TWI416853B - A New Type of Curved Winding Transformer in a Multi-Stage Voltage Source Converter System and Using a Special Harmonic Elimination Strategy - Google Patents

Description

一種新型曲折繞接線變壓器在多階層電壓源變流器系統並運用特定諧波消除策略

本發明所涉及之領域包含電力電子、交流/直流整流技術、電力品質、自動控制等範疇，本發明提出一個新型曲折繞接線變壓器架構運用在多階層電壓源變流器並使用特定諧波消除之脈波寬度調變，藉由各模組變壓器二次側電壓波形相加合成近似正弦波輸出波形。在高功率應用場合中，使用多階層變流器架構，由於將輸出容量分散於多組功率開關元件上，因此可降低每個開關元件上之電壓、電流切換應力，及降低開關元件切換損失，提升系統效率，並提供良好的輸出入電源隔離效果。

在工業領域中，傳統的二階層變流器架構中，常運用提高開關切換頻率的方式來降低輸出電壓與電流的諧波量，但在高功率應用時，因功率半導體元件須承受高電壓與高電流切換應力，且須較長的切換時間，為了使開關切換損失，及高電壓與高電流開關切換應力降低，通常會降低開關切換頻率，相較一般使用場合低，導致系統輸出電壓或電流含有較高的諧波量，易影響電力品質。另外受限於功率半導體元件製程技術的瓶頸，功率半導體元件皆具有耐壓、耐流與切換速度上的限制，若要追求高耐壓、耐流與切換速度的功率半導體元件其價格往往不便宜。

因此，當在高功率應用時，目前已有考慮使用多階層變流器 架構，將輸出容量分散於多組功率開關元件上，降低每個開關元件上之電壓、電流應力，以及藉由變流器輸出合成多階波形，以降低輸出波形之總諧波含量。

多階層變流器大多數元件都是藉由半導體元件之切換裝置及電容式電壓源所組成，藉由適當的控制切換裝置來產生低諧波失真的步級輸出波形，由於這些多階變頻器能克服傳統的脈波寬度調變的缺點，因此被製造廠廣泛的使用和認可為一個新的電力轉換方法，一般的商用多階層變流器架構大致可被分為：多階層電壓源架構和多階層電流源架構兩大類，本發明採用電壓源架構。

利用曲折繞接線變壓器也是達成多階層變流器的一種技術，傳統曲折繞接線變壓器，能消除12n±1次(n=1、2、3…)以外的奇次諧波，但考慮更高功率需求之應用場合及更低的諧波失真，本發明提出新型曲折繞接線變壓器如圖1所示，本架構能消除24n±1次以外的奇次諧波，也就是變壓器二次側輸出僅含二十三、二十五、四十七、四十九等24n±1(n=1、2、3…)…次諧波。

再者特定諧波消除發展已有相當的時間，其主要的優點在於利用較少的開關切換次數提高其效率，控制所需的諧波值，適合利用在可變速之馬達，或是需避開有特定諧波之系統。本發明特定諧波消除之脈波寬度調變策略，以消除二十三、二十五、四十七、四十九次諧波，並能調變控制三相多階層電壓源變流器之輸出基本波且配合新型曲折繞接線變壓器，使輸出側至100次內的 諧波僅剩七十一、七十三、九十五、九十七次諧波，使系統能得到更好的輸出、提升電壓品質、降低變流器耐壓耐流、縮小濾波器體積且系統具變壓器隔離效果。

本發明之目的即在提供更低諧波失真、更低的開關切換損提高效率，及降低開關元件電壓電流應力，適用於較高功率場合之三相交流電源。因此，在高功率應用場合中，使用本新型曲折繞接線變壓器之多階層電壓源變流器架構，除了將輸出容量分散於多組功率開關元件上，降低每個開關元件上之電壓、電流切換應力，以及藉由各模組變壓器二次側波形相加合成以獲得一近似正弦波輸出波形，並使用特定諧波消除之脈波寬度調變(Selective Harmonic Elimination Pulse-Width Modulation,SHE-PWM)來控制三相多階層電壓源變頻器系統之電壓基本波，消除特定諧波以降低輸出波形之諧波含量，產生低失真之三相弦波輸出電壓。

脈波寬度調變之規劃使用牛頓-瑞福森法(Newton-Raphson method)求開關切換之特定角度，作為二階層電壓源變頻器切換開關的觸發訊號，以滿足諧波規劃之要求。而求得特定角度可用以控制電壓基本波的大小並消除第二十三、二十五、四十七、四十九次諧波，此外，再藉由基本波的位移尋求更低THD%的開關觸發角度。

本發明之控制驅動裝置主要是由數位方式實現，只有三相整 流濾波電路、電壓感測電路、電力開關驅動電路是以類比元件如電阻、電容、運算放大器、光耦合隔離驅動器等所組成。電壓感測電路主要是將實際電壓轉換成數位微處理器內的類比/數位模組可接受的信號範圍。而數位方式的實現可使用數位信號處理器(DSP)，用以處理回授訊號、偵測、運算以及提供開關的觸發訊號命令，並經電力開關驅動電路驅動變流器之電力開關，完成本發明之控制驅動裝置。

本發明所使用之數位控制器在此為TMS320F2812數位信號處理器，亦可使用其他具本發明所需功能之數位控制器，而變流器所使用的電力開關是由高功率半導體元件，如閘極絕緣雙極性電晶體(IGBT)、雙極性接面電晶體(BJT)等可控開關所組成。

本發明之系統電路架構如圖2，前級電源由一組直流電源102提供，並聯四組二階層電壓源變流器103，運用特定諧波消除之脈波寬度調變策略，將特定的角度解作為四組變流器開關切換之觸發訊號，四組變流器輸出端再連接到新型曲折繞接線變壓器104，經由變壓器二次側輸出，產生低諧波失真輸出波形，最後透過濾波器105，僅需濾除4KHZ以上之諧波，便可獲得三相正弦波電壓。

首先本發明提出之新型曲折繞接線變壓器架構如圖1，變壓器一次側為delta連接，變壓器二次側為zig-zag連接方式，此外變壓器設計U ₁為0度、U ₂為-15度、U ₃為-30度、U ₄為-45度、且變壓器每相各差120度。一次側與二次側匝數比定義如下：

一次側匝比定義為：N _P =u ₁=v ₁=w ₁=u ₂=v ₂=w ₂=u ₃=v ₃=w ₃=u ₄=v ₄=w ₄

二次側匝比定義為：N ₁=u ₁₁=v ₁₁=w ₁₁=u ₃₁=v ₃₁=w ₃₁ N ₂=u ₁₂=v ₁₂=w ₁₂=u ₃₂=v ₃₂=w ₃₂ N ₃=u ₂₁=v ₂₁=w ₂₁ N ₄=u ₄₁=v ₄₁=w ₄₁=u ₄₂=v ₄₂=w ₄₂

其N _p 、N ₁、N ₂、N ₃、N ₄的匝比為

因此，變流器各輸出線對線電壓(即變壓器一次側繞組間線對線電壓)與變壓器各二次側繞組間輸出線對線電壓關係為

其系統輸出相電壓方程式為

因此系統輸出線電壓方程式為

利用(3)、(4)式可驗證該變壓器輸出可以消除24n±1以外的奇次諧波變壓器輸出最低四個奇次諧波為第二十三、二十五、四十七、四十九次。因該變壓器利用四組三相變流器當作輸入端，與同功率利用一組二階三相變流器相比，本發明可降低開關之耐壓、耐流，且具輸出入隔離效果，故本系統適合用於高壓、高功率系統中。

基於上述，本發明再利用SHE方法來規劃控制電壓基本波以及消除第二十三、二十五、四十七及第四十九次諧波，利用該方法大部份需預先設定觸發訊號的波形，由於所設定的波皆為sin或cos成分所組成，故需利用疊代法求解其非線性方程組以獲得切換角度，疊代法有幾種方法可參考，本文在此利用牛頓-瑞福森法(Newton-Raphson method)求得開關元件之切換角度，此方法可以較快的收斂求出其解，而SHE方法需規劃觸發波形，在波形設計上，為使求解簡單化，一般皆假設為四分之一對稱的半波奇函數 波形，該波形利用傅利葉級數(Fourier Series)展開的變數較少，可易於求解，進而控制該波形基本波及消除特定的諧波。

在說明SHE控制策略前，傅立葉級數中一般非正弦波頻率ω之週期波，可展開表示為

其中為平均值，且

平均值由(5)及(6)可得：

(5)式中每個頻率成份[f _h (t)=a _h cos(hωt)+b _h sin(hωt)]均可以相量來表示，

其中振幅F _h 為一rms值，

相位為

在(5)至(8)式中，h為f(t)之諧波次數，如h=1為該波形之基本波， 波形，該波形利用傅利葉級數(Fourier Series)展開的變數較少，可易於求解，進而控制該波形基本波及消除特定的諧波。

在說明SHE控制策略前，傅立葉級數中一般非正弦波頻率ω之 ω=2π/T為該周期性波形的角頻率。若(7)式等於0，僅剩(6)式，則該波形稱為偶函數，其條件需滿足(12)式；同樣的，若(6)式等於0，僅剩下(7)式，則該波形為奇函數，其條件需滿足(13)式。

f(-t)=f(t) (12)

f(-t)=-f(t) (13)

而四分之一週期對稱且為奇函數波形除需滿足(13)式外，需再滿足(14)式之條件，該波形僅剩奇數諧波才有諧波值。

如圖6所示為四分之一對稱半波奇函數波形，由傅利葉級數展開，可表示為

其SHE控制策略即利用(15)式作為基礎，本發明在此規劃該二階波形，利用該波形所規劃的凹陷角度有五個自由角度(α ₁、α ₂、α ₃、α ₄、α ₅)，故可藉由控制該五個自由角度變化來改變基本波大小並且消除四個特定諧波數，故在SHE控制策略中若有i個自由角度，則可控制其基本波與i-1個諧波，以獲得i個期望的控制條件，i個控制條件即代表有i個方程式，形成一非線性方程組，如(16)式。

其中i代表自由角度的個數(α ₁,α ₂,…α _i )；h代表控制第h次的諧波；j為欲控制i個諧波中第j個諧波元素；r為期望的控制條件，也就是該諧波的量。

將(16)式之非線性方程式作聯立，即可獲取所需要的α ₁、α ₂、……、α _i 解，所求得的解用來控制其功率開關之觸發訊號，則可消除該特定的諧波並控制基本波大小。

本發明之觸發訊號設定為四分之一奇函數半波對稱波形且控制基本波大小及消除第二十三、二十五、四十七、四十九次諧波，經由(5)、(13)、(14)式條件整理後可得 且

將(17)至(19)式代入(16)可得 移項可得

其中令r ₁=期望基本波的量、r ₂₃=0、r ₂₅=0、r ₄₇=0、r ₄₉=0。

因方程式(21)為一非線性之函數，本發明利用牛頓-瑞福森之數值分析法來求解，求解之軟體使用Matlab模擬軟體撰寫求解程式，而求出的方程式之角度解(α ₁、α ₂、α ₃、α ₄、α ₅)，可能有多組解，故本發明以THD最小值作為最佳化條件角度。如基本波為0.7時之THD%最小角度解為α₁=0.942°、α ₂=36.931°、α ₃=46.605°、α ₄=54.631°及α ₅=76.209°，其THD%列於表1。

再者基本波的大小可隨著角度變化而變化，雖然可達到所預定的消除特定諧波以及控制其基本波，而其它未受控的諧波卻已經是固定無法改變及調整，如七十一、七十三、九十五、九十七次諧波。此外，本發明若觸發訊號假設為半波對稱波形，則可控制基本波相移，改變觸發之角度，在基本波大小及消除二十三、二十五、四十七、四十九未變的條件下，進而得到THD更低之角度解。

至於四分之一對稱半波奇函數波形，該波型可由六個波型(一個方波與五個近似方波)所組成，α ₁近似方波中之方程式為

圖7(a)中為未相移時=0°的波形圖，其方程式即為式(22)，圖7(b)中，電壓基本波已相移，所產生之基本波相移角，其波形已變成半波對稱之波形，方程式經傅利葉級數展開後可表示成(23)、(24)式：

n=1、3、5…∞等奇數才有值，即表示已消除其偶次數諧波，當=0時，則公式即恢復方程式(22)，方程式(23)與(24)即為半波對稱函數，而由此類推至α ₂、α ₃、α ₄、α ₅並且將其方波相結合，即可得到一方程式(25)及(26)

其中r表示欲控制的大小(在此表示控制基本波大小，第二十三、二十五、四十七及第四十九次諧波為零)，β表示將相角位移的度數，p表示控制n個諧波中為第p個諧波元素(故為控制基本波及四個諧波)，i表示共控制了幾個諧波共有k個諧波被控制(含基本波)，j表虛數。該動作將原來五個自由角度即五個變數，可控制 其基本波及四個諧波數擴張至十個變數，由方程式(25)、(26)可整理出欲消二十三、二十五、四十七、四十九次諧波之聯立方程式如下(28)式。

由於欲解具有相移角度的基本波，因有十個變數所以會有十個方程式組，因疊代法求解時會有初始值問題，求解時會有其一定的難度，故會先利用(21)式將基本波未相移時的角度求出(可視為五個變數)，再以此角度作為下一個相移的初始值，即由基本波0度角度解作為初始值，疊代解出基本波0.01度角度解，再由0.01度的角度解作為初始值，疊代解出0.02度之角度解，以此類推至360度，利用此方法可較快速求得所需之新觸發角度。而本發明所求 之基本波0.02~1.26最佳的角度解列於表1。

本發明之TMS320F2812程式流程，如圖8所示。開始先設定周邊控制暫存器功能，和放入基本波大小為0.02~1.26的開關訊號表，其初始值設定為基本波為0.7(變壓器設計基本波為0.7時輸出線電壓有效值為220V)，並設定本系統之計數器0~39062為60HZ，因，其精確度約可到0.01度。

當程式開始時便依照Time計數器查表，當計數器小於39062，則依計數器所對應的時間表和開關角度表來作切換；當計數值大於39062，便完成一週期，計數歸0，重新計數。其中輸出線電壓控制在有效值220V，以213V和226V作上下調幅的邊界，因每增加基本波調變指數0.02輸出電壓約增加有效值6.2V，當輸出電壓下降時便去增加基本波的調變指標，以維持輸出電壓。

綜合上述，本發明提出一個新型曲折繞接線變壓器在多階層電壓源變流器中，在高功率應用場合中，使輸出容量分散於多組功率開關元件上，降低每個開關元件上之電壓、電流切換應力，另外24n±1次以外之奇次諧波不會出現在本系統變壓器輸出側，加上觸發信號能控制電壓的基本波並消除第二十三、二十五、四十七以及第四十九次諧波，再將未受控的諧波藉由基本波位移來做規劃，得到THD%更低的角度解，使變壓器輸出側至100次內的諧波僅剩七十一、七十三、九十五、九十七，系統因能得到更好的輸出，提升電壓品質、降低變流器耐壓耐流、縮小濾波器體 積且系統具變壓器隔離效果。

101‧‧‧新型曲折繞接線變壓器架構在多階層電壓源變流器系統

102‧‧‧直流電源

103‧‧‧四組三相變流器

104‧‧‧新型曲折繞接線變壓器

105‧‧‧三相濾波器

106‧‧‧三相整流濾波電路

107‧‧‧電壓感測電路

108‧‧‧數位控制器(TMS320F2812)

109‧‧‧功率開關元件驅動電路

201‧‧‧功率開關元件IGBT

202‧‧‧三相橋式整流器

203‧‧‧濾波器

204‧‧‧電壓感測元件

205‧‧‧運算放大器

206‧‧‧諧振電容

207‧‧‧諧振電感

208‧‧‧光耦合器

209‧‧‧電流感測元件

210‧‧‧運算放大器

211‧‧‧光耦合器

212‧‧‧Zener二極體

213‧‧‧快速二極體

214‧‧‧電容器

V _A1、V _B1、V _C1‧‧‧第一組變流器相電壓

V _A2、V _B2、V _C2‧‧‧第二組變流器相電壓

V _A3、V _B3、V _C3‧‧‧第三組變流器相電壓

V _A4、V _B4、V _C4‧‧‧第四組變流器相電壓

V _U 、V _V 、V _W ‧‧‧新型曲折繞接線變壓器輸出相電壓

圖1為本發明之新型曲折繞接線連接方式；圖2為本發明之新型曲折繞接線變壓器架構在多階層電壓源變流器系統；圖3為本發明之三相整流濾波器；圖4為本發明之電壓感測電路；圖5為本發明之功率開關元件驅動電路；圖6為二階層四分之一半波對稱波形；圖7為四分之一半波對稱與半波對稱波形比較；圖8為本發明之DSP程式流程圖；表1為所求得最佳THD%角度解；

101‧‧‧系統硬體電路裝置

102‧‧‧直流電源

103‧‧‧四組變流器電路

104‧‧‧新型曲折繞接線變壓器

105‧‧‧三相濾波器

106‧‧‧三相整流濾波電路

107‧‧‧電壓感測電路

108‧‧‧數位信號處理器(TMS320F2812)

109‧‧‧功率開關元件驅動電路

V _A1、V _B1、V _C1‧‧‧第一組變流器相電壓

V _A2、V _B2、V _C2‧‧‧第二組變流器相電壓

V _A3、V _B3、V _C3‧‧‧第三組變流器相電壓

V _A4、V _B4、V _C4‧‧‧第四組變流器相電壓

V _U 、V _V 、V _W ‧‧‧新型曲折繞接線變壓器輸出相電壓

Claims (7)

1. 一種新型曲折繞接線變壓器在多階層電壓源變流器系統，包括有：四組三相變流器電路：每組由六個功率開關元件組成，其輸出電壓係運用特定諧波消除策略，提供新型曲折繞接線變壓器所需電壓波形；一新型曲折繞接線變壓器：依所設計之波形輸入變壓器，能消除24n±1以外的奇次諧波；一控制與驅動電路：其中包含一濾波電路、一三相整流濾波電路、一電壓感測電路、一數位微處理器、一功率開關源件驅動電路，並輸出變流器電力開關驅動信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之新型曲折繞接線變壓器在多階層電壓源變流器系統，其中四組電壓源變流器直流電源輸入端能和電源並聯或串連分壓構成，視使用者而定。
3. 如申請專利範圍第1項所述之新型曲折繞接線變壓器在多階層電壓源變流器系統，其中控制驅動裝置之電壓感測電路，將系統中電壓轉換低電壓之電氣信號給數位信號處理器，以提供輸出開關驅動信號之依據。
4. 如申請專利範圍第1項所述之使用新型曲折繞接線變壓器在多階層電壓源變流器系統，其中數位信號處理器提供四模組三相變流器驅動電路信號，以驅動四組變流器之高功率固態電子開關，產生所需之波形。
5. 如申請專利範圍第1項所述之使用於新型曲折繞接線變壓器在多階層電壓源變流器系統，其中數位微處理器裝置偵測電壓回授信號後，更換不同基本波大小的開關切換表，使輸出端電源具可控之功能，以控制電壓大小。
6. 如申請專利範圍第1項所述之使用於新型曲折繞接線變壓器在多階層電壓源變流器系統，其中變流器之電力開關為高功率固態電子開關，而電子開關係由功率半導體元件所組成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之特定諧波消除之波形不含第二十三、二十五、四十七、四十九次及偶次諧波，此外也可再延伸增加其凹陷波，使其波形不含二十三、二十五、四十七、四十九、七十一、七十三、九十五、九十七等諧波。