單相直流 -交流功率轉換器之 分析及控制

多功能單相

不斷電系統之研製

黃仲欽．鄭榮明

▇

摘 要

本文旨在分析及研製多功能的單相不斷電系統。本系統除具有虛功補償功能外，並且加入超 級電容器裝置，能增強在市電中斷時瞬時輸出電能，以改善蓄電池瞬時放電之電流。系統採用單 相全橋式架構及正弦脈波寬度調變單極性電壓切換技術，具有低諧波失真及快速響應之性能。直 流-交流功率轉換器為電壓控制模式，採用振幅鎖定控制法則，於負載劇烈變動下可提供快速響應 及穩定之單相電壓源予單相負載使用。儲能元件的能量管理方面，則採用升/降壓型直流截波器作 為放電及充電之控制。蓄電池及超級電容器於放電時以定電壓控制策略提供負載能量，而於充電 時則採二段式，即定電流-定電壓方式對電池充電。

本文之系統以高性能、低成本的數位信號處理器TMS320LF2812為整體系統之控制核心，功 率轉換器之閉迴路控制法則皆由軟體完成控制策略，不但減少硬體電路成本，並增加了系統運轉 可靠度。本系統目前已完成線性負載約250W供電測試，其電壓總諧波失真率為4.09%，符合IEEE Std. 519-1992規範。另外，於市電正常時，可對電感性負載進行功率補償，且於市電中斷時，除 確保負載持續正常受電外，超級電容器確實能發揮斷電瞬間強化放電電力輸出及降低電池放電瞬 間突波電流，有效達到延長蓄電池組壽命。實驗結果驗證本文之理論分析及控制法則的可行性。

關鍵字：正弦脈波寬度調變，振幅鎖定控制法則，總諧波失真率

前 言

伴隨科技產業的發展，各種資訊化與自 動化的儀器設備被廣泛地應用，這些設備不 允許有片刻的電力中斷或者是過大的電壓變 動率，否則可能造成儀控設備電路燒毀或失 控所產生的產業經濟或生命的重大損失。然 而電力供應難免會遭遇各種天災及人為疏失 等外在因素，常產生瞬間電壓變動或電力中 斷。因此，不斷電系統(Uninterruptible Power System,UPS)乃成為現代科技文明生活中不可 或缺的重要設備。

不 斷 電 系 統 的 操 作 原 理 為 市 電 正 常 時 將電能儲存於蓄電池中，當市電中斷後再由 蓄電池供給負載使用。若以負載容量計算，

可分為三相與單相不斷電系統。單相不斷電 系統大都用於個人電腦、區域伺服器或照明 設備等家庭電器上，而三相不斷電系統則應 用於電腦工作站、工業設備或電信機房等功 率需求較大的場所。不斷電系統主要功用在

於瞬間電壓變動或電力中斷時，提供電力異 常時之備用電源，避免整體系統癱瘓或危及 人身安全，其至少須維持電力至備載緊急發 電設備啟動。然而，瞬間電壓變動或電力中 斷時一般不斷電系統受限於儲能元件特性，

無法瞬間輸出平穩堅實電力致產生電壓微陡 降情形，尤其是遇到重型負載如電動機。因 此，本文將採用超級電容器(Supercapacitor)輔 助電池儲能應用於不斷電系統，利用其強大 的瞬間快速儲放能量爆發力的特性，增強改 善不斷電系統使用性能，並延長電池使用的 續航力及其壽命。

另 者 ， 為 改 善 負 載 設 備 如 電 動 機 運 轉 之落後功率因數，在市電正常供電之下，不 斷電系統亦常被設計成兼具提供虛功率補償 功能，補償負載所需的虛功率成分，使市電 電壓與電流趨於同相位，不受負載功率因數 落後的影響，如此可提升整體用電效率與品 質。

圖1 整體系統架構圖

單相直流 -交流功率轉換器之 分析及控制

本文之單相直流-交流功率轉換器電力電 路如圖2所示。

(一)單極性電壓切換控制

比較單極性電壓切換與雙極性電壓切換 控制特性，雖單極性電壓切換輸出波形的基 本成分和雙極性電壓切換的結果相同，但由 於單極性電壓切換功率電晶體開關須同時受 一組v^*ab^及( v )− ^*ab 和三角波訊號vtri^的比較信

號控制切換，其輸出等效切換頻率為雙極性 電壓切換的二倍，以致其諧波分佈較趨於兩 側邊帶上，諧波含量遠低於雙極性電壓切換 及具低切換損失，故可以較小的濾波器設計 達到濾波效果，亦即可降低濾波電路體積與 重量，因此本文系統將採用單極性電壓切換 脈寬調變方式作為開關切換控制策略。

單 極 性 電 壓 切 換 模 式 之 正 弦 脈 波 寬 度 調變訊號的控制，其直流－交流功率轉換器 上、下臂的訊號互斥，但a切臂和b切臂功率 電晶體開關的正弦調變訊號則不同，分別被

v 與tri

v

^*ab及( v )− ^*ab ^{的比較信號控制。}T^a+、Ta⁻

的控制訊號係由

v

^*ab和三角波訊號

v

^tri比較產生 脈波寬度調變訊號；Tb⁺、

T

b⁻的控制訊號係由

*ab

( v )− 和三角波訊號v 比較產生脈波寬度調變^tri 訊號。比較信號控制如圖3所示。

a

臂開關狀態及輸出電壓如下: 假如v^*ab>v^tri：

Ta⁺導通，

T

^a−截止，此時van=vdc

假如v^*ab≤v^tri：

Ta⁻導通，T S^a+ 截止，此時van=0 同理，

b

臂開關狀態及輸出電壓如下: 假如( v ) v− ^*ab > ^tri：

T

b⁺導通，T^b−截止，此時v^bn=v^dc 假如

( v ) v −

^*ab

≤

^tri：

Tb⁻導通，Tb⁺截止，此時van=0

將上述開關狀態與對應的輸出電壓狀態 整理，可得到單極性電壓切換之直流-交流功 率轉換器開關函數，如表1所示，其全橋式功 率轉換器輸出

v

^o之電壓波形如圖3所示。表1 中1表示導通，0表示截止狀態。

由圖3可以看出單極性電壓切換控制，其 切換電壓正半週於0與

v

^dc之間作切換，而切 換電壓負半週於0與

^{( v ) −}

^dc 之間作切換，故稱 為單極性電壓切換。

圖2 單相全橋功率轉換器之架構示意電力電路圖

(二)振幅鎖定迴路控制策略

一般單相直流-交流功率轉換器的控制 迴路，所採用弦波控制方法^[1-5]，必須回授 電壓及電流配合電壓調節器與電流調節器作 為計算控制。然系統之電壓與電流皆為時變 之弦波訊號，用於時變系統之控制運用時，

易生振盪不利於控制；且回授訊號與命令訊 號若相位偏移情況嚴重，更不易達到控制穩 定的目的。因此改採用振幅鎖定(Amplitude- Locked Loop, ALL)控制法^[6-7]，以改善弦波控 制之缺點，俾達到穩定輸出電壓，降低電壓 調整率之效，原理詳如下節敘述。

振幅鎖定的原理乃透過輸出電壓訊號與 其基本弦波訊號ˆuo相乘積，經運算後獲得輸 出電壓訊號振幅值即為直流電壓命令，利用 電壓迴路控制器作為系統控制調節使用，及 提供補償及使輸出電壓穩定，因此可簡化控 制器結構，其直流電壓命令非弦波值，則控 制器之參數更容易得到收斂。因此本文單相 全橋功率轉換器採用此種具振幅鎖定迴路之 電壓控制模式。

圖3 單極性之弦波脈波寬度調變控制圖

a+

T T

a⁻

T

b⁺

T

b⁻

v

^an

v

^bn

v

ab

1 0 0 1 vdc 0

v

^dc 0 1 1 0 0

^v

^dc

⁻ v

^dc 1 0 1 0

^v

^dc v^dc 0

0 1 0 1 0 0 0

表1 單極性電壓切換之直流-交流轉換器開關函數

設輸出電壓v⁰為一基本波與高次諧波分量所合成，表 示為：

o m o n

n=1

v V 1sin(n t + ) n = 1,3,5 n

=

∑

∞ ω θ ^，

...

(1)

其中

ω

0為

2 f t π

0 ，

f

0為輸出頻率。在進行數位化運算 時，輸出電壓訊號經數位訊號處理器之類比/數位轉換，其 值對電壓命令訊號之角度

θ

n偏移微小可予忽略以利於進行 分析，因此

v

o^{可表示為：}

o m o

n=1

v V 1sin(n t) n = 1,3,5 n

=

∑

∞ ω ， ...(2)

令ˆu 表示振幅大小為1，且無相位移之單位弦波函數o

sin( ω

0

t)

，則

ˆu

^o可表示為：

o 0

ˆu = sin( ω t)

...(3) 將(2)與(3)作乘法運算得

o o

m m

m 0 0 0 0 0 0

m 0 0 0 0

ˆ v u

V V

V sin t sin t sin3 t sin t sin5 t sin t ...

3 5

1 V [1 ( cos2 t cos2 t) ( cos4 t 1 1 1 cos4 t) ...]

2 3 5 3

⋅

= ω ⋅ ω + ω ⋅ ω + ω ⋅ ω +

= + ω − ω + ω − ω +

...(4)

其中，

^{V 2}

^m 為

v u

o

⋅ ˆ

o的平均值，即

v u

o

⋅ ˆ

o經低通濾波 器濾除高頻成分之後，可以獲得一直流電壓值，因此所提 之振幅鎖定迴路控制方法，容易設計控制器並且簡化控制 器架構，其控制方塊圖如圖4所示。圖4中^Gv1為電壓調節

器，採用比例─積分控制器將 輸出電壓變動調節得到直流補償 命令u^*v，以控制開關輸出，使 得輸出電壓追隨命令電壓，因此 可於暫態時獲得快速響應，穩態 時能消除穩態誤差使輸出電壓更 穩定。圖4中之V^o為v^o濾波後之 電壓平均值(

^{V 2}

^m )，V^m為v^o濾波 後乘上還原倍率之電壓峰值，而

m*

V

為單相交流電壓峰值之設定 值。其中，在線性調變控制的範 圍，直流鏈電壓必須大於輸出電 壓振幅，即vdc≥Vm。

儲能系統之分析與 控制

(一) 鉛酸電池之充放電特性

本文選用CSB公司所生產 之GP-12260密閉式鉛酸蓄電池作 為備用電力來源，具有小且輕量 型、高性能、免加水可長期保存 及符合價格及環保效益等優點^[8]。 圖4 具振幅鎖定控制之單相全橋電壓控制模式功率轉換器控制方塊圖

圖5為蓄電池充電特性曲線^[8]，圖中實線與虛線分別 代表蓄電池放電100%及50%後之充電曲線。由圖可知蓄電 池的充電電流與蓄電池充電上升電壓為非線性關係，且蓄 電池放電50%比放電100%者較快速達到汽化電壓(gassing- voltage)^[9]；另外當蓄電池電壓接近汽化電壓(13.65V)時，

電池電量大約達到70%，充電電壓無法再上升而充電電流 會驟降，同時電池電解液持續汽化而溫升，為避免電解液 因汽化致乾枯造成極板損壞而縮短電池壽命，此時必須改 以定電壓(13.65 V)方式充電，充電電流則隨時間緩降。

一 般 蓄 電 池 充 電 方 式 可 分 為 半 定 電 流 充 電(semi- constant-current charging)、定電流充電(constant-current charging)、定電壓定電流充電(constant-current constant- voltage charging)及二段式定電流-定電壓充電(two-step

constant-current constant-voltage charging)四種^[9-11]。

二段式定電流-定電壓充電 方式，前段充電與定電壓定電流 相同，即在蓄電池電壓低於汽化 電壓時，以定電流方式充電，利 用定電流快速充電特性，快速增 加蓄電池電量縮短充電時間，當 到達汽化電壓時，末段充電改稍 降電壓(13.5 V)再以此定電壓方 式第二段充電，目的使電池維持 在略低汽化電壓下接續末段充電 可避免持續溫升極板毀壞，將可 延長蓄電池壽命。參照上述蓄電 池充電特性，可知以二段式定電 流-定電壓充電為不斷電系統最 佳充電方式。如圖6為二段式定 電流-定電壓充電特性圖^[10]。因 此本文以2顆蓄電池串聯組成蓄 電池組，並採用上述二段式定電 流-定電壓充電方式對蓄電池充 電，以增加充電效率及延長蓄電 池使用壽命。

圖5 蓄電池充電特性曲線

圖6 二段式定電流-定電壓充電特性圖

(二) 超級電容器之充放電特性

超級電容器不似蓄電池需要化學反應形式，乃為電 子元件所組成，能量存積集中在金屬物質電極板表面上而 形成電場，與一般電容器的主要差異在於所製造的材質及 大小，能製造出超大電容器量(約數法拉)，且其充放電速

度響應快^[12-13]。超級電容器比一般蓄電池可以儲存較巨大

的電力，但所能儲存的能量密度卻很小(典型polyethylene terephthalate,(PET)超級電容器能量密度1.86W-h/kg，鉛酸電 池22W-h/kg)，因此電池可以維持數小時較長時間放電，電 容器卻只能維持短暫幾分鐘內放電，隨即電壓逐降幾近零 電位，然超級電容器具有快速充放電能力，而且可以經歷 數萬次充放電循環使用，幾乎不會衰減其特性。由上述考 量超級電容器的功能特性，在於放電瞬間所能提供強大電 力，因此本文定位超級電容器為輔助蓄電池於放電時加強

釋放電力能量，升/降壓型直流 截波器充放電控制大致與蓄電池 相同，但電容器瞬間充電要注意 考慮限流問題。所採用的超級電 容器為AUDIOFONICS公司出品 之ADF-260六角型金屬電容器，

單顆規格為1.5法拉/12V，內阻為 1.2mΩ，本文採用2個超級電容 器串聯可充電壓為24V。

(三) 升/降壓型直流截波器 之控制分析

本文之儲能系統以升/降壓 型直流截波器作為蓄電池與直流 鏈之間能量轉換，其電力電路如 圖7所示。

1. 升壓模式之直流截波器 當市電中斷時，直流截波 器操作為升壓模式，如圖8所示 開關等效電路圖。圖8中s^B−為

T

^B− 的開關狀態(1,0)，d^B−為sB^−開關

狀態1的驅動訊號。

利用電感儲存能量不滅之 關係亦即電感充放電平均電壓等 於零，可推導升壓型直流截波器 之輸出電壓v^B1的平均值V^B1與 直流鏈電壓

v

^dc之關係為：

B1 dc B

V =v (1 d )− ⁻ ...(5) 再整理可得

dc B1

B

v 1 V

1 d⁻

= − ...(6)

其 中V^B1為 輸 出 電 壓v^B1的 平 均 值。

d

B⁻為功率電晶體下臂開關

TB⁻的責任週期。

圖7 蓄電池升/降壓型直流截波器電力電路圖

圖8 蓄電池放電升壓型直流截波器開關等效電路圖

電感

L

^B微分方程式為

B B1 B Bd B d Bd

v v R i L i

= + + dt ...(7) 因此整理(7)以比例-積分電流控制器實現可得

* *

B1 B iBd Bd Bd

v =v −G (i −i ) ...(8) 同時代入(6)整理可得其下臂開關

T

^B−之責 任週期命令

d

B^−*表示為：

* *

B iBd Bd Bd B dc

dc

d 1 G (i i ) v v

v

− =   − − + ...(9)

綜合(6)至(9)可建構出蓄電池升壓式直流

截波器之開關控制迴路，如圖9所示。其中 GiBd為電流調節器，

G

^vdc為電壓調節器，皆 為比例-積分型控制器。

2. 降壓模式之直流截波器

同理推導降壓型直流截波器，以比例- 積分電流控制器實現並建構出蓄電池充電降 壓式直流截波器之開關控制迴路，如圖10所 示。

3. 超級電容器升/降壓模式之直流截波器 超級電容器充、放電升/降壓型直流截波 圖9 蓄電池放電升壓型直流截波器控制方塊圖

圖10 蓄電池充電降壓型直流截波器控制方塊圖

器之開關控制迴路理論架構與蓄電池完全相同，採用電 流閉迴路控制方法，惟考慮電容器瞬間充電電流無限 大，因此市電斷電後恢復進行初始充電時，軟體程式必 須有限流緩充設計。

(四) 系統儲能及功率補償控制之能量管理

1. 獨立運轉供電

當市電停電時即為獨立運轉供電如圖11所示，指蓄 電池及超級電容器能源系統直接供應能量給特定負載使 用，並未與其他電源連結，此時DSP感測停電令市電側 電源S1靜態開關開路，如圖1所示。系統之單相直流-交 流功率轉換器操作在電壓源電壓控制模式，可視為一交 流電壓源提供電能給單相負載，分析其功率分配情況如 表2。

表中P , Pbat sc分別為蓄電池及超級電容器提供之平 均值實功率，P_L為負載需求之平均值實功率，QL為負 載需求之平均值虛功率。

2. 系統與市電併聯運轉功率管理 當市電從停電狀態恢復正常 供電時，系統進入與市電併聯運轉 模式，指蓄電池及超級電容器能源 系統透過直流-交流功率轉換器與 市電網路連結，其動作感測乃藉由 市電電壓零點偵側與電流感測回授 給數位信號處理器，再予控制圖1 中之S1靜態開關由開路轉為導通 狀態以進行線路切換併聯。由於不 斷電系統旨在市電停電時供應暫時 性電力給負載，不提供功率給市 電，因此本文設計單相直流-交流 功率轉換器操作在電流控制工作模 式參與併聯，系統可視為電壓源與 電流源併聯，利用鎖相迴路(PLL) 取得與市電同步再進行併聯動作。

復電之後全橋功率轉換器順向運作 輸入功率進行儲能工作，並同時進 行市電併聯之功率補償操作。與市 電併聯運轉之功率補償模式供電如 圖12所示。與市電併聯運轉下之 功率分配狀態，如表3所示，此時 系統單相功率轉換器操作為功率補 償器之用，市電提供電力給負載同 時向直流-交流功率轉換器供電，

但系統負載若為電感性電動機負載 時，則利用直流鏈電容器與超級電 容器之虛功率元件，將單相功率 圖11 獨立運轉型系統功率平衡示意圖

狀態 蓄電池充放電系統之能量

超級電容器充放電系統之能量

狀態說明 1 Pbat+Psc≥P ,QL L ^{表示兩者同時進行放電}

2 Pbat≥PL 0 表示僅蓄電池進行放電操作

3 Pbat+Psc<P ,QL L 表示兩者放電能量不足所需 表2 獨立運轉下功率的分配狀態

轉換器操作為提供虛功率補償功能。而當市電因故障或停 電斷電時，蓄電池及超級電容器能源系統則轉而提供暫時 性的電力給單相負載，為不斷電系統的功用，即為獨立運 轉供電。而蓄電池及超級電容器在進行轉態(充電放電) 時，應確認電感器上的電流ibat^及i^{sc是否為零，方可進行轉} 態之切換動作。

表3中P^G代表市電提供平均值實功率，Q , Q^{G cdc}分別 為市電提供及直流鏈電容器之平均值虛功率，蓄電池及超 級電容器能量正代表儲能負代表釋能。

(五)單相功率補償器之分析與控制

當本文系統在操作為功率補償器時，系統有四個功 率電晶體(^Ta+、T^b+、T^a−、T^b−)作為交流與直流電源能量之 轉換，兩個功率電晶體(^TC−、

T

^C−)維持直流截波器轉換超級 電容器能量，忽略變壓器其功率補償器示意電力電路圖如 圖13所示。而單相功率補償器電路之等效電路圖如圖14所 示。

當單相功率轉換器併聯上 市電時，則整體電路電壓迴路可 表示為；

s ab f f

d

ab ab

e i R L i v

= + dt +

...(10) 同前公式推導，及以比例- 積分控制器控制訊號實現可建構 出單相功率補償器之控制方塊 圖，如圖15所示。

1. 電感電流命令可控範圍 由( 1 0 ) 與 圖 1 5 可 知 流 經 電 感Lf 的 電 流

i

ab隨 著 電 流 命 令I^*m 而 變 化 ， 其 容 許 範 圍 為

*m m(rated)

0 I≤ ≤I ，即電流命令

I

^*m

在額定電流最大值以內。同時由 圖15中可知電流i^*ab為：

* * * T

ab m1 m2

i =I u I u^φ+ ^φ...(11) 其中I^*m1為實功率成分I^{*m 2}為 虛功率成分，

u

^φ與電源電壓同相 位之基本波形，

u

^Tφ 與電源電壓 相差90^的基本波形。

因此本文當單相功率轉換 器與市電併聯運轉時，可藉由適 當控制

I

^*m1及

I

^*m 2電流命令範圍，

即可進行實、虛功率之輸出或輸 入控制。當I^*m1>0則單相功率轉 換器為消耗實功率，若令I^*m1為 零時則控制I^*m 2即為不提供實功 率只提供虛功補償控制，且令

狀態 蓄電池充電 系統之能量

超級電容器充放電

系統之能量 市電電力網路之能量 狀態說明

1 Pbat P^sc P^G=P P^L+ ^sc+P^bat 實功率負載功率完全由市電供給 2 P_bat P^sc P^G=P P^L+ ^sc+P^bat

G L cdc

Q =Q Q− 電感性負載市電供電予虛功率補償 3 Pbat+Psc≥P ,QL L 0 市電中斷獨立運轉模式

表3 併聯運轉下功率分配狀態

圖12 併聯運轉型系統功率平衡示意圖

圖13 單相功率補償器之電力電路圖

圖14 單相功率補償器之等效電路圖

圖15 單相虛功率補償器之控制方塊圖

*m1

I < 表示提供功率即電源側可回收能量，0 配合控制I^{*m 2}命令除可對負載進行功率補償，

並能改善電源側功率因數之功用。最後且若

*m 2

I 為零則迴路不進行虛功補償。

2. 單相功率轉換器之直流鏈電壓可控範圍 同理由(10)整理得到單相功率轉換器輸 出電壓v 為：ab

ab

ab s ab f f

di

v e i R L

= − − dt

...(12) 且令單相功率轉換器輸出電壓及電感電流分 別為：

ab m e v

v = V sin( θ + θ )

...(13)

ab m e i

i = I sin( θ − θ )

...(14) 若θv為零，則θi為市電電壓與電流相差之夾 角，角度範圍為 i

2 2 π π

− ≤ θ ≤ 。若市電電源為

單相純正弦波，則其單相電源電壓es^表示為

es =Emsinωet

=E^msinθ^e...(15) 其中，ωe 為市電併聯(grid-connected operation)市電側電源之角頻率，E^m為市電 電壓之峰值，θe等於ωet為市電電壓瞬時角 度。

將(14)、(15)代入(12)整理化解得到

ab m e f m e i e f m e i

v =E sinθ −R I sin(θ − θ − ω) L I cos(θ − θ)

1 e 2 e

x sin x cos

= θ + θ ...(16) 其中

1 m f m i e f m i

x E= −R I cosθ − ωL I cosθ ...(17)

2 f m i e f m i

x =R I sinθ − ωL I cosθ ...(18) 因此單相功率轉換器輸出電壓振幅Vm^可表示

為：

2 2

m 1 2

V = x x +

...(19) 將θi代入(17)、(18)可得到V^m範圍在 28.5V ~ 35.9V^之間。

將本文Em、I 、m L 、^f R^{f常數值分別代} 入(17)、(18)，並經以MATLAB繪圖可得V^m 控制曲線如圖16所示。圖16中並且描繪出不 同的電感L 值對f V^{m曲線的影響。在線性調} 變範圍vdc≥Vm前提之下，本文據以作為調變 單相功率轉換器直流鏈電壓與輸出電壓之控 制理論依據。

實測結果

本文依據圖1之整體系統架構完成系統製 作，其參數如下所示：

圖16 單相功率轉換器輸出電壓振幅V^m控制曲線圖

直流鏈電壓命令：48V 直流鏈電容：2,200 μF

功率電晶體開關切換頻率：20 kHz

直流-交流功率轉換器輸出側濾波電感：0.5 mH 直流-交流功率轉換器輸出側濾波電容：20 μF 輸出容量：200W

變壓器的電壓比：140V：24V 輸出電壓峰值：155.6V 輸出電壓頻率：60Hz

圖17為直流-交流功率轉換器於純電阻負載約250W輸 出之實測結果，其中圖17(a)~(c)分別為經變壓器110V側輸 出之電壓v^'o^{、輸出負載電流}i^{o與經變壓器}110V側輸出的 電壓v^'o^{之頻譜，輸出電壓}v^{'o峰值約為}153V，輸出負載電 流i^o峰值約為3.3A。輸出電壓v^{'o頻譜總諧波失真率約為} 4.09%。

圖18為直流-交流功率轉換器於純電阻負載由175W加

圖17 獨立運轉模式下直流-交流功率轉換器於純電阻負載約250W輸出之實測結果

載至250W輸出之實測結果，其 中圖18(a)~(c)分別為經變壓器 110V側輸出之電壓v^'o、輸出負 載電流i^o與直流鏈電壓vdc^，圖

示輸出負載電流io^{的峰值瞬間由}

2.3A提高至3.3A，圖示直流鏈電 壓雖因加重負載仍能維持電壓約 51V，輸出電壓仍能維持穩定峰 值約為153V。

圖19為市電併聯運轉模式 蓄電池充電儲能之實測結果，其 中圖19(a)~(c)分別為直流鏈電壓 vdc、蓄電池電流i^bat與蓄電池電 壓v^B。直流-交流功率轉換器操 作為整流器，所產生之直流鏈電 壓經降壓式直流截波器向電池充

圖18 獨立運轉模式下直流-交流功率轉換器於純電阻負載由175W加載至250W輸出之實測結果

圖19 市電併聯運轉模式蓄電池充電儲能之實測結果

電，圖示直流鏈電壓vdc^約為48.9V，此時蓄 電池電壓vB^約為26.4V，蓄電池電流i^bat約為 1.8A，其充電電壓、電流波形如圖19(a)及(b) 所示。

圖20為在市電供電充電狀態且提供約 175W線性負載下發生市電中斷，蓄電池組經 升壓電路釋放儲能，提供單相直流-交流功率 轉換器維持負載正常運轉之實測結果。市電 斷電時，交流-直流轉換器無法由市電提供直 流鏈穩定之電壓而瞬間直流鏈電壓下降，如 圖20 (a)所示。而軟體程式感測電壓的變化隨 即轉態驅動直流鏈升壓電路及直流-交流功率 轉換器，使輸出電壓維持穩定。軟體程式判 斷及雙向開關快速的轉換僅數微秒內，可使 蓄電池原為充電狀態經由升壓電路提供電源 以維持直流鏈電壓及輸出負載電壓、電流穩 定。其升壓後直流鏈電壓約為50V如圖20 (a)

圖20 市電供電充電狀態且提供175W線性負載下發生市電中斷，蓄電池組經升壓電路釋放儲能，提供單相 直流-交流功率轉換器維持負載正常運轉之實測結果

所示。蓄電池放電後電壓約為25V，蓄電池放 電電流約為10A，如圖20 (b)及(c)所示。

圖21及圖22為市電供電充電狀態且提供 約175W線性負載下發生市電中斷，蓄電池組 及超級電容器同時經升壓電路釋放儲能，提 供單相直流-交流功率轉換器維持負載正常運 轉之實測結果。由圖中可看出經蓄電池放電 延遲能量管理策略，加入之超級電容器發揮 效果，能在放電瞬間快速釋能，有效降低蓄 電池瞬間放電電流，達到保護蓄電池延長壽 命的效用，同時發揮放電瞬間強化電力的功 能，如圖21(a)、(c)及(d)所示。當市電側之電 源中斷時，負載端電壓僅過渡一個週期波形 內波峰略降25V，如圖22(b)及(c)所示，更可 提升達真正不斷電效果。此時蓄電池升壓後 直流鏈電壓約為50V，蓄電池放電電流緩步上 升約為10A。

圖21 市電供電充電狀態且提供175W線性負載下發生市電中斷，蓄電池組及超級電容器同時經升壓電路釋 放儲能，提供單相直流-交流功率轉換器維持負載正常運轉之實測結果

結 語

本文已完成線性負載於獨立運轉下之實 作，直流-交流功率轉換器於無載時輸出電 壓總諧波失真率3.13%，於線性負載250W之 下，輸出電壓諧波失真率為4.09%，符合IEEE Std. 519-1992規範^[14]，而無載與滿載間之電壓 調整率為3.6%。

此外，並完成於市電併聯運轉模式下，

可進行對儲能元件充電及同時對電感性負載 (120W,128Var)進行功率補償，使市電側獲得 近單位功因。另於平時市電供電充電狀態下 若發生市電中斷時，幾無轉態期可使蓄電池

組及超級電容器同時經升壓式直流截波器提 供直流鏈能量，且僅一個週期波形內輸出電 壓波峰略降25V，可確保負載持續正常受電品 質。同時透過放電能量時間差之控制策略，

發揮超級電容器瞬間放電爆發力特性強化電 力輸出，同時降低蓄電池組瞬間放電突波電 流而為緩步上升以保護蓄電池，因此有效達 到延長蓄電池組壽命及縮短轉態時間提升真 正不斷電效能。另外，以個人電腦作為實測 負載，當切斷市電時，個人電腦亦能穩定於 開機畫面且無異常抖動情形，顯示本系統良 好的實用效果。

圖22 市電供電充電狀態且提供175W線性負載下發生市電中斷，加入超級電容器放電，提升直流鏈電壓持 續供電，提供單相直流-交流功率轉換器維持負載正常運轉之實測結果

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作 者

黃仲欽、鄭榮明/國立台灣科技大學電機工程系