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電力品質分析與改善-子計劃
混合式電力濾波器之研究( I I )
The Study of Hybr id Power Filter
計劃編號 : NSC 89-2213-E-151-013 執行期限 : 88/08/01~89/07/31 主持人: 周宏亮 國立高雄應用科技大學電機工程系 共同主持人: 吳晉昌 私立高苑技術學院電機工程系 計畫參與人員 : 吳坤德 黃敏隆 國立高雄應用科技大學電機工程系 一、中文摘要 諧波污染導致電力品質日益惡化，為改 善此問題，目前產業界廣泛使用被動式電力 濾波器來抑制諧波，然被動式電力濾波器仍 存在許多缺點。因此近年來利用電力電子技 術發展出來主動式電力濾波器，但其仍然尚 存在一些缺點。本研究將提出一種結合主動 式與被動式電力濾波器架構而成之串聯型 混合式電力濾波器，它能有效解決諧波問 題，且能避免主動式及被動式電力濾波器存 在之缺點。本研究將建立一套單相與三相串 聯型混合式電力濾波器之硬體雛型以驗証 其功能。 關鍵詞:諧波，電力濾波器。 Abstract
The harmonic pollution has resulted in the problem of poor power quality. Conventionally , the harmonic problem was solved by using the L-C passive power filters. However, it has many disadvantages. The power electronics based equipment, active power filter, has been developed recently. Nevertheless, it still has some disadvantages. In this paper, a series type hybrid power filter, which was combined by a passive power filter and an active power filter , is presented. A single prototype and a three phase prototype will be developed and tested to verify its performance in this report .
Keywords: harmonic，power filter。 二、前言 諧 波 電 流 的 抑 制 主 要 必 須 靠 電 力 濾 波 器，傳統的電力濾波器是由被動元件所組成， 它的濾波特性一旦經設計裝置後便無法隨著 負載改變而有所調整，而且其濾波效果易受系 統電抗之影響，然不幸的是系統電抗隨時在 變，很難有效去掌握其變化範圍，更甚的是加 裝被動式濾波器後可能吸引鄰近之非線性負 載所產生之諧波電流，造成濾波器之過載危 機，此外被動式濾波器亦易與系統電抗產生串 /並聯諧振，放大諧波電壓或電流，造成濾波 器本身或其它電器設備之破壞，因此設計時必 須非常小心。 近年來許多大功率，高速切換之電力電子 元件紛紛被開發出來，而提升主動式電力濾波 器之實用性，因此主動式電力濾波器之研究再 度活絡起來[1-5]，且日本與歐洲國家已發展 出商業化之產品[6]，但它的全面實用化仍受 限於高製造成本及高運轉成本，目前尚無法與 被動式電力濾波器相抗衡。且對於大電力之應 用諸如大煉鋼廠等仍受限於目前的電力電子 元件的容量尚無法提升到此範圍，而有所限 制。 鑑於主、被動式電力濾波器存在之問題， 目前比較可行的方法是結合主動式與被動式 電力濾波器，利用被動式電力濾波器來提升濾 波容量，以較小容量之主動式電力濾波器來改 善被動式電力濾波器存在之問題，本計劃即提 出一種結合主、被動式電力濾波器而成之串聯 型混合式電力濾波器，並實際完成一套單相與 三相硬體雛型以驗証本計劃所提方法之可行 性。 三、研究報告 本報告所提出之三相串聯型混合式電力 濾波器之主電力電路架構如圖 1 所示。包含被 動式電力濾波器、串聯式主動電力濾波器與並
2 聯之非線性負載。串聯型混合式電力濾波器其 功用為抑制諧波電流。因主動式電力濾波器係 經變壓器與市電串聯，就像是諧波隔離器能隔 離市電與非線性負載間之諧波電流，避免諧波 電流回饋到市電使電力品質惡化，此外被動式 電力濾波器由幾組單調諧式濾波器組成，其調 諧頻率由負載的主要諧波頻率來決定，而主動 電力濾波器則包含 L-C 低通輸出濾波器、隔 離變壓器、電力轉換器及儲能電容器等。 Vs 220V 60Hz Ls Isolation Low-Pass
Shunt Passive Filter Energy Series ActiveFilter Power Converter L7 L5 C7 C5 Storage Capacitor Nonlinear (Diode Rectifier) iL iF iS Output Filter Load Transformer iC 圖 1、串聯型混合式電力濾波器之主電力電路架構. 為了改善被動式電力濾波器之缺點，本文將 在市電與非線性負載間串聯一電力轉換器來產生 一個電壓，其值為： ) ( ) (t K i t Vc = • Sh (1) 此電力轉換器用來產生一個電壓，其中 iSh(t)為 配電系統供電電流之諧波成份，K 為一虛擬電阻 常數。為了分析不同頻率下之電路特性，串聯型 混合式電力濾波器系統又可等效成諧波頻率下之 等效電路與基本波頻率下等效電路，分別如圖 2(a)及圖 2(d)所示。配電系統等效成一電壓源 VS 與一系統阻抗 ZS，假設配電系統之電壓為純正弦 波，而非線性負載則可等效成一電流源。 首先分析諧波頻率等效電路，由圖 2(a)中可 以推導出，回饋到配電系統之諧波分量為 ) ( ) ( i t Z Z K Z t i Lh Fh Sh Fh Sh = + + (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相當於在 ZSh串聯 K (Ω) 的電阻，如圖 2(b)所示，如果 K >> ∣ZFh ∣，則負載產生的所有諧波電流，都將流入被動 式電力濾波器，所以濾波效果會更好。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 K Z ω ω ω ω ω ω − + + + − + + = (3) 其中 R 為雜散電阻，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。 圖 2 等效電路,(a)供電電壓為純正弦波下於諧波頻率情況 之等效電路,(b) 圖 2(a) 之等效電路, (c)供電電壓含有諧 波成份下之等效電路, (d)基本波頻率情況下。 其中下標 h 代表諧波頻率時，因此由式(2)可看出 電源等效阻抗 ZSh對濾波器濾波特性之影響甚 大，電源等效阻抗愈大則濾波效果愈佳。 另由(2)式中可發現被動式電力濾波器之 濾波效果將受電源等效電抗影響，所以要提升 濾波效果可由增加電源電抗或減少濾波器電 抗著手。其中電源電抗隨著配電系統的狀態而 變化，無法隨意改變，且難以掌握；而減少濾 波器電抗則必須使諧波濾波器之品質因數提 高，並使得調諧頻率儘量接近諧波電流頻率， 但由於被動元件可能因老化或溫度而有所改 變，而串/並聯諧振頻率一般均與調諧頻率很 接近，所以調諧頻率太接近諧波電流頻率將使 得串/並聯諧振發生機率升高，所以調諧濾波 器之調諧頻率一般均選擇在略小於諧波電流 頻率之 3% 到 10%之間，由於調諧濾波器調 諧頻率無法選擇剛好在諧波電流頻率處，所以 它的濾波效果將受影響。 若配電系統供電電壓含有諧波，由圖 2(c)中 可以很清楚的看出配電系統供電電流所含的諧波 分量為
3 Fh Sh Sh Sh Z Z K t v t i + + = ( ) ) ( (4) 由式(4)可發現，加入電力轉換器後分母多了一項 K ，如果 K >> ∣ZSh+ZFh∣，則Vsh(t)所產生之諧 波電流被有效的抑制。而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 (5) 由式(5)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。 電力轉換器之電壓為電源側諧波電流值的 K 倍，不包含基本波成份，所以圖 2(d)之基本波頻 率下等效電路中它就可以視為短路，流過電力轉 換器之基本波電流即為市電電流之基本波電流， 而在諧波頻率下，電力轉換器兩端的電壓為 ) t ( i K ) t ( vC = • Sh ) (t i Z Z K Z K Lh Fh Sh Fh + + • = (6) 由式(6)中可看出電力轉換器的電壓正比於被動 式電力濾波器之阻抗，而由前面之分析可以看出 串聯型混合式電力濾波器之串/並聯諧振問題可 以被有效抑制，因此被動式電力濾波器之調諧頻 率可以儘可能等於負載主要諧波電流之頻率，以 有效降低電力轉換器之電壓，而流過電力轉換器 的諧波電流幾乎等於負載的諧波電流，因此流過 電力轉換器之總電流為
)
t
(
i
)
t
(
i
)
t
(
i
C＝
S1+
Sh (7) 其中 iS1(t)為市電電流之基本波電流，由以上之 分析可看出電力轉換器在諧波頻率時提供高阻抗 以阻隔非線性負載之諧波電流，所以電力轉換器 之容量與被動式電力濾波器比較起來相當小，若 設計得當，電力轉換器之容量可以減少到整個濾 波器容量的 1/10 以下。加上有被動式電力濾波 器之輔助，在此被動式電力濾波器提供諧波電流 之路徑，所以串聯型混合式電力濾波器之電力轉 換器容量遠小於當配電系統單獨使用主動式電力 濾波器時之容量。因此可解決主動式電力濾波器 容量限制的問題，並進而減少系統的成本。由以 上分析證實，本計劃所提出串聯型混合式電力濾 波器可有效濾除非線性負載所產生之諧波電流， 以改善惡化的電力品質，且可降低電力轉換器之 容量，因而有利於其在大容量之應用。 圖 3、串聯型混合式電力濾波器之控制方塊圖。 圖 3 所示為本計劃所提串聯型混合式電 力濾波器之控制方塊圖，圖中下半部為在諧波 頻率下當作電阻 K 時主動式電力濾波器所需 產生電壓Vc 之計算電路，首先檢測出電源電 流，再經過一個帶通濾波器檢測出電源電流之 基本波成分，將電源電流減去其基本波成分可 得到電源電流之諧波成分，再將此諧波成分乘 以K 倍，則可得到主動式電力濾波器所必須產 生之電壓參考信號 Vc，此信號經脈波寬度調 變(PWM)及電力轉換器之電力電子開關切換， 即可在電力轉換器輸出端得到如式(1)之電 壓。由圖 3 可看出其控制電路相當簡單。 四、研究成果與討論 為了實際驗證串聯型混合式電力濾波器之 特性，本研究分別設計一套單相及三相串聯型混 合式電力濾波器之雛型。 圖 4 非線性負載電流及其頻譜。 單相雛型之實際成果如圖 4 至圖 5，圖 4 所示為負載電流及其頻譜，圖中可看出它含有 大量的諧波。而圖 5 所示為加入 串聯型混合式 電力濾波器後之電源電流及頻譜，由圖中可看出 經串聯型混合式電力濾波器濾波後電源電流為一 漂亮的正弦波形，證實串聯型混合式電力濾波 器具有良好抑制諧波功能。 0 60 180 300 420 540 660 780 900 1020 1140 Hz ( f ) 3 A/DIV 20 dB/DIV4 圖 5 串聯型混合式電力濾波器補償後之電源電流及其 頻譜(K=10) 。 圖 6 非線性負載電流及其頻譜之實測結果圖。 圖 7 串聯型混合式電力濾波器補償後之三相電源電流及其 頻譜之實測結果圖(K=10) 。 三相實際成果如圖 6 及至圖 7 所示，圖 6 為 三相電源之負載電流 及其頻譜之實測結 果 圖，圖中可看出它含有大量的諧波。圖 7 所示 為加入串聯型混合式電力濾波器濾波之電源電流 實測結果，此結果証明串聯型混合式電力濾波器 有很好之濾波之特性。 五、結 論 主動式電力濾波器與被動式電力濾波器 均存在一些難以克服的問題，無法徹底解決諧 波所導致之嚴重電力品質惡化的情形，為了有 效解決電力系統諧波的問題，有很多新型之濾 波器不斷被發展出來，本計劃所提出之串聯型 混合式電力濾波器以使用較小容量的主動式 電力濾波器，並配合大容量的被動式電力濾波 器，它可以有效解決主、被動式電力濾波器單 獨存在時的問題，經由實測結果中可看出本計 劃所提之串聯型混合式電力濾波器的確能藉 由小容量的主動式電力濾波器來改善被動式 電力濾波器之濾波效果，並能達到理想市電品 質，是極具實用與經濟性的系統。 六、參考文獻
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〔6〕E﹒H song and B﹒H Kwon ,“A Novel Digital Control For Active Power Filter , ”IEEE Tans.Ind.Appl.1992,pp.1168-1173. 0 60 180 300 420 540 660 780 900 1020 1140 Hz (f ) 8.05 A/DIV 20 dB/DIV 0 60 180 300 420 540 660 780 900 1020 1140 Hz ( f ) 0 60 180 300 420 540 660 780 900 1020 1140 Hz ( f )
