器投入補償後之 負載端電壓 伏 73 . 26 = l V X ∆=200ms 圖9 未發生平衡 2Ω 接地故障時之負載端電壓 伏 83 . 16 = l V X ∆=200ms 圖10 發生平衡 2Ω 接地故障後之負載端電壓 伏 26 . 24 = l V X ∆ =108ms 圖11 發生平衡 2Ω 接地故障補償器投入補償後之 負載端電壓 伏 73 . 26 = l V X ∆=200ms 圖12 未發生不平衡 4Ω 接地故障時之負載端電壓 伏 39 . 20 = la V 伏 13 . 27 = lb V 伏 52 . 27 = lc V X ∆=200ms 圖13 發生不平衡 4Ω 接地故障後之負載端電壓

伏 02 . 27 = l V X ∆=200ms 圖14 發生不平衡 4Ω 接地故障補償器投入補償後 之負載端電壓 伏 73 . 26 = l V X ∆=200ms 圖 15 發生不平衡 4Ω 接地故障補償器投入達到穩 態後之負載端電壓 伏 73 . 26 = l V X ∆=200ms 圖16 未發生不平衡 2Ω 接地故障時之負載端電壓 伏 52 . 17 = la V 伏 82 . 27 = lb V 伏 42 . 27 = lc V X ∆=200ms 圖17 發生不平衡 2Ω 接地故障後之負載端電壓 伏 63 . 26 = l V X ∆=200ms 圖18 發生不平衡 2Ω 接地故障補償器投入補償後 之負載端電壓 X ∆=200ms 伏 63 . 26 = l V X ∆=24.4ms 圖19 發生不平衡 2Ω 接地故障補償器投入達到穩 態後之負載端電壓