TWI247477B - Parallel inverter system based on tracking of system power reference - Google Patents

Description

1247477 - — 案號⑽1?Π4Μ lg>年·1·月日 鉻,τ_ 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本案係指一種變流器在聯系統及其控制方法，尤指一 種即使在負載突然改變時仍能使得並聯的變流器間的負載 電流保持平均分配的變流器並聯系統及其控制方法。 先前技術 請參閱第一圖，其為美國專利前案第5, 212, 630號所 揭露之習知的交流輸出變流器並聯操作系統方塊示意圖。 其中，第一變流器裝置11以並聯之方式與第二變流器裝置 12電連接，且第二變流器裝置12係與第一變流器裝置丨丨具 有相同結構、並經由輸出匯流排13提供電力至負載14。第 一變流器裝置11主要係由變流器本體110、電感111及作為 濾波器之用的電容112所構成，為了使得第一變流器裝置 11與第二變流器裝置12以並聯的方式運作，藉由電流變壓 器120a可從第一變流器裝置11的輸出電流I中得到偵測信 號Ila，再藉由交錯電流偵測器151，可得到偵測信號iu與 以同樣方式從第二變流器裝置1 2得到的偵測信號l9a的差 額’其中該差額為一針對交錯電流之反應信號。於是相位 轉換器150可產生兩正交向量ea和EB，並且藉由運算電路 152、153可從該反應信號得到對應於功率元件的一虛功率 △ Q及一實功率ΔΡ。電壓控制電路143可藉由脈波寬度調變

1247477 _案號92120455_年？月又3曰_^_ 五、發明說明（2) 控制電路140，調變變流器本體110的脈波寬度，以控制其 内部電壓。其中脈波寬度調變控制電路140係以電壓設定 電路17及電壓回饋電路130所產生的信號為基礎。 上述對應於功率元件的該虛功率AQ係作為電壓控制電 路143的增強信號，且變流器本體之内部電壓可調整至AQ 降至零。 另一方面，對應於功率元件的該實功率△ P係經由相位 鎖定迴路放大器電路154而置入一參考振盪器156中，且變 流器本體之内部電壓相位可調整至ΔΡ降至零。 由於變流器本體之内部電壓與内部電壓相位受到控制 使得Δ(3與ΔΡ皆降至零，因此兩個變流器之間便再無交錯電 流之存在，於是達到穩定的負載電流分配的狀態。 然而，這種習知的變流器並聯操作系統仍有下列問題 存在。首先，由於電流的平均分配係藉由控制變流器内部 電壓的平均值及相位而達成，因此較不易改善控制的反應 速度，特別是無法控制瞬時之交錯電流；再者，由於濾波 器需要分別檢測交錯電流的實功率及虛功率，因此交錯電 流便再無法控制於一高速狀態，故系統若欲應用在高速電 壓控制（例如：瞬時電壓控制，其可使變流器的輸出成為 一幾乎沒有雜訊的高品質正弦曲線）時便有所限制。最 後，電流分配匯流排需提供數位式的瞬時電流信號，因此 分配匯流排須具備使得系統穩定性極易受到電磁干擾 (Electromagnetic Interference ，ΕΜΙ)的寬頻特性，同 時亦無法使用數位式的通訊匯流排傳送睹時電流資訊。

1247477 ^^_ 案號 92120455 __ 车？ η 义3口_ 五、發明說明（3) _ 楚於上述習知技術中出現的瓶頸，申 匕研究，並一本錄而不捨…，终發；=悉= 變流器系統及其控制方法」。以下為本幸> e =案亚聯 巧个系之間要說明。 容 發明内 本案之主 即使負載突然 保持平均分配 本案之另 複數個變流器 值，以控制複 相應於參考實 虛功率及實功 本案之再 控制方法，其 數彼此相等。 根據本案 括：複數個具 排，其係用以 功率匯流排’ 實功率分配； 器，以提供一 要目的為提出-種變流器並稱系絶 改變時仍能使得並聯的變流器間㈣載；ί 的變流器並聯系統及其控制方法。、电心 一主要目的為提出一種控制方法j其能 之參考實功率的平均值及參老 八 4tL· Ml m ^ A 考相位的極大 數個變流器的正弦參考;皮，並 ;力率分配及系統參考相位具有相同的Π波 竿 〇 :主要目：為提出一種電髮回饋係數的調適 能使得複數個並聯變流器的輪出電麼= t :藤& $ — g變流器並聯系、统’ Α包 瞬時電壓控制型態的變流器；一輪ψ/、= 連接該複數個變流器的輪出 其係連接至該複數個變流：至m 一相位匯流排，其係連接至該複數個變流考 系統參考相位；以及複數個控制裝置，其係

MSI 1247477 案號 92120455 ?3年？月曰 修正 五、發明說明（4) 用以控制該複數個變流器的正弦參考波，並使正弦參考波 相應於該參考實功率分配具有相同的相位、虛功率及實功 率。

根據本案之另一構想，提出一種變流器並聯系統，其 包括：複數個具瞬時電壓控制型態的變流器；一輸出匯流 棑，其係用以連接該複數個變流器的輸出至一負載；一實 功率匯流排，其係連接至該複數個變流器，以提供一參考 實功率分配；一相位匯流排，其係連接至該複數個變流 器，以提供一系統參考相位；以及複數個控制裝置，其係 用以控制該複數個變流器的正弦參考波，並使正弦參考波 具有相同的相位、虛功率及實功率，其中每個控制裝置包 括：一電壓偵測器，其係電連接至該複數個變流器的輸出 端，以偵測該複數個變流器的一輸出電壓；一均方根電壓 計算器，其係電連接至該電壓偵測器，以計算該輸出電壓 的均方根值；一均方根電壓控制器，其係電連接至該均方 根電壓計算器，以產生一參考實功率予該實功率匯流排， 其中該參考實功率分配係藉由該實功率匯流排而產生；一 實功率控制器，其係電連接至該實功率匯流排，以減少該 參考實功率分配與每一個變流器所具有的實功率之間的錯 誤；一相位鎖定迴路控制器，其係電連接至該相位匯流 排，以藉由該相位匯流排產生該系統參考相位；以及一正 弦參考波產生器，其係電連接至該實功率控制器及該相位 鎖定迴路控制器，以產生每一個變流器的正弦參考波，並 且使得該複數個變流器的正弦參考波具有相同的相位、虛

第9頁 1247477 _案號92120455 年？月曰 修正_ 五、發明說明（5) 功率及實功率。 根據本案之再一構想，提出一種變流器並聯系統的控 制方法，該變流器並聯系統具有複數個具瞬時電壓控制型 態的變流器及一用以連接該複數個變流器的輸出至一負載 的輸出匯流排，該控制方法包括下列步驟：提供一參考實 功率分配，其中該參考實功率分配係為該複數個變流器所 具有的參考實功率的平均值；提供一系統參考相位，其中 該系統參考相位係為該複數個變流器所具有的參考相位的 極大值；控制該複數個變流器的正弦參考波，使得該複數 個變流器的正弦參考波具有相同的相位、虛功率及實功 率，其步驟包括：偵測該複數個變流器的一輸出電壓；計 算該輸出電壓的一均方根值；產生一參考實功率，其中該 參考實功率分配係藉由一實功率匯流排而產生；減少該參 考實功率分配與每一個變流器所具有的實功率之間的錯 誤；藉由一相位匯流排產生該系統參考相位；以及產生該 複數個變座器的正弦參考波，並且使得該複數個變流器的 正弦參考波具有相同的相位、虛功率及實功率。 本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得一更深入之了 實施方式 請參閱第二圖，其為本案並聯變流器系統一較佳實施

第10頁 1247477

五、發明說明（6) 例之方塊示意圖。其中，第’變流器21以並聯之方式與第 二變流器22電連接，且第二變流器係與第一變流器U具 有相同結構、並經由輸出酿流排23提供電力至負載24。 第一變流器2 1包含由電流控制器2 1 1、變流器本體2 1 2 及電流偵測器2 1 3共同組成的次電流迴路。其中，根據經 由電流偵測器21 3回授來的輸出電流icnm以及瞬時電壓控制 器2 1 4的電流命令icc)Beandl，電流控制器2 1 1可傳送脈波寬度 調變信號至變流器本體2 12，使得輸出電流iQutl與電流命令 ^coBBandl 一致’此時’正弦參考波產生器215即產生^一正弦參 考電堡Vref，時時電壓控制器214亦產生電流命令使 得變流器 異。因此 斷電系統 Harmonic 即在於如 能在變流 為了 器系統中 的兩個分 统參考實 功率及虛 能修正 ，瞬時 具有較 D i s t 〇 何產生 器之並 要在並 更配置 配匯流 功率P0 功率分 輸出電 電壓控 佳的動 r t i on 正弦參 聯操作 聯的變 包括一 排，其 ’該相 流之達 墨vQUt與正弦參考電壓之間的差 制器214和電流控制器211能確保不 態響應及較低的總諧調雜訊（To t a i ’ THD)。是故，本案發明之關鍵點 考電S ’使得實功率及虛功率分流 系統中實現。 流器之間傳送有效資訊，並聯變流 相位匯流排及一實功率匯流排在内 中’該實功率匯流排提供一共同系 位匯流排則提供一參考相位Θ。。實 成方式如下所述： (1 )實功率分配 根據本案之發明 實功率流ΡΓι，i = l，2，···.主要係由參

1247477 修正 案號 92120455 五、發明說明（7) 考電壓Vr之振幅所決定，也就是說，只要並聯變流器的每 個參考電壓之振幅具有適當之規律，則自然可達成變流器 間的實功率分流。 如第三圖所示，均方根電壓控制器216係為一比例積 分控制器，如式（1 ) e 1 二 V r - V f 1

Prl=KPel+i；lXeldt (1)

在此須注意的是，電壓均方根值的計算方塊係計算輸 出電壓V()U t的均方根值H 1，而均方根電壓控制器216確保輸 出電壓的均方根值Vf 1完全追隨參考電壓vr的均方根值。在 式（1)中，κ p代表一比例係數而k I代表一積分係數，而數值 卜1和& 2除了分別為第一變流器2 1和第二變流器2 2的均方根 電壓控制器的輸出之外，亦被視為並聯變流器的參考實功 〇 並聯變流器的參考實功率Pf 1和h 2被送往實功率匯流排 以構成系統的參考實功率P〇，在第三圖中，系統的參考實 功率Po係為系統中所有並聯變流器之參考實功率kl和卜2的 平均值，可表示如下：

p〇 - (Prl + Pr2) / 2 (2) 然而，系統的參考實功率Po亦可為所有變流器之參考 實功率& 1和& 2的最大值、最小值或其任意組合。 最後，系統的參考實功率P〇會被實功率匯流排分配給 每個變流器，當作實功率控制器的參考。在第一變流器2 1 中，實功率控制器2 1 7亦為一比例積分控制器，其可藉由

第12頁 1247477 _案號92120455_年？月义3曰__ 五、發明說明（8) 規律化正弦參考電壓Yre f的振幅，以減少系統的參考實功率 Po和第一變流器21的實功率流Pfl之間的誤差；而在第二變 流器22中亦有同樣的運作方式。因此，只有當每個變流器 的内部迴路皆有較佳之狀態時，並聯變流器間的實功率才 能達成平均分配。 (2 )虛功率分配

根據本案之發明，虛功率流主要係由正弦參考波的相 位角所決定，因此欲達成虛功率分配須倚靠相位角的適當 調變。並聯系統中的所有變流器都必須同步，虛功率才能 達成有效分配。第四圖顯示具有相位匯流排的並聯系統之 同步運作電路示意圖。 每個變流器皆擁有一個相位產生器以產生一參考相 位，其中，《~ Krefl是第一變流器21所產生的參考相位，而 eref2是第二變流器22所產生的參考相位。《ΛκΓεΠ和eref2皆被脊: 送至相位匯流排並經由二極體以構成系統參考相位《Λ L。在 第四圖中，系統參考相位eQ是所有並聯變流器之參考相位 的最大值，可表為

《= max( ere"，《lrei2) (3) 應該注意的是，此處系統的參考相位0(3 g是所有並聯 變流器之參考相位的最大值，然而，系統的參考相位《~ K。t 可為所有變流器之參考相位的最小值、平均值或其任意組 合。 最後，系統參考相位Θ。#會被相位匯流排分配給每個

第13頁 1247477 案號 92120455 年？月a 五、發明說明（9) 變流器以作為相位鎖定迴路的參考。因此’由第四圖可 知，所有變流器的正弦參考波皆具有相同的相位角，且虛 功率在並聯系統中可達成有效分配。 在並聯系統中，由於所有控制器皆町透過軟體來模 擬，因此並聯變流器模組之間的控制參數炎無差異。但， 一般來說，所有變流器之系統參數之間仍有差別，例如相 依於電壓偵測器之參數的電壓回饋係數即是一例。筆因於 電壓回饋係數的矛盾，即使輸出電壓Y(njt為同一個，變流器 的電壓回饋仍不相同，因此，所有變流器之間的負載電壓 回饋之均方根值亦為不同。 在第一變流器2 1中，Kf 1係為電壓回饋係數，e 1則為參 考電壓vr與輸出電壓V()ut回饋的均方根值”1之間的誤差，其 可表為 ^ e1 =- Kf" Vout (4) 同樣的，在第二變流器22中， “ 2 * You t ，若Kf 1不等於 r (5) 很明顯的

Kf2，則el和e2亦無法同時降至 •零舉例來說，當Κί 1 〈 Kf2，若e2 = 〇，則el > 〇。 因為在第一變流器21的均方根電壓控制器216中存在 著一積分區域，均方根電壓控制器216將處於正飽和狀 態，因此，系統在正常狀態下將無法運作。 為了克服這個問題，本案採用適應性控 中適應性控制法則為 八 木

Kf 氺

You (6) 第14頁 1247477 五 發明說明（10) 案號 92120455 年？月 23 口

;°(p〇 ~ pr 1 ~ κ ^ χρ ^ Fr … （7)

Kal係作為電壓回饋係數的一部份，其中電摩 可藉由上述之適應性控制法則來模擬，而κ 〇則是適廉“ 饋係數 同樣的，在第二變流器 H2 = 木 Kf2 木 YQUt = κ〇(ρ0 一 J) + 1 這種適應性控制法則 饋係數彼此間皆為相同 制器2 2 0的比例係數，因此，Ka 1和口 1的乘積即為:座控 饋係數。 …1際之回 22中，適應性控制法則可表為 (8) 1 (9) 可使4^並聯變流器的輪出電堡 ，也就是說，利用該適應性控制= 疼下順利谨你。 ^ ——，1 « ^ i-J D \ 5凡， 則可使得系統在正常狀態下順利運作。 一心次 請參考第五圖，其為本案並聯變流器系 例之電路示意圖。 較佳實施 綜上所述，當知本案所述之並聯變流器 =用性、新穎性以及進步性，符合發明專利：J具：產 ί:;者，僅為本發明之-較佳實施例而已，Π用：以 :::明實施之範圍。gp凡依本發明之申請=限 悉本案背寻枯蔽 〜耗圍由孰 Φ & $ 技π 人士任施匠思而為諸般修飾，皆不# ^ 附甲清專利笳囹痛 穿不脫如 蓋。 圍所欲保護者，而為本發明專利範圍所涵 ΒΜ mm 第15頁 1247477 案號 92120455 ?3年？月义3 曰 修正 圖式簡單說明 圖式簡單說明 第一圖：習知的交流輸出變流器之並聯操作系統之方塊示 意圖； 第二圖：本案並聯變流器系統一較佳實施例之方塊示意 圖； 第三圖：本案第二圖之實功率匯流排、均方根電壓控制器 及實功率控制器之方塊示意圖； # 第四圖：本案第二圖之相位匯流排、相位產生器及相位鎖 定迴路控制器之示意圖；以及 第五圖：本案並聯變流器系統一較佳實施例之電路示意 圖0 本案圖式中所包含之各元件列示如下： II :第一變流器 1 3 ·.輸出匯流排 17:電壓設定電路 III :電感 120a:電流變壓器 1 4 (h脈寬調變電路 1 5 0 :相移器 152:運算電路 1 2 :第二變流器 I 4 :負載 II 0 :變流器本體 11 2 :電容 130:電壓回饋電路 143:電壓控制電路 1 5 1 :交錯電流偵測器 153:運算電路

第16頁 1247477 案號 92120455 曰 修正 圖式簡單說明 154:相位鎖定回路放大器電路 21 :第一變流器 23:輸出匯流排 211:電流控制器 21 3 :電流"ί貞測器 2 1 5 .·正參考波產生器 21 7 :實功率控制器 22 :第二變流器 24:負載 2 1 2 :變流器本體 2 1 4 :瞬時電壓控制器 2 1 6 .·均方根電壓控制器 2 1 8 .·相鎖回路控制器 220:電壓回饋係數之適應性控制 ΒΒ 第17頁

Claims (1)

1247477 _案號92120455_年？月23曰 修正_ 六、申請專利範圍 1 . 一種變流器並聯系統，其包括： 複數個具瞬時電壓控制型態的變流器； 一輸出匯流排，其係用以連接該複數個變流器的輸出 至一負載； 一實功率匯流排，其係連接至該複數個變流器，以提 供一參考實功率分配； 一相位匯流排，其係連接至該複數個變流器，以提供 一系統參考相位；以及 複數個控制裝置，其係用以控制該複數個變流器的正 弦參考波，並使正弦參考波相應於該參考實功率分配具有 相同的相位、虛功率及實功率。 2. 如申請專利範圍第1項所述之變流器並聯系統，其中該 參考實功率分配係為該複數個變流器所具有的參考實功率 的平均值。 3. 如申請專利範圍第1項所述之變流器並聯系統，其中該 參考實功率分配係為該複數個變流器所具有的參考實功率 的極大值。 -4 Γ如申請專利範圍第1項所述之變流器並聯系統，其中該 參考實功率分配係為該複數個變流器所具有的參考實功率 的極小值。 5. 如申請專利範圍第1項所述之變流器並聯系統，其中該 系統參考相位係為該複數個變流器所具有的參考相位的平 均值。 6. 如申請專利範圍第1項所述之變流器並聯系統，其中該

第18頁 1247477 _案號 92120455_3 年？月 $3 曰__ 六、申請專利範圍 系統參考相位係為該複數個變流器所具有的參考相位的極 大值。 7. 如申請專利範圍第1項所述之變流器並聯系統，其中該 系統參考相位係為該複數個變流器所具有的參考相位的極 小值。 8. —種變流器並聯系統，其包括： 複數個具瞬時電壓控制型態的變流器； 一輸出匯流排，其係用以連接該複數個變流器的輸出 至一負載； 一實功率匯流排，其係連接至該複數個變流器，以提 供一參考實功率分配； 一相位匯流排，其係連接至該複數個變流器，以提供 一系統參考相位；以及 複數個控制裝置，其係用以控制該複數個變流器的正 弦參考波，並使正弦參考波具有相同的相位、虛功率及實 功率，其中每個控制裝置包括： 一電壓偵測器，其係電連接至該複數個變流器的 輸出端，以偵測該複數個變鱼器的一輸出電壓； 一均方根電壓計算器，其係電連接至該電壓偵測 器，以計算該輸出電壓的均方根值； 一均方根電壓控制器，其係電連接至該均方根電 壓計算器，以產生一參考實功率予該實功率匯流排，其中 該參考實功率分配係藉由該實功率匯流排而產生； 一實功率控制器，其係電連接至該實功率匯流

第19頁 1247477 案號 92120455 年？月曰 修正 六、申請專利範圍 排，以減少該參考實功率分配與每一個變流器所具有的實 功率之間的錯誤； 一相位鎖定迴路控制器，其係電連接至該相位匯 流排，以藉由該相位匯流排產生該系統參考相位；以及 一正弦參考波產生器，其係電連接至該實功率控 制器及該相位鎖定迴路控制器，以產生每一個變流器的正 弦參考波，並且使得該複數個變流器的正弦參考波具有相 同的相位、虛功率及實功率。

9.如申請專利範圍第8項所述之變流器並聯系統，其中每 個控制裝置更包含一電壓回饋係數的適應性控制器，其係 電連接至該均方根電壓控制器及該相位匯流排，使得該複 數個變流器的輸出電壓回饋係數彼此相等。 1 0. —種變流器並聯系統的控制方法，該變流器並聯系統 具有複數個具瞬時電壓控制型態的變流器及一用以連接該 複數個變流器的輸出至一負載的輸出匯流排，該控制方法 包括下列步驟： 提供一參考實功率分配，其中該參考實功率分配係 為該複數個變流器所具有的參考實功率的平均值；

提供一系統參考相位，其中該系統參考相位係為該 複數個變流器所具有的參考相位的極大值； 控制該複數個變流器的正弦參考波，使得該複數個 變流器的正弦參考波具有相同的相位、虛功率及實功率， 其步驟包括： 偵測該複數個變流器的一輸出電壓；

第20頁 1247477 _案號 92120455_年？月 曰_gjL_ 六、申請專利範圍 計算該輸出電壓的一均方根值； 產生一參考實功率，其中該參考實功率分配係 藉由一實功率匯流排而產生； 減少該參考實功率分配與每一個變流器所具有 的實功率之間的錯誤； 藉由一相位匯流排產生該系統參考相位；以及 產生該複數個變流器的正弦參考波，並且使得 該複數個變流器的正弦參考波具有相同的相位、虛功率及 實功率。 11. 如申請專利範圍第1 0項所述之控制方法，其中該系統 參考相位係為該複數個變流器所具有的參考相位的平均 值。 12. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中該系統 參考相位係為該複數個變流器所具有的參考相位的極大 值。 13. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中該系統 參考相位係為該複數個變流器所具有的參考相位的極小 值。 14. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中該參考 實功率分配係為該複數個變流器所具有的參考實功率的平 均值。 1 5.如申請專利範圍第1 0項所述之控制方法，其中該參考， 實功率分配係為該複數個變流器所具有的參考實功率的極 大值。

第21頁 1247477 _案號92120455 年？月又3曰 修正_ 六、申請專利範圍 16. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中該參考 實功率分配係為該複數個變流器所具有的參考實功率的極 小值。 17. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，更包含電壓 回饋係數的調適控制，使得該複數個變流器的輸出電壓回 饋係數彼此相等。

第22頁