行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
具能量回收與電力濾波之主動式電力負載(II)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC92-2213-E-151-021-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日
執行單位： 國立高雄應用科技大學電機工程系
計畫主持人： 吳坤德
計畫參與人員： 郭宇庭
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 93 年 9 月 2 日
具能量回收與電力濾波之主動式電力負載(Ⅱ)
An Active Power Load with Energy-recovering and Power-filtering (Ⅱ)
計畫編號：NSC 92-2213-E-151 -021-
計畫主持人：吳坤德
國立高雄應用科技大學電機工程系
National Kaohsiung University of Applied Sciences
摘要 本文擬應用電能轉換架構研製具能量回收之燒 機系統，該系統可設定為電阻性、電感性、電容性及 非線性整流型負載的功能，且可將消耗儲存於燒機系 統內之能量回送到電力系統內以達到節省測試耗能 之目的；同時亦能補償待測、燒機設備所需虛功率、 諧波電流以減少燒機試驗之電能損失。 關鍵字：主動式負載、能量回送、燒機試驗。 ABSTRACT
A three-phase burn-in system with energy-recovering is presented in this paper. The burn-in system can be operated as resistance, inductance, capacitance and nonlinear load. The developed burn-in system can regenerate the consumed energy to the power system. Hence, it has the performance of energy-recycle.
The developed system can be applied in burn-in test of power electronic equipment with advantages of saving energy, suppressing harmonic current and improving power factor.
Keywords: active load, energy-recycle, burn-in test,.
一、
計畫緣由與目的
台灣係屬於高能源成本地區，政府積極推行節約 能源政策，尤其在今日能源開發困難的情況下，更突 顯出節約能源設備的重要性，因此如何將現有能源做 最有效率的利用與回收再使用，已成為目前許多科技 人員所努力的目標。而目前世界各國除了致力於發展 無環境污染的能源設備，溫室效應對環境的不良影響 也被列為必須努力消除的對象。 再加上近年來由於電力電子技術的進步，電子電 力設備產品相繼的被研發出且被廣泛的使用，而電子 電力產品製造成品後，需使用大功率負載來測試該產 品的性能。並且長時間利用大功率負載來做燒機測試 [1-4]，測試其性能、穩定性與可靠度。所使用的功 率負載傳統上都採用被動式的功率電阻，而這被動式 負載進行測試、燒機時將會產大量功率消耗，不僅過 度浪費電能，且消耗功率所產生的熱能將產生溫室效 應影響環境品質，同時為了排放熱能所需空調花費也 往往高達所消耗電能費用的 2 至 3 倍。因而大幅的增 加生產成本與大量製造工廠為電力公司之契約容 量。而且隨著負載功率的需求加大，導致負載器的體 積與重量增加，造成測試所需空間加大與使用的不 便，因此為節約能源，降低生產成本，減少測試燒機 空間，提高測試燒機的方便性，應以其它方式來取代 傳統式電阻負載的燒機動作[2]。在電力電子設備的 架構，其輸入級往往為一交流轉成直流之整流電路， 於大量燒機時，其輸入電流將含有大量諧波成份，且 該諧波電流又為目前電力系統最為主要的污染來 源，因此抑制諧亦為當今電力品質改善必要手段。 基於上述情形，本文擬利用電力半導體元件快速 發展所研發出，高耐壓，高承受電流的功率開關元件 如功率 MOSFET 與 IGBT 等能以高切換頻率來進行電能 處理，期待利用電力電子知技術研發出高功率、小體 積，並且將測試燒機時所消耗能量回收到電力系統， 並且能同時補償燒機時所產生的諧波電流及虛功率 的主動式負載，以達到小空間、低成本、節約能源、 大功率，無諧波電流污染的燒機之目的。 二、系統架構 圖 1 所示為本文所研製系統之雛形架構圖，其中 包含由負載特性產生電路，儲能電路及能量回送電路 三部份所組成。負載特性產生電路係由 AC/DC 電能轉 換器[5]所構成，內有濾波電感、功率晶體及控制器， 其並接於待測燒機設備之輸出端，且其具雙向功率流 動之能力。儲能電路系由一直流電容器所構成，它並聯在負載特性產生電路的直流側端。能量回送系統則 由一 DC/AC 電能轉換器所構成，它串聯於市電與負載 特性產生電路之間。 圖 1 本文所研提之系統架構圖 圖 2 至 4 所示該系統運轉時之功率流向圖，圖 2 所示為負載特性產生電路模擬作電阻性負載模式下 功率流向圖。圖 3 所示為負載特性產生電路模擬作電 感或電容性負載模式下功率流向圖。圖 4 所示為負載 特性產生電路模擬作整流性負載模式下的功率流向 圖。當主動式負載模擬作電阻性負載將只吸收消耗實 功率，暫時儲在儲能系統；若模擬作電感性或電容性 負載將只吸收虛功率，只要儲能系統內的直流電容器 的電壓能量夠大，就足以吞吐負載模擬所需之虛功率 量，而不影響儲能電容器之穩態平均電壓。能量回送 系統則負責將暫存在儲能系統裏的實功率回送到市 電端，同時提供待燒機設備與模擬負載所需之虛功及 諧波功率，以達到市電電流諧波抑制及功因矯正的目 的。也就是能量回送系統將能量回送到電力系統時， 同時作了主動電力濾波的作用。因此能量回送系統除 了負責回送燒機測試時所使用之實功率至市電源 端，以達到節省燒機時所消耗電能外；亦同時補償待 測、燒機設備所需虛功率及諧波電流，以避免燒機測 試時所產生電力諧波污染鄰近電力設備及確保電力 品質。 圖 2 負載特性產生電路模擬作電阻性負載模式下功率流向圖 圖 3 負載特性產生電路模擬作電感或電容性負載模式下功率流向 圖 圖 4 負載特性產生電路模擬作整流性負載模式下功率流向圖 圖 5 負載特性產生電路之控制方塊圖 三、動作原理 本文所使用之系統包括負載特性產生電路、儲能 電路與能量回送電路，以下將更進一步描述各個應用 電路之運作模式。 (a)負載特性產生電路 負 載 特 性 產 生 電 路 為 交 流 至 直 流 電 壓 轉 換 電 路 (AC/DC Converter)所構成，其連接在待測設備之輸 出端。利用電流控制方式控制電流大小與相位差 [6-7]，模擬出各種形式負載之電壓、電流波形，以 形成相對應之負載特性作為待測設備之虛擬負載，其 控制方塊圖如圖 5 所示。在控制上有電壓控制方式與 電流控制方式；其中若採用電壓控制方式，需回授電 壓轉換電路的電壓訊號與相位訊號，在藉由電壓轉換 電路的電壓振幅與相位的調整，控制實功率與虛功率
的流向與大小，接著間接的控制電流的波形、相位與 大小，在此電壓控制方式中必需使用鎖相回路，因此 線路較為複雜，且其電氣的輸出響應亦未臻理想；而 電流控制方式則為一種直接回授主電路電流的控制 方式在控制線路之製作相對的簡單，電氣的輸出響應 亦較為快速，因此本文之控制器採電流控制[6-7]的 方式。 (b)儲能電路 儲能電路係由一直流電容器所構成，它並聯在負 載特性產生電路的直流側，其暫時儲存負載特性產生 電路所轉換進來的實功率電能。在本文所擬研究之系 統之架構中，一具高壓額定之直流電容器組被設計安 裝在負載特性產生電路之直流匯流排，並作為系統儲 能元件使用，此時，由能量守恆的觀點，該電容器之 能量方程式可表示為：
(
V t V)
pdt Cdc dc − dc =∫
t∆ 0 2 2 ) 0 ( ) ( 2 1 (1) 其中Cdc為電容器電容值，Vdc為電容器電壓，p則 為流入電容器之功率。從上式可看出：當系統功率不 平衡時，直流電容器即會進行儲能或釋能動作，並令 電容器電壓改變。 (c)能量回送電路 能量回送電路則由一直流至交流電壓轉換電路 (DC/AC Inverter)所構成，它串聯於市電與負載特性 產生電路之間，其主要功能在將暫存於儲能系統之直 流電能轉成交流形式電能，回送到市電端以便循環再 使用，此可將能量回收、再生，以減少測試系統之用 電量，同時補償燒機設備之虛功率及諧波功率。當系 統運轉於電阻性負載或整流性負載，燒機設備之實功 率經整流後將充入直流電容器，因此若電能轉換器未 能及時將所進入電容器之測試能量轉移出，則系統運 轉之功率不平衡狀態發生，電容電壓上升。 如能妥善控制直流電容器之電壓值，則本文所研 製之系統在不同操作模式下，應皆能達到輸出入功率 平衡，此時若再利用電流授控制技巧，則可對市電的 電流波形予以控制。圖 6 所示為本文所提能量回送控 制方塊圖。其中，一比例積分控制器係用於控制電容 器電壓回授Vdc與預設值Vdc set 間之誤差，其輸出值將 與市電電壓信號相乘而得到弦波電流參考命令信號 is*。另外，一電流控制器亦被用來修正回授電流值 isf 與電流參考命令之誤差值，其輸出信號最後被送入脈 衝寬度調變器並產生功率晶體之驅動訊號。透過該控 制器的運作，本文所提之能量回送系統將可維持系統 之直流電容器電壓為定值，並適度補償市電電流為純 正弦波形。 圖 6 能量回送電路之控制方塊圖 四、模擬與實測結果 為了證實本文所提方法之可行性，將進行模擬並 發展一套硬體雛型來驗證，並且針對主動式負載之四 種模式來進行模擬與實作，圖 7 至 10 為模擬之結果， 圖 7 為主動式負載操作成純電阻性負載之模擬結果， 由圖 7(d)我們可以看出主動式負載操作成純電阻性， 其輸入電流為正弦波且與市電電壓同相位，由圖 7(c) 可以看出能量回送系統將主動式負載大部分所消耗 之能量回送至市電，並且由圖 7(b)中可知能量回送系 統將市電電流補償為正弦波。圖 8 至 9 為主動式負載 操作成電感性與電容性負載之模擬結果，由圖 8(d)可 看出主動式負載操作成電感性負載，其輸入電流為正 弦波且相位落後市電電壓，由圖 8(b)與圖 8(c)可看出 能量回送系統將主動式負載消耗之能量回送至市 電，並且將市電電流補償成正弦波﹔由圖 9(d)可看出 主動式負載操作成電容性負載，其輸入電流為正弦波 且相位超前市電電壓，由圖 9(b)與圖 9(c)可看出能量 回送系統將主動式負載消耗之能量回送至市電，並且 將市電電流補償成正弦波。圖 10 為主動式負載操作 成非線性負載之模擬結果，由圖 10(d)可看出主動式 負載操作成非線性負載，由圖 10(b)與圖 10(c)可看出 能量回送系統將主動式負載消耗之能量回送至市 電，並且將市電電流補償成正弦波。 圖 11 至 14 為實測之結果，圖 11 為主動式負載操作成純電阻性負載之實測結果，由圖 11(d)我們可 以看出主動式負載操作成純電阻性，其輸入電流為正 弦波且與市電電壓同相位，由圖 11(c)可以看出能量 回送系統將主動式負載大部分所消耗之能量回送至 市電，並且由圖 11(b)中可知能量回送系統將市電電 流補償為正弦波。圖 12~13 為主動式負載操作成電感 性與電容性負載之實測結果，由圖 12(d)可看出主動 式負載操作成電感性負載，其輸入電流為正弦波且相 位落後市電電壓，由圖 12(b)與圖 12(c)可看出能量回 送系統將主動式負載消耗之能量回送至市電，並且將 市電電流補償成正弦波﹔由圖 13(d)可看出主動式負 載操作成電容性負載，其輸入電流為正弦波且相位超 前市電電壓，由圖 13(b)與圖 13(c)可看出能量回送系 統將主動式負載消耗之能量回送至市電，並且將市電 電流補償成正弦波。圖 14 為主動式負載操作成非線 性負載之實測結果，由圖 14(d)可看出主動式負載操 作成非線性負載，由圖 14(b)與圖 14(c)可看出能量回 送系統將主動式負載消耗之能量回送至市電，並且將 市電電流補償成正弦波。 圖 7 主動式負載操作成純電阻性負載之三相電壓及電流模擬圖(a) 市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d)主動式負載電流 圖 8 主動式負載操作成純電感性負載之三相電壓及電流模擬圖(a) 市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d)主動式負載電流 圖 9 主動式負載操作成純電容性性負載之三相電壓及電流模擬圖 (a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d)主動式負載電流 圖 10 主動式負載操作成純非線性性負載之三相電壓及電流模擬圖 (a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d)主動式負載電流 圖 11 主動式負載操作成純電阻性負載之三相電壓及電流實測圖(a) 市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d)主動式負載電流
圖 12 主動式負載操作成電感性負載之三相電壓及電流實測圖(a) 市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d)主動式負載電流 五、結論 由模擬結果與實測結果可知，本文所提出之單相 主動式負載具備電阻性、電感性、電容性及非線性整 流型負載的功能，且可將消耗儲存於主動式負載內之 能量回送到電力系統內以達到節省測試能源之目 的；同時亦能補償待測、燒機設備所需虛功率及諧波 電流，以避免燒機測試時所產生電力諧波污染鄰近電 力設備及確保電力之品質。 圖 13 主動式負載操作成電容性負載之三相電壓及電 流實測圖(a)市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d)主動 式負載電流 圖 14 主動式負載操作成非線性負載之三相電壓及電流實測圖(a) 市電電壓(b)市電電流(c)回送電流(d)主動式負載電流 六、參考文獻
[1] C. A. Ayres and I. Barbi, “Power recycler for DC power supplies burn-in test design and experimentation”, Proceedings of IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, San Jose, California, USA, pp. 72-78, March 1996.
[2] S. Gupta and V. Rangaswamy, “Load bank elimination for UPS testing”, Proceedings of IEEE IAS Meeting, Seattle Washington, USA, pp.1040-1043, 1990.
[3] C. L. Chu and J. F. Chen, “Self-load bank for UPS testing by circulating current method”, IEE Proceedings Electric Power Applications, vol. 141, No.4, pp.191-196 July 1994.
[4] C. E. Lin, M. T. Tsai and C. L. Huang, Consumption Power Feedback unit for power electronics burn-in test”, IEEE IECON Conf. Rec., pp.284-289, 1995.
[5] R. Wu, S. B. Dewan and G. R. Selmon, “A PWM ac-to-dc converter with fixed switching frequency”, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 26, pp. 880-885, Sept./Oct. 1990.
[6] J.W.Dixon and D. W. Ooi, “Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boost type three-phase rectifier”, IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 35, pp. 508-515, Nov. 1988. [7] D. M. Brod and D. W. Novotny, “Current control of VSI-PWM
inverter”, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-21, pp. 562-570, July/Aug.1985.
[8] CHEN,J.F, CHU,C. L, Ai,t.H and HUANG, C. L, ”The Bun-in Test of Three-Phase UPS by Energy Feed back Control, PESC93, pp.766-771.
[9] O’SULLIVAN, GEORGE A, “Power Supply Testing with the Power Recycler”, Power Conversion, 1992, pp.228-235. [10] O’SULLIVAN, GEORGE A, “Power Recycling: Safety and
Quality Imperatives”, Power Quality 1992, pp.160-166
[11] GUPTA, S; RANGAWASMY, V., “Load Bank Elimination for UPS Testing”, IAS 1990, pp. 1040-1043.
