CN1960108A - 交流负载特性的主动式调整装置 - Google Patents

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Abstract

一种交流负载特性的主动式(active－type)调整装置，其与一负载并联后连接至一电源，且该调整装置包含一储能电容、一电能转换器、一高频滤波器及一控制电路。用该储能电容提供稳定直流电压。该控制电路检出该储能电容的电压作闭回路控制，以稳定该储能电容的电压，并利用上述检出的电源电流做前馈控制，以产生该电能转换器的驱动信号，该电能转换器产生切换动作，以切换该储能电容的电压经该高频滤波电路产生一电流，该电流与该负载产生的电流并联，使得从该电源流入的电流成为与电源电压同相位的弦波，进而使电源端看入(in relation to a power source)的负载特性相当于电阻特性。

Description

交流负载特性的主动式调整装置
技术领域
本发明是关于一种交流负载特性的主动式(active-type)调整装置，特别有关应用于配电系统中与非线性负载或含有虚功成份的负载并联操作，将负载特性调整为具有线性的电阻特性，以清除负载谐波及虚功电流的调整装置。
背景技术
近年来由于非线性负载，如整流器、充电器、马达驱动器及不断电系统等，大量地使用于配电系统中，这些非线性负载产生的大量谐波电流会流回配电系统。因而导致该配电系统产生如变压器过热、旋转电机扰动、供电电压失真及电力设备故障等问题。为了有效抑制谐波污染问题，一些国际研究机构纷纷制定谐波管制标准，如IEEE519-1992，IEC1000-3-2及IEC1000-3-4等，且许多国家已纷纷依据这些谐波管制标准来进行管制谐波产生量。在台湾，台电公司制定谐波管制暂行条例来管制谐波，所以如何改善非线性负载对配电系统的不良影响已成为电力界重要的课题。
另一方面，配电系统的负载大部分属于电感性负载，并会产生公因落后的虚功率因子，导致配电系统除了必须供应实功率因子外，同时还必须供应负载所需的虚功率因子。因此不但导致输配电效率降低，负载端电压调整率增大，而且配电系统还必须增大其输配电总容量。因此电力公司亦制定功率因子奖惩标准，期使电力用户改善其负载特性，降低客户端非线性负载所产生的虚功率因子。
由以上说明，可发现在配电系统中较佳的负载特性为线性的电阻性负载，其只消耗实功率因子，且不会产生谐波。因此，传统上为改善负载特性，会使用由被动式电力组件组成交流负载特性的调整装置，其包含利用被动式电力滤波器来消除非线性负载所产生的谐波电流，并改善功率因子及采用电力电容器组来消除电感性负载的虚功电流。然而，这些被动式交流负载特性的调整装置均存在一些问题，例如：该被动式电力滤波器存在有串/并联谐振、邻近谐波注入及滤波效果不佳等问题；而该电力电容器存在有串/并联谐振、谐波注入、虚功补偿量固定及无法线性调整等问题。
为了解决被动式交流负载特性的调整装置存在的问题，近年来以电力电子组件为基础的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置被开发出来，其电力电路架构如图1所示，该交流负载特性的主动式(active-type)调整装置(亦称为有源电力滤波器)包含一储能电容91、一电能转换器92及一高频滤波电路93，该交流负载特性的主动式(active-type)调整装置用以与负载2并联操作，可以使非线性负载线性化，且可消去负载2的虚功电流，使电源1流入的电流为与电源电压同相位的弦波电流，因此，由电源端看入(inrelation to a power source)可以将负载特性调整成相当于线性的电阻特性。
现有的主动式(active-type)负载特性的调整装置，如美国专利5,321,598号、第5,614,770号及第5,977,660号，其包含一储能电容、一电能转换器、一高频滤波器及一控制电路，其需同时检出负载电流、电源电压及储能电容电压，并经过复杂的计算过程计算出参考补偿电流信号，该参考补偿电流信号再与该电能转换器输出电流经一回授控制器做电流闭回路控制，以控制该电能转换器输出电流追随该参考补偿电流信号。结果，导致该交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的控制电路设计复杂。基于上述因素，确实仍有必要进一步改进上述交流负载特性的主动式(active-type)调整装置。
有鉴于此，本发明改进上述的缺点，只需藉由检出一储能电容的直流电压作闭回路控制及用一电源电流作前馈控制便能产生一电能转换器的驱动信号，因此不需计算参考补偿电流信号且不需检出该电能转换器输出电流回授做闭回路控制。藉此，本发明确实能使非线性负载线性化，且可消去负载的虚功电流，进而相对简化控制电路。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一交流负载特性的主动式(active-type)调整装置，其与一负载并联操作，使电源端看入(inrelation to a powersource)负载的非线特性修正成线性特性，并消除负载的虚功电流，以达到该调整装置与负载的组合在电源侧呈现线性的电阻特性，使本发明具有使非线性负载线性化及消除负载虚功电流的功效。
根据本发明所述交流负载特性的主动式(active-type)调整装置，其与一负载并联后连接至一电源，且该调整装置包含一储能电容、一电能转换器、一高频滤波器及一控制电路。该储能电容用以提供稳定直流电压。该控制电路检出该储能电容的电压作闭回路控制以稳定该储能电容的电压，并利用上述检出的电源电流做前馈控制，以产生该电能转换器的驱动信号，使该电能转换器产生切换动作，用以切换该储能电容的电压经该高频滤波电路产生一电流，该电流与该负载产生的电流并联，使得从该电源流入的电流成为与电源电压同相位的弦波，进而使电源端看入(in relation to a powe rsource)的负载特性相当于电阻特性。
附图说明
图1：现有交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的电路架构图。
图2：本发明第一实施例的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的电路架构图。
图3a：本发明第一实施例的电能转换器的单相电路架构图。
图3b：本发明第一实施例的另一电能转换器的单相电路架构图。
图3c：本发明第一实施例电能转换器的三相三线式电路架构图。
图3d：本发明第一实施例的另一电能转换器的三相三线式电路架构图。
图3e：本发明第一实施例的电能转换器的三相四线式电路架构图。
图3f：本发明第一实施例的另一电能转换器的三相四线式电路架构图。
图4：本发明第一实施例的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的控制电路的电路架构图。
图5：本发明第二实施例的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的控制电路的电路架构图。
图6：本发明第三实施例的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的电路架构图。
图7：本发明第三实施例的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的控制电路的电路架构图。
图8：本发明第四实施例的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的控制电路的电路架构图。
具体实施方式
为了让本发明的上述及其它目的、特征、优点能更明显易懂，下文将特举本发明较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
请参考图2所示，本发明第一实施例中交流负载特性的主动式(active-type)调整装置的连接方式包含一电源1、一负载2及一调整装置3。该电源1供应电力给该负载2，且该电源1可为单相、三相三线式及/或三相四线式电源，该调整装置3与该负载2并联连接。
请参考图2、图3a至图3f所示，本发明第一实施例中交流负载特性的主动式(active-type)调整装置包含一储能电容4、一电能转换5、一高频滤波器6及一控制电路7。该储能电容4用以建立一稳定直流电压，并作为能量缓冲装置。如图3a至图3f所示，该电能转换器5的电路架构是由桥式电力电子开关架构组成，并包含一直流侧及一交流侧，该直流侧连接至该储能电容4。如图3a及图3b所示，当该电源1为单相式电源时，电能转换器5的电路架构包含一直流侧及一交流例，该交流侧包含两输出线。如图3c及图3d所示，当该电源1为三相三线式电源时，电能转换器5的电路架构同样包含一直流侧与一交流侧，该交流侧包含三输出线。如图3e及图3f所示，当该电源1为三相四线式电源时，电能转换器5的电路架构同样包含一直流侧与一交流侧，该交流侧包含至少四输出线。再者，该高频滤波器6为一电感组，其连接到该电能转换器5的交流侧，用以滤除该电能转换器5所产生的高频切换谐波。该控制电路7用以控制该电能转换器5内的电力电子开关组，使得该电能转换器5产生切换动作以切换该储能电容4的电压，并经该高频滤波器6产生一电流，该电流与该负载2产生的电流并联，使得从该电源1流入的电流成为与电源1电压同相位的弦波，使电源1看入(inrelation toa power source)的负载特性相当于电阻特性。
请参考图2及图4所示，本发明第一实施例中控制电路7包含一电压检出器700、一第一减法器701、一控制器702、一第二减法器703、一第一电流检出器704、一乘法器705及一脉宽调变电路706。该电压检出器700用以检出该储能电容4的电压，并送至该第一减法器701，该第一减法器701将该检出的储能电容4的电压与第一设定值相减，将相减结果送至该控制器702。该控制器702的输出与第二设定值送至该第二减法器703相减，并输出一控制信号VR，该控制信号VR为该调整装置3与该负载2并联操作的等效电阻值。其中该第一设定值为该储能电容4的期望电压值，通过改变该第一设定值可以得到不同的直流输出电压。由于该调整装置3与该负载2的并联连接期望操作成一电阻，当操作的电阻越大时，其所吸收的实功率因子越小，是以该操作电阻与该调整装置3与负载2的并联操作所吸收的实功率因子成反比关系，而控制器702的输出正比于其所需的实功率因子，所以该操作电阻大小必须由该第二设定值减去该控制器702的输出，该第二设定值为该操作电阻的最大值，即该调整装置3与该负载2并联操作时所吸收的最小实功率因子。
请再参考图2及图4所示，本发明第一实施例中控制电路7的第一电流检出器704用以检出电源电流，将该检出的电源电流与该控制信号VR送至该乘法器705相乘，该乘法器705的输出送至该脉宽调变电路706以产生驱动信号用以驱动该电能转换器5内的电力电子开关组，该电能转换器5切换该储能电容4的电压，产生一电流流经该高频滤波器6，做为该调整装置3的输出电流，该输出电流与该负载2所吸收的电流并联后，使从该电源1所发送出来的电源电流为一与该电源电压同相位的弦波电流，藉此，该调整装置3可将该负载2的特性调整成电阻负载特性，以达到输入电流趋近于单位功率因子及谐波滤除的功效。
请再参考图4所示，本发明第一实施例中交流负载特性的主动式(active-type)调整装置3的控制电7相对较为简化，然而在重负载时，该控制信号VR为一较小值以吸收功率因子较大的实功率因子，因此该调整装置3与该负载2并联所操作的等效电阻无论在谐波频率及基波频率均较小，由于较小的谐波频率的等效电阻将流入较大谐波电流，使得电源电流的谐波失真较大。
请参考图5所示，其揭示本发明第二实施例中交流负载特性的主动式(active-type)调整装置。本发明第二实施例与第一实施例基本相同，不同之处在于：第二实施例在该第一电流检出器704、乘法器705及脉宽调变电路706之间另外包含一带通滤波器707、一第三减法器708、一放大器709及一加法器710，其差别在于使检出电源电流的处理方式不同。
请再参考图5所示，本发明第二实施例中控制电路7的第一电流检出器704检出该电源电流，该检出的电源电流送至该带通滤波器707取出其基本波成份，而该带通滤波器707的输出与该控制信号VR送至该乘法器705相乘，该带通滤波器707的输出另外送至该第三减法器708与该检出电流相减取出其谐波成份，该第三减法器708的输出送至该放大器709放大，该放大器709与该乘法器705的输出送至该加法器710相加，该加法器710将相加结果再送至该脉宽调变电路706。该脉宽调变电路706的输出用以驱动该电能转换器5内的电力电子开关组，并切换该储能电容4的电压，该电能转换器5输出电压经该高频滤波器6产生该调整装置3的输出电流，该输出电流与该负载2所吸收的电流并联后，使从电源1所发送出来的电源电流成为一与该电源1的电压同相位的弦波电流，因此，该调整装置3可将该负载2的特性调整成相当于电阻的负载特性，以达到输入电流趋近于单位功率因子及谐波滤除的效果。
请再参考图5所示，本发明第二实施例中交流负载特性的主动式(active-type)调整装置，由于检出的电源电流的基本波与谐波成份被分别处理，因此控制电路较复杂，然而可使该控制信号VR只控制该调整装置3与该负载2并联所操作的等效电阻的基波频率成分，而谐波频率的等效电阻则成为一固定值，不随负载2变动，使得该电源电流的谐波失真无论在大负载或小负载下均能有较小的谐波失真。
请参考图6所示，其揭示本发明第三实施例中交流负载特性的主动式(active-type)调整装置。第三实施例中的调整装置3与第一实施例基本相同，不同之处在于：该储能电容4用以建立一稳定直流电压，并作为能量缓冲装置，该电能转换器5由桥式电力电子开关架构组成，其电路架构亦如同图3a至图3f所示，一电源为单相、三相三线或三相四线系统来选择使用相对的电能转换器架构。该电能转换器5包含一直流侧与一交流侧，该直流侧连接至该储能电容4。该高频滤波器6为一电感-电容-电感的组合，其电感值较小，较适用于中大容量的应用，以降低该高频滤波器6的体积、重量及价格，该高频滤波器6连接至该电能转换器5的交流侧，用以滤除该电能转换器5的高频切换谐波。该控制电路7用以控制该电能转换器5内的电力电子开关组，使该电能转换器5产生切换动作，以切换该储能电容4电压经该高频滤波电路6产生一电流，该电流与该负载2产生的电流并联使得从该电源1流入的电流为与电源1电压同相位的弦波，使电源1看入(in relation to a power source)的负载特性相当于电阻特性。
请参考图6及图7所示，本发明第三实施例中的控制电路7与第一实施例基本相同，不同之处在于：在该第一电流检出器704及乘法器705之间另包含一第二电流检出器711及一第四减法器712。该电压检出器700用以检出该储能电容4的电压并送至该第一减法器701，该第一减法器701将该检出的储能电容4电压与第一设定值相减，将相减结果送至该控制器702，该控制器702的输出与第二设定值送至该第二减法器703相减，该第二减法器703输出一控制信VR，该控制信号VR为该调整装置3与该负载2并联操作的等效电阻值，其中该第一设定值为该储能电4的期望电压，藉由改变该第一设定值可以得到不同的直流输出电压。由于该调整装置3与该负载2的并联操作期望操作成一电阻，当操作的电阻越大时，其所吸收的实功率因子越小，即该操作电阻与该调整装置3与该负载2的并联操作所吸收的实功率因子成反比关系，而控制器702输出正比于其所需的实功率因子，所以该操作电阻大小必须由该第二设定值减去该控制器702的输出，该第二设定值为该操作电阻的最大值，即该调整装置3与该负载2并联操作所吸收的最小实功率因子。
请再参考图6及图7所示，基于该高频滤波器6为电感-电容-电感组的架构，若只检出电源电流，则由于高频滤波器6中电容器的存在将引起高频振荡，因此利用该第一电流检出器704检出电源电流，再利用第二电流检出器711检出高频滤波器6内的滤波电容器电流，将检出的电源电流与检出的滤波电容电流送至该第四减法器712相减，因为滤波电容器的效应已被减去，所以可避免滤波电容存在所引起的振荡，该第四减法器712输出与该控制信号VR送至该乘法器705相乘，该乘法器705的输出送至该脉宽调变电路706以产生驱动该电能转换器5内的电力电子开关组的驱动信号，该电能转换器5切换该储能电容4的电压并产生一电流经该高频滤波器6做为该有源交流负载特性调整装置3的输出电流，该调整装置3的输出电流与该负载2所吸收的电流并联后使得从该电源1所送出的电源电流为一与该电源电压同相位的弦波电流，藉此，该调整装置3可将该负载2的特性调整成电阻负载特性，以达到电源1的输入趋近于单位功率因子及谐波滤除的效果。
请再参考图6及图7所示，本发明第三实施例的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置，其控制电路7的架构相对较为简化，然而在大负载时，该控制信号VR为一较小值以吸收较大的实功率因子，因此该调整装置3与该负载2的并联所操作的等效电阻无论在谐波频率及基波频率均较小，由于较小的谐波频率的等效电阻将可流入较大谐波电流，将使得电源电流的谐波失真较大。
请参考图8所示，其揭示本发明第四实施例的交流负载特性的主动式(active-type)调整装置。相较于第二实施例，第四实施例的控制电路7同样包含该电压检出700、第一减法器701、控制器702、第二减法器703、第一电流检出器704、乘法器705、脉宽调变电路706、带通滤波器707、第三减法708、放大器709及加法器710。由于该控制电路7的第二减法器703所产生的控制信号VR的控制电路方块与第一实施例完全一样，故在此不再赘述。此外，第四实施例在该第一电流检出器704及带通滤波器707之间另包含一第二电流检出器711及一第四减法器712。
请再参考图8所示，本发明第四实施例的第一电流检出器704检出电源电流，而利用该第二电流检出器711检出该高频滤波器6的滤波电容电流，将该检出的电源电流及滤波电容电流送至该第四减法器712相减，该第四减法器712输出送至该带通滤波器707取出其基本波成份，而该带通滤波器707输出与该控制信号VR送至该乘法器705相乘。该带通滤波器707输出与该第四减法器712输出送至该第三减法器708相减以取出其谐波成份，该第三减法器708输出送至该放大器709，该放大器709与该乘法器705输出送至该加法器710相加，最后将该加法器710相加结果送至该脉宽调变电路706。该脉宽调变电路706输出用以驱动该电能转换器5内的电力电子开关组，以切换该储能电容4建立的电压，该电能转换器5输出电压经该高频滤波器6产生该调整装置3的输出电流，该输出电流与该负载2所吸收的电流并联后使得从电源1送出的电源电流为一与该电源1的电压同相位的弦波电流，藉此，该调整装置3可将该负载2的特性调整成电阻特性，以达到电源1的输入电流趋近于单位功率因子及谐波滤除的效果。
请再参考图6及图8所示，本发明第四实施例中交流负载特性的主动式(active-type)调整装置，将该检出的电源电流与该滤波电容电流相减结果的基本波及谐波成份分别处理，因此其控制电路较复杂，然而可使得该控制信号VR只控制该调整装置3与该负载2的并联所操作的等效电阻的基波频率成份，而谐波频率的等效电阻则为一固定值，不随负载2变动，使得该电源电流的谐波失真无论在大负载及小负载下均能有较小的谐波失真。
如上所述，相较于图1中，现有交流负载特性的主动式(active-type)调整装置具控制电路设计复杂等缺点，图2的本发明藉由检出该储能电容4的电压作闭回路控制，及藉由该电源1的电流作前馈控制，便能产生该电能转换器5的驱动信号，不需计算参考补偿电流信号，且不需检出该电能转换器5的输出电流回授作闭回路控制。藉此，本发明确实能使非线性负载线性化，且可消去负载的虚功电流，进而大幅简化该控制电路7。

Claims (21)

1、一种交流负载特性的主动式调整装置，其包含：
一储能电容，其用以提供一稳定直流电压；
一电能转换器，其是由桥式电力电子开关组组成，具有一直流侧与一交流侧，该直流侧连接至该储能电容；
一高频滤波器，其连接至该电能转换器的交流侧，用以滤除该电能转换器的高频切换谐波；及
一控制电路，其用以控制该电能转换器的电力电子开关组；
其中，该调整装置是与一负载并联操作；该控制电路仅检出该储能电容的电压，并用电源电流作控制，产生该电能转换器的驱动信号；该电能转换器接受该驱动信号切换该储能电容建立的电压，并经该高频滤波器产生一输出电流；该输出电流与该负载电流并联后，使该电源电流成为一与该电源电压同相位的弦波电流；藉此，可将负载特性调整成如同一电阻负载的线性特性，以达到电源的输入趋近于单位功率因子及谐波滤除的效果。
2、如权利要求1所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该电能转换器可选用连接自单相电源、三相三线式电源或三相四线式电源。
3、如权利要求1所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该控制电路检出该储能电容电压作闭回路控制及该电源电流作前馈控制。
4、如权利要求1所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该高频滤波器为一电感器组。
5、如权利要求4所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该控制电路包含一电压检出器、一第一减法器、一控制器、一第二减法器、一电流检出器、一乘法器及一脉宽调变电路。
6、如权利要求5所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该电压检出器用以检出该储能电容电压。
7、如权利要求5所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该电流检出器用以检出该电源电流。
8、如权利要求4所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该控制电路包含一电压检出器、一第一减法器、一控制器、一第二减法器、一电流检出器、一带通滤波器、一乘法器、一第三减法器、一放大器、一加法器及一脉宽调变电路，藉此达到滤波效果。
9、如权利要求8所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该电压检出器用以检出该储能电容电压。
10、如权利要求8所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该电流检出器则用以检出该电源电流。
11、如权利要求8所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该检出的电源电流分成基波成份及谐波成份分开处理。
12、如权利要求1所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该高频滤波器为一电感-电容-电感的组合。
13、如权利要求12所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该控制电路包含一电压检出器、一第一减法器、一控制器、一第二减法器、一第一电流检出器、一第二电流检出器、一第三减法器、一乘法器及一脉宽调变电路。
14、如权利要求13所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该电压检出器用以检出该储能电容电压。
15、如权利要求13所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该第一电流检出器用以检出该电源电流。
16、如权利要求13所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该第二电流检出器用以检出该滤波电容电流。
17、如权利要求12所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该控制电路包含一电压检出器、一第一减法器、一控制器、一第二减法器、一第一电流检出器、一第二电流检出器、一第三电流减法器、一带通滤波器、一乘法器、一第四减法器、一放大器、一加法器及一脉宽调变电路，藉此提升滤波效果。
18、如权利要求17所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该电压检出器用以检出该储能电容电压。
19、如权利要求17所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该第一电流检出器用以检出该电源电流。
20、如权利要求17所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该第二电流检出器用以检出该滤波电容电流。
21、如权利要求17所述的交流负载特性的主动式调整装置，其中该检出的电源电流及该滤波电容电流的差分成基波成份及谐波成份分开处理。
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