TW201434254A

TW201434254A - 三相前饋式電感電流控制裝置及其控制法

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Publication number: TW201434254A
Application number: TW102106244A
Authority: TW
Inventors: Cai-Fu Wu; zhi-hao Zhang; Li-Qun Lin; Guo-Duan Yu; Jian-Fu Chen
Original assignee: Nat Univ Chung Cheng
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-09-01
Also published as: TWI488415B

Abstract

本發明揭示一種三相前饋式電感電流控制裝置及控制法，其係利用三相換流器並聯直流電壓源，以輸出三相電流，濾波電路濾除三相電流之雜訊，並修正三相電壓之功率因素，以輸出電感電流至電網，交流回授電路輸出迴授電流及迴授電壓，直流回授電路接收直流電壓訊號，微處理電路根據前饋式電感電流控制法以校正迴授電流、迴授電壓及直流電壓訊號，以得到電流預測變化量，再根據三相責任比控制演算法，以決定可控式開關之責任比。本發明藉由加入電感電流變化的考量，以改善傳統SVPWM因三相不平衡、電流諧波與控制延遲而使得d-q轉換不成立的限制。

Description

三相前饋式電感電流控制裝置及其控制法

本發明係有關一種三相電流控制裝置及其控制法，特別是有關一種三相前饋式電感電流控制裝置及其控制法。

工業負載幾乎都是非線性或不平衡負載，造成電壓飄動、諧波電流及電壓源不平衡。此外，自從愈來愈多單位功率因數的再生能源注入到交流電網，例如太陽能發電裝置取得太陽能而轉變成電能後，此電能可直接併入市內配電網或以電池儲存能量，但此類再生能源也會導致市電電壓和頻率的飄動和三相不平衡，而造成必須與電網解聯。

因此，在國際最新標準，如VDE-AR-N4105，根據電力公司的要求，市電併聯型換流器需要操作在功率因數領先或落後0.9，使它可以維持交流電網電壓在正常的工作範圍。隨著再生能源市電併聯系統的需求增加，虛功率注入變成愈來愈重要，且功因領先或落後的範圍將會擴大。對市電併聯型換流器來說，有一些應用，如一般的市電併聯型換流器(意即賣電力給市電)、整流(意即從市電購買電力)、虛功率補償器(static synchronous compensator，STATCOM)及主動式電力濾波器(active power filter，APF)。

依據目前現有的控制方式，基本上都是基於空間向量脈波寬度調變(Space Vector PWM，SVPWM)，可以使用d-q轉換來得到責任比的控制法則，空間向量脈寬調變是建立在三相電壓平衡的情況下，利用電流誤差補償來克服市電諧波造成的失真以及取樣延遲的控制問題等。惟三相之電感值並不是固定不變，在功率越大的系統中，電流越大會使得感值變得越小。由於空間向量脈寬調變本身是以三相電感相等的條件來推導控制法則，當電感隨著電流變化而改變時，以空間向量脈寬調變推導之控制法則就不成立。

倘若控制器沒有將電感變化納入考量，勢必要用極大的補償量來克服電感值的不足，這會將使得系統存在發散的風險。因此，將電感變化加入控制法則是不可或缺的。接著，在一般換流器的控制器中，往往因為開關切換的雜訊干擾到回授取樣，而造成控制器震盪或誤動作。雖然可以使用類比濾波器濾除高頻雜訊，卻會造成回授訊號延遲與系統響應變慢，而使得換流器的交流輸出失真。

再者，空間向量脈波寬度調變有兩個限制：一是d-q轉換是基於相量形式，假設換流器的電流和市電電壓是正弦波且三相平衡，如果存在電壓諧波或三相不平衡，d-q轉換將會產生錯誤的結果，且其電流諧波和控制延遲也將導致d-q轉換的值不正確；二是假設三相電感為固定值以求得d-q轉換值，然而在高功率的應用時，電感值將會隨著電流變化而變化，因而導致穩定性變差。縱使在現有的技術當中，有許多方法一直致力於使用市電電壓補償和電流預測來減少電流諧波；另外一種方法即一週期控制(One-Cycle Control，OCC)，使用雙降壓電路概念來推導出控制法則，而不使用傳統的SVPWM及d-q框轉換。但是以上的方法皆無考慮電感值隨著電流變化而變化。

有鑑於此，本發明係針對上述之問題，本發明提出一種三相前饋式電感電流控制裝置及其控制法，以涵蓋電感值隨著電流的變化，且使功因範圍可以從0~1變化。從現有的太陽能併網換流器加入實虛功率之控制，也可以達到靜止同步補償器(STATCOM)之功能，可達到一機多功能的換流器，並可以因應電壓浮動及頻率飄移的程度，來注入功因為0~1的實虛功補償，藉此得以解決以上所述之缺失。

本發明之主要目的，係在提供一種三相前饋式電感電流控制裝置及其控制法，其係為可允許電感電流變化之三相前饋式電流控制法於實功與虛功注入電網之應用。本發明藉由加入電感電流變化的考量，重新推導出不同於傳統SVPWM的控制法則，並且可使功率因素於0~1超前或落後，如此一來，不但是精簡了開關切換時序，可改善傳統SVPWM因三相不平衡、電流諧波與控制延遲而使得d-q轉換不成立的限制。

為達上述之目的，本發明揭示一種三相前饋式電感電流控制裝置，包含有三相換流器具有可控式開關，且三相換流器並聯直流電壓源，以輸出三相電流，濾波電路電性連接三相換流器，接收三相電流，以濾除三相電流之雜訊，藉以修正三相電壓之功率因素，並輸出電感電流至電網，微處理電路具有交流回授電路及直流回授電路，交流回授電路電性連接三相換流器、濾波電路及電網，藉以接收三相電流、電感電流及三相電壓，以輸出迴授電流及迴授電壓，直流回授電路電性連接直流電壓源，以接收直流電壓訊號，藉此微處理電路根據前饋式電感電流控制法以校正迴授電流、迴授電壓及直流電壓訊號，以得到電流預測變化量，再根據三相責任比控制演算法以計算電流預測變化量，以決定可控式開關之責任比，藉此以驅動三相換流器。

一種三相前饋式電感電流控制法，包括下列步驟，接收直流電壓源，轉輸出成三相電流，接收三相電流轉輸出成迴授電流及電感電流，並濾除三相電流之雜訊，藉以修正三相電壓之功率因素，再輸出等電感電流至電網，且參考電感電流及三相電壓，藉此輸出迴授電壓，接收迴授電流、電感電流及三相電壓、迴授電壓及直流電壓訊號，根據前饋式電感電流控制法校正迴授電流、迴授電壓及直流電壓訊號，以得到電流預測變化量，再根據三相責任比控制演算法，計算電流預測變化量，以決定可控式開關之責任比。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10‧‧‧三相前饋式電感電流控制裝置

12‧‧‧直流電壓源

14‧‧‧電網

16‧‧‧三相換流器

18‧‧‧可控式開關

20‧‧‧濾波電路

22‧‧‧微處理電路

24‧‧‧交流回授電路

26‧‧‧直流回授電路

28‧‧‧絕緣柵雙極電晶體

30‧‧‧二極體

32‧‧‧R相開關

34‧‧‧S相開關

36‧‧‧T相開關

38‧‧‧電感組

40‧‧‧電容組

42‧‧‧電流選擇器

44‧‧‧電壓選擇器

46‧‧‧單晶片

48‧‧‧驅動電路

i _L‧‧‧電感電流

AC‧‧‧交流端

V _DC‧‧‧直流電壓訊號

v _RS、v _TR、v _ST‧‧‧三相電壓

i _R、i _S、i _T‧‧‧三相電流

i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎‧‧‧迴授電流

v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎‧‧‧迴授電壓

i _ref‧‧‧參考電流

n‧‧‧週期次數

i _e(.)、i _v(.)‧‧‧三相電流預測變化量

D _p、D _n、D _F‧‧‧責任比

△i _L‧‧‧三相電感電流變化量

T _s‧‧‧切換週期

i _e‧‧‧誤差量

L‧‧‧電感量

i _v‧‧‧電流預測變化量

r‧‧‧電感電流方向

v‧‧‧電壓量值

u _R‧‧‧R相控制訊號

u _S‧‧‧S相控制訊號

u _T‧‧‧T相控制訊號

i _LR‧‧‧R相電感電流

i _LS‧‧‧S相電感電流

i _LT‧‧‧T相電感電流

L _R‧‧‧R相電感

L _S‧‧‧S相電感

L _T‧‧‧T相電感

S _RH、S _RL、S _SH、S _SL、S _TH、S _TL‧‧‧驅動訊號

G _c,p,、G _c,n,、G _c,F‧‧‧控制增益

L _(‧)‧‧‧三相電感

K _p‧‧‧電流誤差補償量

第1圖係為本發明之三相前饋式電感電流控制裝置方塊圖。

第2圖係為本發明之三相換流器驅動示意圖。

第3圖係為本發明之前饋式電感電流控制法方塊圖。

第4圖係為本發明之三相前饋式電感電流控制方法流程圖。

第5圖係為本發明之三角波模式取樣示意圖。

本發明於此列舉一實施例，參閱第1圖、第2圖及第3圖，藉此說明本發明之三相前饋式電感電流控制裝置方塊圖、三相換流器驅動示意圖及前饋式電感電流控制法方塊圖。如圖所示，本發明之三相前饋式電感電流控制裝置10，係用於並聯直流電壓源12，藉此轉換輸出複數電感電流i _L，以透過交流端AC注入電網14中。其中，直流電壓源12具有直流電壓訊號V _DC，且電網具有三相電壓v _RS、v _TR、v _ST。

如前所述，本發明之三相前饋式電感電流控制裝置10係包含有三相換流器16，且其三相換流器16具有複數可控式開關18，三相換流器16並聯直流電壓源12，可輸出三相電流i _R、i _S、i _T，濾波電路20電性連接三相換流器16，接收三相電流i _R、i _S、i _T，以濾除三相電流i _R、i _S、i _T之雜訊，藉以修正三相電壓v _RS、v _TR、v _ST及三相電流i _R、i _S、i _T之功率因素，並以輸出複數電感電流i _L至電網14中。

此外，微處理電路22具有交流回授電路24及直流回授電路26，交流回授電路24電性連接三相換流器16、濾波電路20及電網14，藉以接收三相電流i _R、i _S、i _T及三相電壓v _RS、v _TR、v _ST，以輸出複數迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎及複數迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎，直流回授電路26電性連接直流電壓源12，以接收直流電壓訊號V _DC。

微處理電路22根據前饋式電感電流控制法以校正迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎、迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎及直流電壓訊號V _DC，以得到電流預測變化量i _v(.)，再根據三相責任比控制演算法以計算電流預測變化量i _v(.)，以決定複數可控式開關18之責任比，藉此以驅動三相換流器16。此外，如前述之前饋式電感電流控制法係將比較直流電壓訊號V _DC、迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎及迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎，以取到電流預測變化量i _v(.)，電流預測變化量i _v(.)可表示為i _ref (n+1)-i _ref (n)，且前述之i _ref為參考電流，n為週期次數。

另外，本發明於前所述及之三相電流i _R、i _S、i _T係各別具有R相控制訊號u _R、S相控制訊號u _S及T相控制訊號u _T，且電感電流i _L係具有R相電感電流i _LR、S相電感電流i _LS及T相電感電流i _LT。

接續，參閱第2圖，本發明於前所述之三相前饋式電感電流控制裝置10，其中每一可控式開關18，各具有絕緣柵雙極電晶體28及二極體30，且絕緣柵雙極電晶體28並聯二極體30，且由每二可控式開關18分別各自組成R相開關32、S相開關34及T相開關36，且S相開關34並聯R相開關32，T相開關36並聯S相開關34，藉此R相開關32輸出R相控制訊號u _R，S相開關34輸出S相控制訊號u _S，T相開關36輸出T相控制訊號u _T。

復閱第1圖及第2圖，濾波電路20包含有電感組38，且其電感組38各具有R相電感L _R、S相電感L _S及T相電感L _T電性連接此複數可控式開關18，藉此分別對應接收三相電流i _R、i _S、i _T，再分別對應輸出R相電感電流i _LR、S相電感電流i _LS及T相電感電流i _LT，電容組40電性連接電感組38，藉以接收並濾除R相電感電流i _LR、S相電感電流i _LS及T相電感電流i _LT，以修正三相電壓v _RS、v _TR、v _ST之功率因素，再以輸出電感電流i _L至電網14中。

復閱第1圖、第2圖及第3圖，交流回授電路24係包含有電流選擇器42電性連接三相換流器16，以接收三相電流i _R、i _S、i _T，以輸出迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎，電壓選擇器44電性連接濾波電路20及電網14，以接收電感電流i _L及三相電壓v _RS、v _TR、v _ST，藉此輸出迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎。

此外，微處理電路22係包括有單晶片46電性連接交流回授電路24及直流回授電路26，並根據前饋式電感電流控制法校正迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎、迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎及直流電壓訊號V _DC，以得到電流預測變化量，再根據三相責任比控制演算法進行計算該電流預測變化量，以決定複數可控式開關18之責任比，驅動電路48電性連接單晶片46及三相換流器16，藉此以適當之責任比輸出驅動訊號S _RH、S _RL、S _SH、S _SL、S _TH、S _TL，以驅動三相換流器16。另外，本發明之三相責任比控制演算法係以三角波以產生切換週期，並於三角波之峰值時取樣迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎，且於前所述之迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎代表切換週期內之電感電流i _L之平均值。

接續，本發明於此列舉一方法實施例，參閱第4圖，藉以說明本發明之三相前饋式電感電流控制方法流程圖，參閱同時輔以第1圖、第2圖及第3圖。如圖所示，本發明之一種三相前饋式電感電流控制法，係應用於三相前體式電感電流控制裝置10，且係並聯直流電壓源12，以輸出複數電感電流i _L注入電網14中，此外，直流電壓源12具有直流電壓訊號V _DC，電網14則具有三相電壓v _RS、v _TR、v _ST。

本發明之三相前饋式電感電流控制法係包含有：步驟S10接收直流電壓源12，轉以輸出成三相電流i _R、i _S、i _T，步驟S12，接收三相電流i _R、i _S、i _T轉輸出成複數迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎及複數電感電流i _L，步驟S14，濾除三相電流i _R、i _S、i _T之雜訊，藉以修正三相電壓v _RS、v _TR、v _ST之功率因素，以輸出電感電流i _L至電網14，步驟S16，參考電感電流i _L及三相電壓v _RS、v _TR、v _ST，藉此輸出複數迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎。

接續，步驟S18，接收迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎、電感電流i _L及三相電壓v _RS、v _TR、v _ST、迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎及直流電壓訊號V _DC，步驟S20，根據前饋式電感電流控制法校正迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎、迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎及直流電壓訊號V _DC，以得到電流預測變化量，以及步驟S22，根據三相責任比控制演算法，計算電流預測變化量，以決定可控式開關18之責任比，並返回步驟S10。

此外，如前所述之三相電流i _R、i _S、i _T各別具有R相控制訊號u _R、S相控制訊號u _S、T相控制訊號u _T，以追蹤每一週期的正弦參考電流i _ref。電感電流i _L各別為R相電感電流i _LR、S相電感電流i _LS及T相電感電流i _LT。此外，依據本發明之三相前饋式電感電流控制法，其三相電流i _R、i _S、i _T的零交越，可將0°~360°的相位分為六個相位區間，分別為有I區間0°~60°、II區間60°~120°、III區間120°~180°、IV區間180°~240°、V區間240°~300°以及VI區間300°~360°，因此，各區間所對應之三相電流i _R、i _S、i _T、三相電流預測變化量、三相電壓v _RS、v _TR、v _ST、R相電感L _R、S相電感L _S及T相電感L _T，以及可控式開關18所輸出之驅動訊號S _RH、S _RL、S _SH、S _SL、S _TH、S _TL狀態，則如表一及表二所示，其中表一係代表功因領先模式在公式中的參數，表二則係代表功因落後模式在公式中的參數，因此，其中下列表一及表二中的i _e(.)係代表三相電流i _R、i _S、i _T，i _v(.)則代表三相電流預測變化量：表一

本發明之前饋式電感電流控制法係將比較迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎、迴授電壓v _fb,p( n ₎、v _fb,n( n ₎及直流電壓訊號V _DC，以取到電流預測變化量，電流預測變化量可表示為i _ref (n+1)-i _ref (n)，其中i _ref為參考電流，n為週期次數。

此外，三相責任比控制演算法係將電流預測變化量與延遲一切換週期之電流預測變化量相較之後，以取得三相電流預測變化量i _v(.)、i _e(.)，切換週期之電流預測變化量相較之後，以取得三相電流預測變化量i _v(.)、i _e(.)，再依據三相電流預測變化量i _v(.)、i _e(.)、電感電流i _L，以決定複數可控式開關18之責任比，且三相責任比控制演算法之關係式為

其中，式1中△i _L為電感三相電流預測變化量，T _s為切換週期，i _e為誤差量，L為電感量，V _DC為直流電壓，i _v為電流預測變化量，r代表電感電流方向，D _p、D _n、D _F為各可控式開關18之責任比，v為電壓量值。

接續，參閱第5圖，藉此說明本發明之三角波模式取樣示意圖，參閱同時輔以第2圖及第3圖，如圖所示，本發明之三相前饋式電感電流控制法，其中三相責任比控制演算法係用三角波以產生切換週期，因此可控式開關18之責任比輸出就會以三角波的中心點(峰值)呈對稱分布，並在切換週期內的電感電流i _L平均值就會剛好等於參考電流i _ref準位。因此，只要在三角波的峰值處取樣迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎，就可以讓迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎準確地匹配參考電流i _ref，而且只需要一次取樣即可。且於三角波之峰值時取樣迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎，迴授電流i _fb,p( n ₎、i _fb,n( n ₎代表切換週期內之電感電流i _L之平均值。如第3圖所示，其中、K _p=1，控制增益G _c,p,、G _c,n,、G _c,F為三相電感L _(‧)的函式，且增益將隨著電感電流而跟著改變，以達到動態及比例補償。對電流誤差補償量K _p來說，1是最佳選擇。當K _p=1，可以真實反映下一週期回授電流及參考電流之間的變化，即i _v(.)+i _e(.) =i _ref (n+1)-i _ref (n)+i _ref (n)-i _fb (n)=i _ref (n+1)-i _fb (n)。此外，第3圖中的電流選擇器42根據六個區間的i _p與i _n，決定適合的三相電流i _R、i _S、i _T帶入。同樣的，電壓選擇器44也是用來決定六區間所要帶入公式的三相電壓v _RS、v _ST、v _TR。最後，依據這個設計，我們提出的控制法可以精確的追蹤每一週期的正弦參考電流。

綜上所述，本發明於此揭示一種三相前饋式電感電流控制裝置10及其控制法，其係為可允許電感電流i _L變化之三相前饋式電流控制法於實功與虛功注入電網之應用。本發明加入電感電流i _L變化的考量，重新推導出不同於傳統SVPWM的控制法則，並且可使功率因素於0~1超前或落後，如此一來，不但是精簡了開關切換時序，可改善傳統SVPWM因三相不平衡、電流諧波與控制延遲而使得d-q轉換不成立的限制。

雖然，本發明前述之實施例揭露如上，然其並非用以限訂本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內所為之更動與潤飾，均屬於本發明專利範圍之主張。關於本發明所界定之專利範圍請參考所附之請求項。