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 (III)
Designing of Teaching Tool and Experiment Manual
for Power Filter (III)
計畫編號: NSC 90-2516-S-151 –003 執行期限: 90 年 8 月 01 日起 91 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。見 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。因此 本計畫將製作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。而混合式電 力濾波器為結合被動式及主動式電力濾波器 之優點而成,目前國外的大型電力設備製造商 仍在實務應用的測試階段,以後甚具發展潛力. 本年度之計劃製作了並聯混合式,串聯混合式, 串聯連結混合式等三種混合式電力濾波器之 教具與教材。 關鍵詞: 混合式,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 hybrid power filter combines the advantage of passive power filter and active power filter. In this year, a parallel type, series type and series link type, will be developed in our laboratory. Besides, the teaching tool and experiment manual of the above hybrid power filters will be made.
Key words: hybrid, power filter, harmonic 二.前言 近年來由於電力電子元件之製造與應用 技術的快速發展使得電力電子相關設備的使 用急速增加, 而一般電力電子設備都具有非線 性之負載特性因而導致電力系統電壓波形的 畸變而引發電力系統諧波污染的問題，嚴重的 影響電力品質，台灣極力發展高科技產業，但 高科技產業對電力品質的要求極高。而諧波又 為目前電力系統最重要的汙染來源，因此如何 抑 制 諧 波 已 為 當 今 電 力 品 質 改 善 之 重 要 課 題。為改善電力系統的諧波汙染，各先進國家 (包含台灣)都制定有諧波管制規範，以管制電 力系統諧波。電力濾波器對諧波的抑制大致可 分為三類，一為被動式電力濾波器，二為主動 式電力濾波器，三為混合式電力濾波器。被動 式電力濾波器為目前使用最普遍的電力濾波 器，但其對系統參數極為敏感，暗藏串/並聯 共振的危機。 而主動電力濾波器目前雖已商 品化成功，但其售價高昂，可靠度仍待時間考 驗，而混合式電力濾波器目前尚屬研究階段。 本計畫為規劃製作一結合主動式與被動式電 力濾波器於一體之混合式電力濾波器作為教 具教材。 三.混合式電力濾波器之種類及原理 主動式與被動式電力濾波器均有其不同 之缺點存在，被動式電力濾波器之特性主要在 於諧振問題及濾波效果受系統參數之影響甚 劇，而主動式電力濾波器則受限於它的容量及 價格，為了有效解決電力系統上諧波抑制的問 題，於是有將主動式與被動式電力濾波器結合 之技術被發展出來，其特點是保留兩者之優點 而避開其缺點，目前已經發表之混合式電力濾 波器方法可將其歸納為三種型態。分別稱之為 串聯連結型、串聯型與並聯型，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。 (a)並聯型混合式電力濾波器 並聯型混合式電力濾波器之電力架構如 圖 1 所示，其是將主動式與被動式電力濾波器 同時並聯接到系統上，此架構的基本構想是利 用被動式電力濾波器來濾除特定且大量的諧 波電流，而主動電力濾波器則用來濾除被動式 電力濾波器無法濾除之諧波電流。圖 1 中被動 式電力濾波器採用兩個調諧式濾波器，其調諧 頻率分別為 180Hz 與 300Hz。用來濾除非線性 負載之三次與五次諧波電流。 若圖 1 中電源電壓可表示為 ) sin( ) (t V t vs = s ω (1) 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( sin cos cos sin 1 1 1 3 3 1 ω θ + ω θ + ω +θ =I t I t I t ) sin( ) sin( 5 , 3 , 2 5 5 + + ∑ + + ∞ ≠ = n n n n t n I t I ω θ ω θ (2) 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、四項為三、五次 諧波成份，第五項則為其它高次諧波成份，在 此並聯型混合式電力濾波器中的被動式電力 濾波器所採用的 180Hz 與 300Hz 兩個調諧式濾 波器用來濾除非線性負載之三次與五次諧波 電流，ipc(t)。 ) sin( ) sin( ) (t =I3 ωt+θ3 +I5 ωt+θ5 ipc (4) 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 (3) 為了得到此期望的電源電流，則並聯型混合式 電力濾波器中的主動電力濾波器必須提供(2) 式與(3,4)式之差，即 ∑ + + = ∞ ≠ = 5 , 3 , 2
1sin cos sin( )
) ( n n n n ac t I t I n t i θ ω ω θ (5) 此電流即為並聯型混合式電力濾波器中的主 動電力濾波器必須補償電流，由此電力轉換器 必須經過適當控制以產生補償電流。於圖 2 為 並聯型混合式電力濾波器之電路架構，圖 3 所 示 為 本 計 畫 所 製 作 之 並聯型混合式電力 濾波器之控制方塊圖。 於 控制方塊圖中先 檢
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 耗 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 器 之 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 率 恰 等 於 負 載 消 耗 之 實 功 率 。 且 期 望 市 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 而 產 生 一 個 和 市 電 電 壓 同 相 位 之 單 位 振 幅 弦 波 信 號 。 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 相 互 比 較 結 果 再 送 入 電 流 控 制 器 中 ， 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 切 換 開 關 之 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 到 所 期 望 的 市 電 電 流 。 圖 1 並聯型混合式電力濾波器之電力架構 圖 2 並聯型混合式電力濾波器之電路架構 圖 3 並聯型混合式電力濾波器之控制方塊圖 (b)串聯型混合式電力濾波器 串聯型混合式電力濾波器之電力架構如 圖 2 所示，被動式電力濾波器直接與非線性負 載並聯，而主動電力濾波器則串接在市電與被 動式電力濾波器之間。 圖 4 串聯型混合式電力濾波器之電力架構 串聯型混合式電力濾波器中，主動電力濾 波器之操作是依頻率不同而有不同之功能，在 基頻時操作成短路，而在諧波頻率時必須操作 成電阻，由於主動電力濾波器是串聯在市電迴 路，為了達到上述功能，在此主動電力濾波器 必須操作成一個電壓源，此電壓源產生之電壓 必須為： ) ( ) (t Ki t Vc = sh (6) 它是取出電源電流之諧波成份乘上 K 倍，若主 動電力濾波器能產生此電壓，則它就相當於是 在諧波頻率下在市電迴路上插入一個電阻 K， 而式(6)中沒有任何基本波成份，所以它不會 產生基本波電壓，因此它不會影響到系統在基 頻下的動作，由式(6)可看出主動電力濾波器 產生之電壓很小，因此能有效降低主動電力濾 波器之容量。 圖 5 所示為它的控制方塊圖，控制電路非
常簡單，只要一個帶拒濾波器(band-rejection filter) 將檢測出之電源電流濾去其基本波，即 可得到其諧波成份，將此諧波成份乘以 K 倍即 為 主 動 電 力 濾 波 器 內 電 力 轉 換 器 之 參 考 信 號，此信號再送到脈波寬度調變(PWM)電路即 可產生電力轉換器內電力電子開關元件之切 換信號。 圖 5 串聯型混合式電力濾波器之控制方塊圖 (c)串聯連結型混合式電力濾波器 串聯連結型混合式電力濾波器其電路架 構如圖 6 所示，主動式電力濾波器與被動式電 力濾波器串聯連結起來再與負載並聯。操作原 理與串聯型混合式電力濾波器相近，主動電力 濾波器亦將產生一個如式(6)之電壓，其與串 聯型混合式電力濾波器不同的是其電壓串聯 於被動式電力濾波器之上，其餘動作原理皆與 串聯連結型混合式電力濾波器相同。 圖 6 串聯連結型混合式電力濾波器之電力架構 四.實驗結果 本計劃製作了並聯混合式,串聯混合式, 串聯連結混合式等三種混合式電力濾波器之 雛型，其系統參數如表 1 所示，使用的非線性 負載為全波橋式整流器，如圖 7 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 8 所示為單獨使用被動式電力濾波器時之 電源電壓與電流，雖有濾波效果但它仍含有不 小的諧波，在加入並聯型混合式電力濾波器之 濾波效果如圖 9 所示; 加入串聯型混合式電力 濾波器之濾波效果如圖 10 所示; 加入串聯連結 型混合式電力濾波器之濾波效果如圖 11 所 示，由圖 9、圖 10、圖 11 可看出加了混合式 電力濾波器具有優異抑制諧波之實用性強大 濾波功能。 表 1 串聯連結型混合式電力濾波器系統系數 一、被動式電力濾波器 三階單調諧式濾波器 L3=15mH C3= 50µF 五階單調諧式濾波器 L5= 5mH C5= 50µF 二、主動式電力濾波器 切換頻率 10kHz L-C低通輸出濾波器 L= 1mH C= 2µF 儲能電容 4700 µF / 350VDC 儲能電容電壓 35 V 三、系統等效電抗 (0.5mH) 圖 7 非線性負載電流及其頻譜。 圖 8 只加被動式電力濾波器之電源電壓與電流 波形。 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，因此本計畫乃結合主動式與被動式電力 濾波器於優點製作混合式電力濾波器作為教 具教材，以期更能充分突顯電力濾波器的性 能。 圖 9 並聯型混合式電力濾波器補償後之電源電 流及其頻譜。 圖 10 串聯型混合式電力濾波器補償後之電源 電流及其頻譜。 圖 11 串聯連結型型混合式電力濾波器補償後 之電源電流及其頻譜。 六.參考資料
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