TW201112582A - Flux linkage compensator for uninterruptible power supply (UPS) - Google Patents

Description

201112582 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一種應用於不斷電系統之磁通鏈補償器，尤指 -種應驗不斷電纟統巾，抑制電力轉移啦线浪電流 通鏈補償器。 【先前技術】 可靠的供電與電力品質-直是業界最關注的議題。擎 的電壓驟降(voltage sag)或斷電事故(outage)常導致運行中的丄 業衣私中斷，甚至成5又備知壞。因此，許多敏感性負載需依 賴不斷電系統(uninterruptible P〇wer supply，ups)來維持正常的 供電，「並確保運轉十的設備不致於因電力事故而停機。 「圖1」為傳統在線互動式不斷電系統(line_interactive system)的線路組態。在正常情況下，市電端2(utmty)電壓經由 了，閘流體3(main thyristor)傳送至負載5側’並透過一負載變 壓器4供給負載5所需之電力。當不斷電系統丨偵測到市電端 2電壓發生異常(電壓驟降或供電中斷），不斷電系統丨會立即 被啟動。不斷電系統1輸出之電力經由一副閘流體6(altemate thyristor)傳送至負载5避免負載停機。 虽市電端2電壓受到干擾（disturbances)，不斷電系統應 在1〜5ms内完成上述的負載電力轉移，以避免任何形式的電 力中斷(interruptions)。在這段1〜5ms的負載轉移時間（壮咖鈿 time)内，失真的電壓(deformed line voltages)波形仍施加於負 載變壓器4上，這會導致負載髓器4的磁通鏈(transf_er linkage)產生偏移。當不斷電系統1完全承接負載電壓並回 復電壓至額定值時，負載變壓器4的磁通鏈可能已超出所規範 的操作區間，進而造成嚴重的湧浪電流(inrush current)。一般 而言’磁飽和(magnetic saturation)所引起的湧浪電流可達到 201112582 倍的負載電流額定值（rated current)，並持續數個市電週期。 如此會造成負载端線路電壓(load voltages)下降’甚至觸發不斷 電系統的過電流保護機制（over-current protection )，導致不斷 電系統因此而停機。 為了抑制變壓器磁飽和所形成的湧浪電流，在過去已有許 多方法被提出。其中，直接控制不斷電系統之輸出電壓大小°， 可被視為一簡單且可靠的控制方式，例如：L Ban和τ· H. Ortmeyer 在，“Improve(} m〇t〇r starting capabmty 〇f 如沈沖脱 ups in Harmonics and Quality of Power, 2004. lhh /你謂加如/ 聰洲，2004, pp. 678 - 683. t提出，蕤由伯 測渴浪電流的大小（current magnitude)來降低不斷電^之 ，出，。另外-種控制方式則是控制不斷電系統輸出電壓之 才目位角（phaseangle)，促使電壓在電壓波形之相位 ^輸出至負载變壓器，如v Zaltsman在“Inmsh c_ = for equipment powered by UPSs,^ in INTELECf 89 C , Proceed 1989, pp. 19.4/1 - 19.4/7 0 ^

電系統無法即時輸出負載所需之額 =G 【發明内容】 供-=====題’树r目的在於提 統啟動時之磁通鏈偏^償不斷電系 與可靠的電壓補償。 勇浪電机的發生，實踐快速 為了達成前述目的，本私明辟 磁通鏈補償器，其包含一負▲變』於不斷電系統之 估測器產生-負载變愿器磁通鏈栽變壓器磁通鏈 〜而s亥磁通鏈命令產生考 201112582 產生一磁通鏈命令訊號；該負載變壓器磁通鏈訊號與該磁通鏈 命令訊號之差量形成一磁通鏈偏移量訊號；該補償電壓命令產 生器接收該磁通鏈偏移量訊號’並產生一驅使該磁通鏈偏移量 訊號趨近於零的電壓補償訊號。 藉由本發明，在不斷電系統於負載電力轉移時，能提供較 佳之電壓品質，並同時抑制湧浪電流的發生。有關本發明的詳 細技術内容及較佳實施例，配合圖式說明如後。 【實施方式】

.有關本發明之詳細說明及技術内容，現就配合圖式說明如 下： Λ、本發明為一種應用於不斷電系統之磁通鏈補償器（以下簡 稱磁通鏈補償器），「圖2」為本發明之磁通鍵補償器伽X触哪 朝於不斷電祕之架_。獨電系統包含 2制器7，_制市電電氣訊號並控糖&。該控制器7 ϋ電壓控制器9 ’電流控制器8和電壓 9根據錄健命令触。 的電流及電壓訊號，以賦予不斷電“ 1 金艾f、電堡來估測負載變壓器4之磁通鏈變化，並結合磁通 迴之狀態回授控制(咖e feedback control) 載變壓器磁通鍵^移之電_虎是依據負 後詳述）。須特別通心令兩者之差量來計算(容 雍田於月的疋圖2」用以示意磁通鏈補償考10 ί，並未聰’為了避免_本發明的精 及圖式顯示或描述。另外，本發明之範例以 之範圍。 之用’不崎些範賊®式喊蚊本發明 包含一^載」變通賴储之内雜财塊圖，苴 負H磁通鏈估測器(―㈣20、一磁通鏈命 201112582 command gene_r)4〇和一補償電壓命令產生器 令產生器(flux 藉由輸入所量測之一負載電氣訊號，女 生負載變壓器磁通鏈（又/〇^)之估測值。 ίΐΓcommand generator)30;該負載類器磁通鏈^測器 如—負載電壓(V/0W)來產 根^法拉第定律(Famday，s law)，磁通鏈（flux iinkage)

相同地’磁通鏈命令（u則是經由磁通鏈命 可表示為： 斑i二:Uw)之差量形成一磁通鏈偏移量(Δλ/- >。根據 磁，鏈，移量(△ λ/°^)訊號，補償電壓命令產生器30可輸出一 電壓補債D-卩令(VCCW3p)，驅使因線路故障所引起之磁通鏈偏移量 (△λ/σ^)趨近於零，進而抑制湧浪電流。 。亥補i員電壓命令產生器3〇可包含一比例積分控制器$工 regulator)31 ;比例積分控制器31能將磁通鏈偏移量（△心^) 訊號轉換成姆應之領補償命令(V，），驅使磁通鏈偏移量 (△又/cW)趨近於零。較佳地’該補償電壓命令產生器3〇可更包 含了前饋控制器(feed-forward C〇ntr〇ller)32，顯示於「圖3」， 則是1以提升磁通鏈補償器之動態響應(dynamic resp〇nse)。 ^請參閱「圖4」，其為應用本發明之磁通鏈估測器之一實 她例的内部控制方塊圖。本實施例之控制器建構在同步參考框 (synchronous reference frame, SRF，上標註記” e”）下，但不以 其為限’其係將三相交流電氣訊號(電壓與電流)經座標軸轉 換，轉換至靜止參考座標框，未加以 顯示)下’之後再透過與市電頻率(6〇Ηζ，ω= 377Γ&(1/δ)同步之 同步參考框(Synchronous reference frame)轉換，形成一兩极； 201112582 直流訊號。下文及圖式符號中之上標”e”、上標”S”分別代表以 同部參考框及靜止參考框為座標轴表示；下標，，q”與下標”d”， 分別代表電氣訊號在上述參考框下之q座標分量和d座標分 量；上標”*，’則表示命令之意。 本實施例中，負載變壓器磁通鏈估測器20藉由將積分負 巧電壓(如「圖4」中之「1/s」方塊〉產生一相對應之負載變壓 此外，藉由積分電壓命令(t)可產生一磁 ，叩令。負載賴器磁通鏈（心吻)與磁通鏈命令 (w，,)之差量為磁通鏈偏移量(△(吻)訊號。「圖4」另顯示

f Z分控制器渾〜U s)之-實施例，由於其為-習 此在此不加費述’且不以圖所示者為限。由於本實 τ斷電系統之控制器是設計在與市電頻率之同 刑Λ相平衡的操作狀態下，所有的控制訊號 的操作， 後快速收斂到零。 里（又吨)此在不斷電系統啟動 行使^^ίΐϊ器31對磁通鏈偏移量(△“)進 订徑制夕卜本只關之補償電壓命令產 —

严饋控制器32。前饋控制器32藉由 y心兴 (proportional control _)(如「 ifJLlZ 償因線路故障所引起磁通鏈方塊)快速補 可視為電壓波幵 驟 」細康磁通鏈偏移量，計“ 卜例控制增益心 相對應之補償電壓量，進而^速皮> ^斤=伏-秒面積 電歷，璺加以產生—補償 陶者所δ十异，— 命令(V，)將與不斷電系統之輸出該補償電壓 鏈偏移，達到抑制湧浪電流之=包壓…合，糟以補償磁通 上述比例控制增益之定義如下式⑻ 201112582 κ ΡΑλ

AT for detect comp 0 ~ (^detec/ + ^·Τ„ comp . f〇r 式(2) comp. 1「「HI」ί本發明之負載轉移_之磁_偏移補償干 思圖。®5Α」顯不負載轉移時，負載電麼波形 二 =偏移量的關係。其中〜為預設之磁通鏈偏# ，間、W為電壓驟降之時間點、“為測得線路故障 域過本發明產生之電_償量。假設—= 〜時發生於市電端，此時，磁通鏈偏移驟， =逐3加；不斷電系統於卜w時測得電壓驟降，並= ^入？τϋ電壓樹員直y，之補償電I %，電壓補償量 驅使磁通鏈偏移量△又〜^漸趨為零，因此變壓器 移λ/£^能被迅速地補償，而避免湧浪電流發生。 认—圖5Β」為本發明之應用模擬結果圖。一線路故障發味 點如圖所示(圖中u秒處)，若不斷電系統啟 浪電流’線路故障所引起㈣浪電流將^ 的2.9倍。相較之下，若使用本發明之磁通Hi ^。〇勇浪電流抑制’將可達到完全避免渴浪電流現象的產 對於本發明負載變壓器磁通鏈的估 ΐ;，20除如前述採用直接計算負載電壓 $變^磁通鏈之估測值外，亦可利用一開避路磁通鍵2 obse而)22，來對負載變壓器之磁通鏈進^更 測。「圖6」為—變壓器之單相等效電路圖。本g ^ ^磁f鏈之—實施例，可視為估測越兩端之等效磁 彳與激磁電感 41(magnetizing inductance：^ 之磁 ^於了/·^、、圖6」所示。然而，與激磁電感41相較下， η "的磁通鏈幾何以被忽略，因此，姑測A_B_兩端之 201112582 3升負1磁魏(A〜)。為 型如=⑶=該負峨114於靜止框下之數學轉模 vL,q Vl〇ad,d =(戎+4仝 1 — ^l〇ad,q +兑卜， dt is _ l〇ad,d _ 式(3) 吼q ；s， loaded

L -又ί 'ad,q s1 Ίοαά,ά

i〇ad,q 凡bad，d 式(4) 其中， V^KN./NOV^ L12={nxin2) 2lI2 L2=Ln + Lm ，3)_步轉換後可得 , -^^«(utility &[ά)^：Ά1 (angular fi：equency)。根據式（5)，開迴路磁通鏈估測器 〇pen_kx)p flux estlmat〇r)一實施例之控制方塊圖如「圖 __通鏈估，21可藉由估測負載電流與負載電 壓而獲得負載變壓器磁it鏈u & J。 χυ^112582

d_ dt d dt 1 ba<iq ie' lloadd 磁通：：?2載=估測器20，亦可為-:二 ，丨器21與一磁是由-開 碎用閉迴路的控制技術來改善開迴路主要的概念就是 度’同時提升負载變壓器磁路=通鏈估測n 21的精確 定性。該磁通修正迴路23 ^靜，20於參數變化時之穩 示，其可經由結合式(3) 下的數學模型如式⑹所 測器22時所使用的數學4閉迴路磁通鍵觀 為下式(7)，其中之” Λ =可由式⑹再經由同步框轉換 閉迴路磁通鏈觀測器22所之估測值。最後，該 所定義之-關路麵® 7B」為如上述數學式 磁通鍵估咖1與-^其由一開迴路 load,q f' Ίοαά,ά κ LiL\ ~L2m

X 又丨〇ad，q _^load,d

L i〇ad,q y^' -l〇ctd,d

L 'Kad2. 、，q R2Lm + I^2R{ l〇ad^q -C!rf _A_ 1〇a4q ^〇ad,d ^oaciq \Yiom 式⑹ ^loadL,qye， _ loaded +^2~^1^Ll lload,q ie， Lloa4d l〇Q4q ie% l〇ad,d 式(7) 10 X \ 201112582 述。上述之公式娜和運算為本領域之已知者，因此不加以賢 感應Γ於顿電祕之顧鏈顯11可結合現行的 s 先，用於市電端遭受電力中斷或電壓驟降時，迅速地 給載電壓補償’同時避免航電流發生。由於不斷電系统 償磁通鏈偏移之電壓量，因此可以立即修 ^電力^故所引起的負載變壓器磁通鏈偏移，進而抑制消浪 ί 發/之麵鏈顯胃不需糾增設電氣_元件或兑 他硬體電路，即可有效地抑制湧浪電流。 ”

電、、明Λ是’於本發明所使用之磁通鍵補償器、 制器等元件中，其中之”器，，字僅為方 為减雷為具獨立於不斷電系統之構件；其可 電^疋組件。本發明之描述或者實施例僅為方便說n 本發明。因此，凡運用本發明說明書及圖式内容 圍=化梅’均同理包含於本發明之權利保護範 201112582 【圖式簡單說明】 本發明的實施方式係結合圖舒以描述： 「f 1〈為，線互動式不斷電系統(line-interactiveOTS system)之線路組態圖； 「圖2」為本發明之磁通鏈補償㈣ 用於不斷電系統之架構圖； g compensator)應 「圖3」為本發明磁通鏈補償器之内部控制方 圖圖4」為本發明之磁通鏈估测器之一實施例的内部控制方塊 = 5A」為本發明之負載轉移之磁 圖5B」為本發明之抑制·電流示鏈偏移_不思圖， 圖6」為-麵H之單相細電路圖； 例圖7A」為本發日月之通鏈估測私控制方塊實施 例圖7B」為本發明之—閉迴路磁通鏈_之控制方塊實施 【主要元件符號說明】 1........ # 2....... 3 ........ 4 ........ 5 ........ 6 ........ 7 ........ 8 ........ 9 ........ 10 ........ 20........ 21........ ••不斷電系統 ••市電端 ••主閘流體 ••負載變壓器 ••負載 ••副閘流體 ••控制器 ••電流控制器 ..電壓控制器 ••磁通鏈補償器 ，載變壓器礤通鏈估測器 ..開迴路磁通鏈估測器 12 201112582 22 ...........•閉迴路磁通鏈估測器 23 ............磁通鏈修正迴路 30 ............補償電壓命令產生器 31 ............比例積分控制器 32 ............前饋控制器 40 ............磁通鏈命令產生器 41 ............激磁電感

Claims (1)

1. 201112582 七、申請專利範圍： 1.==於不斷電系統之磁通鏈 估測n、i償電壓命令產一】$ =念器，負载變壓器磁通鏈估測器產生-負載3 ^=二該磁通鏈命令產生器產生-磁= 量幵^Γίΐίί號與_通鍵命令訊號之差 偏移量訊號，產生-驅使該磁通::;ΐ= 2. 電壓，™= ’是直接積分負載電壓而產生。 補償ΐ專項所述之應用於不斷電系統之磁通垄 鏈估^ n:、中“負載變壓器磁通鏈估測器為—開迴路磁由 哭.分罨壓命令產生态包含一比例積分控1 於零了纟’、77控制11用於驅使該磁通鏈偏移量訊號趨i 第5項所述之應用於不斷電系統之磁通金 I動 器磁通鏈估測器產生該負載變ϊ 如載電愿而產生 4. 6. 14