電力品質分析、監測與改善之研究-子計畫五：混合式電力濾波器並聯運轉控制策略之研究與硬體實作(I)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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總計劃：電力品質分析、監測與改善

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子計劃五：混合式電力濾波器並聯運轉控制策略之研究與硬體實作(1/3)

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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC 90－2213－E－151－012

執行期間： 90 年 8 月 01 日至 91 年 07 月 31 日

計畫主持人：周宏亮

共同主持人：

計畫參與人員：陳佐睦 張家豪 黃敏昇

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立高雄應用科技大學電機工程系

中 華 民 國 91 年 7 月 31 日

行政院國家科學發展委員會專題期終報告

總計劃：電力品質分析、監測與改善

子計劃五：混合式電力濾波器並聯運轉控制策略之研究與硬體實作(1/3)

The Study and Implementation of Control Strategies for Parallel Operation of Hybrid Power Filter

計劃編號：NSC 90-2213-E-151-012 執行期間：90/08/01—91/07/31 主持人：周宏亮 國立高雄應用科技大學電機工程系 計劃參與人員：陳佐睦 張家豪 黃敏昇 國立高雄應用科技大學電機工程系 一、中文摘要 近年來諧波污染日益嚴重，傳統上使用被 動式電力濾波器來抑制諧波電流，然而被動式 電力濾波器潛藏著諧振的問題。為解決此問題 於是有主動式電力濾波器與混合式電力濾波 器被發展出來，但基於容量與成本的考量，混 合式電力濾波器有機會成為未來電力濾波器 的主流。本文提出由一小容量的混合式電力濾 波器並聯現有的被動式電力濾波器之整合型 電力濾波器系統以改善被動式電力濾波器的 性能。為驗證其功能將建立一單相硬體雛形進 行測試。 關鍵詞 ： 諧波、被動式電力濾波器、混合式 電力濾波器。 Abstract

The harmonic pollution was serious in recent years. The passive power filters were used to suppress the harmonic current conventionally. However, the passive power filters have the problem of resonance. For solving the resonance problem, active power filter and hybrid power filter are developed. After considering the power capacity and cost, hybrid power filter is a better choice in the future. To improve the performance of passive power filters, a small capacity of hybrid power filter which is in parallel with the existing passive power filters to configure a combined power filter system. In this paper, this combined power filter system is analyzed. Finally, a hardware prototype has been developed to

verify its performance.

Keywords ： harmonic、passive power filter、hybrid power filter。 二．前言 諧波污染在近年來日趨嚴重，它降低了配 電系統的電力品質[1]，為了改善電力品質， 諧波抑制技術日益重要。基於硬體成本的考 量，被動式電力濾波器常用來解決配電系統的 諧波問題[2]，然而被動式電力濾波器應用於 配電系統時有串/並諧振問題，因而可能造成 破壞被動式電力濾波器與鄰近的電力設備。此 外被動式電力濾波器的濾波效果受系統阻抗 影響，不幸的是，系統阻抗是很難估計。因此， 被動式電力濾波器在應用上尚存在許多難以 克服之缺點。 主動式電力濾波器[3][4]是利用電力轉 換器來產生補償電流注入電力系統饋線來抵 消負載電流之諧波及虛功成分，使得市電電流 呈現正弦波，主動式電力濾波器可視為一電流 源，因此主動式電力濾波器能避免與系統阻抗 產生串/並聯諧振的問題。基於成本與電力容 量之考量，主動式電力濾波器仍然無法普遍的 應用在實際配電系統。 結合被動式電力濾波器與電力轉換器的 混合式電力濾波器已被發展出來[5][6]，因為 被動式電力濾波器的使用，使得混合式電力濾 波器中電力轉換器的電力容量僅約整體濾波 容量的十分之一，所以，混合式電力濾波器在 大電力容量的應用比主動式電力濾波器更為 可行；而被動式電力濾波器的諧振問題也因混 合式電力濾波器中使用的電力轉換器而獲得

解決。 雖 然 被 動 式 電 力 濾 波 器 有 相 當 多 的 問 題，但基於成本考量，配電系統上仍大都以被 動式電力濾波器來抑制諧波電流及改善功率 因數。為了解決目前使用被動式電力濾波器的 問題，本文提出混合式電力濾波器與被動式電 力濾波器並聯運轉使用之分析。最後並完成一 硬體雛型以驗證其可行性。 三．動作原理 圖 1 為結合混合式電力濾波器與被動式 電力濾波器之系統架構圖。在安裝混合式電力 濾波器之前，被動式電力濾波器已被用來抑制 諧波電流及改善功率因數，被動式電力濾波器 是針對非線性負載較大諧波量由數個單調諧 濾波器所組成，混合式電力濾波器則由電力轉 換器與單調諧濾波器組成來改善濾波性能與 被動式電力濾波器的諧振問題。. 混合式電力濾波器其電力轉換器可當作 一電壓源，此濾波系統之控制方式由二部分組 成，分別說明如下： (1).濾波性能改善 混合式電力濾波器之電力轉換器之主要 功能為防止被動式電力濾波器發生諧振及改 善濾波性能，其輸出電壓為Va₁(t) ) t ( i k ) t ( Va₁ = _{1 sh} (1) ) t ( i_sh 為市電電流之諧波成分，k₁為一常數，電 力轉換器之操作可視為在市電迴路串聯一虛 擬諧波電阻，如此可抑制被動式電力濾波器之 諧振問題。此外，它亦增加系統等效阻抗，因 此，濾波器性能亦可改善。 圖 1 電力濾波系統主電路架構 (2).直流電壓控制 式(1)中，電力轉換器可視為一諧波電 阻，它會從配電系統吸收實功，實功將注入電 力轉換器之直流電容器上，使直流電容電壓增 加，為維持電力轉換器正常運轉，直流電容電 壓必須維持不變，電力轉換器必須將直流電容 器增加的能量再生回送回配電系統上，為了避 免產生諧波汙染，此再生能量必須以基頻型態 回送。因此，電力轉換器的直流電容器可視作 能量緩衝器，來吸收諧波實功與再生基本波實 功回送到電力系統上。為了以基頻將再生能量 回送回配電系統，因此，電力轉換器必須產生 一正比於 混合 式電 力濾 波器 電流之 基 波成 分，它可表示為： Va₂(t)=k₂i_h1(t) (2) 式(2)中，k₂等於電力轉換器操作成之虛 擬基頻正/負值電阻，它能吸收或再生基本波 實功。意即電力轉換器當作能量轉換器，來轉 換諧波實功到基本波實功。 因此，整體電力轉換器的輸出電壓為： Va(t)=Va₁(t)+Va₂(t) (3) 四．控制方塊圖 圖 2 為濾波系統中電力轉換器之控制方 塊圖。控制方塊包含性能改善方塊與直流電壓 控制 方 塊 ， 兩 者 各 自 產 生Va₁(t)與Va₂(t)信 號。性能改善方塊包含帶拒濾波器與放大器， 其中帶拒 濾波 器由 帶通 濾波 器與減 法 器組 成，帶拒濾波器輸出至放大器後建立Va1(t)電 壓，帶拒濾波器主要用來濾除市電電流之基本 波成分。 圖 2 混合式電力濾波器之控制方塊圖 電力轉換器的直流電容電壓會變動是因 諧波實功注入及電力轉換器的功率損失，直流 電壓控制 方塊 可使 直流 電容 器電壓 保 持定 值。因此，直流電容器電壓與設定值比較後送

至ＰＩ控制器，ＰＩ控制器之輸出即為基本波 電阻k2，直流電容器的電壓在穩態中將保持在 預設值。由於混合式電力濾波器之被動濾波器 部分在基本波呈電容性，故控制方塊中藉由檢 出市電電壓，經 90 度相移電路得到一超前 90 度之弦波信號，此弦波信號可視為混合式電力 濾波器電流之基波相量，此基波相量與ＰＩ控 制器的輸出信號相乘便可得到Va₂(t)。最後信 號Va₁(t)與Va₂(t)之和為電力轉換器的期望電 壓，此電壓送至 PWM 調變產生電力轉換器的切 換信號。 五．系統分析 圖 3 為濾波器系統之等效電路。圖中電力 轉換器可等效成相依電壓源，被補償之非線性 負載等效成電流源。 圖中鄰近的非線性負載假設為一諧波電 流源(in ) Lh ，因此共有兩個諧波電流源，分別為 鄰近的非線性負載與被補償之非線性負載。被 補償之非線性負載可能造成並聯共振，而鄰近 的非線性負載產生之諧波電流會造成匯流排 電壓失真而對濾波器注入諧波。混合式電力濾 波器與被動式電力濾波器並聯運轉之下，被補 償之非線性負載的效應將分析如下： 利用重疊定理將鄰近諧波電流源假設開 路來分析被補償之非線性負載的效應，在混合 式 電 力 濾 波 器 之 電 力 轉 換 器 運 轉 之 前 ) 0 k ( ₁ = ，由被補償之非線性負載看入的等效阻 抗可推得： Z_eq= ph sh hh sh hh ph sh hh ph Z Z Z Z Z Z Z Z Z + + (4) 圖 3 電力濾波系統之等效電路 市電諧波電流、現有的被動式電力濾波器的諧 波電流與混合式電力濾波器的諧波電流分別 為： , ) ( Lh sh eq sh i Z Z t i = ( ) Lh, ph eq ph i Z Z t i = Lh hh eq hh i z z ) t ( i = 從式(4)中將發現若分母為 0 時會發生並 聯諧振，在此情況下等效阻抗 Zeq將會放大造 成市電電流、混合式電力濾波器及被動式電力 濾波器之諧波電流增大。 若混合式電力濾波器之電力轉換器運作 後，諧波電流變成： Lh 1 1 hh sh eq sh Lh ph 1 ph sh hh sh hh ph hh ph sh i ) k z z 1 z 1 ( z 1 i z k z z z z z z z z ) t ( i − + = + + + = (5) 流入現有的被動式電力濾波器的諧波電流為： Lh 1 1 hh sh eq ph Lh ph 1 ph sh hh sh hh ph hh sh ph i ) k z z 1 z 1 ( z 1 i z k z z z z z z z z ) t ( i − + = + + + = (6) 流入混合式電力濾波器的諧波電流為： Lh 1 1 hh sh eq sh 1 hh Lh ph 1 ph sh hh sh hh ph ph 1 ph sh hh i ) k z z 1 z 1 )( z k 1 ( z 1 i z k z z z z z z z k z z ) t ( i − + + = + + + + = (7) 從式(5)-(7)中，推得諧波等效阻抗為Zeq 和Z_shZ_hh k₁並聯的結果。系統阻抗Z_sh一般為 電感，若Z_hh為電容，Z_shZ_hh k₁為一等效正值 電阻；反之若Z_hh為電感，Z_shZ_hh k₁為一等效 負值電阻。等效正值電阻可作為一阻尼器以避 免並聯諧振。 因此，Zhh必須為電容，意即混 合式電力濾波器之調諧頻率必須比現有的被 動式電力濾波器之調諧頻率為大。將 k₁提高 或者使Z_hh變小可提升阻尼效果。 六．實測結果 為證明整個系統的性能，一個單相濾波器 系統雛型如圖 5 所示，被建立以進行測試。硬 體雛型的主要參數表示在表 1 之中。 圖 6 與 7 為整合型電力濾波器連接被補償 之非線性負載下，k1值分別為 1 和 10 之實測 結果，由圖中可知 k1越大諧波補償效果越佳。 在圖 7 中 k1調至 10 時，電源電流相當接近純 正弦波。 圖 8 所示為非線性負載加載暫態之實測 結果圖。由圖可看出此濾波器系統之暫態響應

良好。 表 1 系統參數 單調諧濾波器(三次) L=6.4mh C=120.4μf 被 動 單調諧濾波器(五次) L=6.3mh C=44.1μf 單調諧濾波器(三次) L=20.3mh C=37.6μf 混 合 單調諧濾波器(五次) L=12.6mh C=20.6μf 圖 5 整合性電力濾波器之電力電路圖 圖 6 實測結果(k =1)(1)電源電流(2)被動式電力濾波1 器電流(3)混合式電力濾波器電流(4)負載電流 圖 7 實測結果(k =10)(1)電源電流(2)被動式電力濾波1 器電流(3)混合式電力濾波器電流(4)負載電流 圖 8 整合型電力濾波器之暫態加載特性(k =5)(1)電源₁ 電流(2)被動式電力濾波器電流(3)混合式電力濾波器 (4)負載電流 七．結論 本文中，針對混合式電力濾波器與被動式 電力濾波器並聯之濾波器系統進行分析，最後 並完成一硬體雛型。實測結果顯示出其中之混 合式電力濾波器能改善濾波性能並抑制被動 式電力濾波器的諧振。 八．謝誌 感謝國科會研究計畫 NSC90-2213-E-151- 012 之贊助，使得本研究得以順利完成。 九．參考文獻

[1] Henderson, R. D. and Rose, P. J. :‘Harmonics : The Effects on Power Quality and Transformers,’ IEEE Trans., 1994, IA-30, (3), pp. 528-532.

[2] Gonzalez, D. A. and Mccall, J. C. :‘Design of Filters to Reduce Harmonic Distortion in Industrial Power Systems’, IEEE Trans., 1987, IA-23, (3), pp.504-511. [3] Akagi, H., Kanazawa, Y. and Nabae, A. :‘Instantaneous

Reactive Power Compensator Comprising Switching Devices without Energy Storage Components’, IEEE Trans., 1984, IA- 20, (3), pp. 625-630.

[4] Grady, W. M., Samotyj, M. J. and Noyola, A.H. :‘Survey of Active Power Line Conditioning Methodologies’, IEEE Trans., 1990, PD-5, (3), pp.1536-1542.

[5] Peng, F. Z., Akagi, H. and Nabae, A. :‘Compensation Characteristics of the Combined System of Shunt Passive and Series Active Power Filter,’ IEEE Trans., 1993, IA-29, (1), pp.144-152

[6] Bhattacharya, S., Cheng, P. T. and Divan, D. M. :‘Hybrid Solutions for Improving Passive Filter Performance in High Power Applications’, IEEE Trans., 1997, IA-33, (3), pp.732-747.