TWI464993B - 電力分散式系統 - Google Patents

Description

電力分散式系統

本發明係關於一種電力分散式系統，特別是關於一種藉由控制交流器以減少諧波電壓之電力分散式系統。

現今，為因應節能省碳之需求，人們使用綠色能源以取代非再生能源已成為全球發展的趨勢，例如太陽能發電、風力發電、燃料電池等發展，市電並聯型太陽能系統與風力發電系統為目前較具經濟效益的綠色電能發電系統。

現有發電之電力系統中，架構主要包含一輸入直流/直流轉換器、一直流/交流反流器以及一作為控制核心之數位信號處理器。其動作原理係先利用該輸入直流/直流轉換器將電能經過調整後，在利用該直流/交流反流器將直流電能轉換為交流電能並傳送至市電系統。

但是，電力系統中所產生的諧波會引起電力劣化的問題，這導致電力裝置過電壓或過電流，而造成裝置過熱，進而壽命減短或是產生傳輸配線額外的損失等，嚴重時甚至會發生立即的事故。特別是在電力分散式系統中，用戶負載被大量連接在電力分散式系統上，因此傳輸配線的電感性阻抗與用戶負載的電容性阻抗之間產生阻抗共振放大，而更增加電力傳輸中的諧波含量，所產生的電力污染也會越嚴重。所以如何抑制諧波污染以維持電力品質，是刻不容緩的重要研究課題。

習知常見的諧波消除之方法可以大致分為兩大類：被動式濾波器(Passive Filter)和主動式濾波器(Active Filter)。被動式濾波器係由被動電感及電容所組成之濾波器，其原理是安裝此濾波器於系統適當的地點，以將電力系統的諧波利用歐姆定律及阻抗分流原理，導入濾波器中，以降低諧波含量。但因電力系統中的諧波的振幅及頻率會受到其負載狀況而隨時 間改變，故濾波特性固定的被動式濾波器的濾波效果並不理想。再者，被動式濾波器的大體積會使電路設計的整體體積驟增。

相對於被動濾波器的較無彈性設計，主動式濾波器係可以藉著偵測時變的諧波電流頻譜之後，即時的產生一反向(向角相差180°)的諧波電流頻譜以抵銷。然而，現有技術通常是在傳輸配線上諧波共振最嚴重的系統端點，設置一濾波器，因此當諧波問題發生的端點改變時，便無法有效的解決問題；除此之外，並非所有頻率的諧波都容易為所存在的電力系統所量測並產生污染問題，因此只需有效的濾除這些會嚴重污染電力系統的特定頻率諧波，即可以解決諧波污染的問題；再者，濾波器也需要是一個可即時並連續調變以濾除諧波的設計。

故，有必要提供一種電力分散式系統，以解決習用技術所存在的問題。

電力系統背景中，可能包含非線性負載源，諸如電弧爐、直流\直流轉換器、整流器、直流\交流反流器或是變頻器等，會對該電力分散式系統造成電壓及電流的失真。當系統端點、匯流排發生坐落於諧波頻率的共振時，該點之諧波成份與失真程度將會被放大、嚴重化。

本發明之主要目的在於提供一種電力分散式系統，其係利用一主動濾波器可以連續並即時的調變其電壓值及電流值，以便將坐落於諧波頻率的共振頻率轉變至較不影響系統之頻域或濾除諧波，進而提升電力分散式系統的穩定性及電力品質。

本發明之次要目的在於提供一種電力分散式系統，其係利用一主動濾波器可以設置在鄰近電力匯流排上的過電壓位置，以便更有彈性的減少諧波污染問題，進而提高電力分散式系統的設計彈性度及應用性。

為達上述之目的，本發明提供一種電力分散式系統，其包含：一交流電源、一電力匯流排及一主動濾波器。該電力匯流排連接到該交流電源，具有至少一過電壓位置。該主動濾波器包含一反流器及一控制器。該反流器並聯於該電力匯流排。該控制器利用一控制輸入端以控制該反流器以轉移一諧波頻率至一特定諧波頻率值。其中該主動濾波器設置在 該電力匯流排上的過電壓位置的一鄰近位置。

在本發明之一實施例中，該反流器通過該控制器調節一輸出端的電流及電壓，以得到一可調變連續電容。

在本發明之一實施例中，該反流器是一主動式反流器或是一主動/被動混合式反流器。

在本發明之一實施例中，該控制器包含一等效電容電壓控制器及一脈波寬度調變器。該等效電容電壓控制器根據一等效電容及一反流器輸入電流以輸出一電容電壓。該脈波寬度調變器根據該電容電壓及一直流電壓進行運算以輸出一脈波調變信號。

在本發明之一實施例中，該直流電壓是一直流電源供應器所輸出的直流電壓。

在本發明之一實施例中，該控制器另包含一直流電壓控制器，根據一輸入直流電壓及一參考直流電壓進行運算以求得該直流電壓。其中該直流電壓與該反流器輸入電流具有同向電壓成份。

在本發明之一實施例中，該特定諧波頻率值在一個三相電力分散式系統中是三的倍數的諧波頻率。

在本發明之一實施例中，該鄰近位置與該過電壓位置之間的傳輸阻抗是等於或小於0.5標準值。

10‧‧‧交流電源

20‧‧‧電力匯流排

30‧‧‧非線性負載源

40‧‧‧主動濾波器

41‧‧‧反流器

411‧‧‧功率半導體開關元件

412‧‧‧輸出電感元件

412a、412b、412c‧‧‧電感元件

413‧‧‧直流電容元件

D1、D2、D3、D4、D5、D6‧‧‧主動開關元件

414‧‧‧被動濾波電容元件

42‧‧‧控制器

421‧‧‧等效電容電壓控制器

N1‧‧‧倒數運算器

I‧‧‧積分器

M1‧‧‧第一乘法器

422‧‧‧脈波寬度調變器

V1‧‧‧過電壓位置

V2‧‧‧鄰近位置

L1、L2‧‧‧負載電感性阻抗

423‧‧‧直流電壓控制器

A1‧‧‧第一加法器

PI‧‧‧比例積分控制器

M2‧‧‧第二乘法器

A1‧‧‧第一加法器

A2‧‧‧第二加法器

第1圖：本發明第一實施例之電力分散式系統之方塊圖。

第2圖：本發明第一實施例之反流器之示意圖。

第3圖：本發明第二實施例之反流器之示意圖。

第4圖：本發明第一實施例之反流器之細部電路之示意圖。

第5圖：本發明第一實施例之控制器之方塊圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、 內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，本發明第一實施例之電力分散式系統主要包含一交流電源10、一電力匯流排20及一主動濾波器40。該電力匯流排20連接到該交流電源10，具有至少一過電壓位置V1。該主動濾波器40包含一反流器41及一控制器42。該反流器41並聯於該電力匯流排。該控制器42利用一控制輸入端以控制該反流器41以轉移一諧波頻率至一特定諧波頻率值。其中該主動濾波器40設置在該電力匯流排20上的過電壓位置V1的一鄰近位置V2。

在本實施例中，該交流電源10可由一個三相電力系統(three phase power system)所提供，可包含了交流電源諧波衰減；該電力匯流排20可以是一條三相電力配線(power line)；而電力系統背景中，可能包含非線性負載源30，諸如電弧爐、直流\直流轉換器、整流器、直流\交流反流器或是變頻器等，會對該電力分散式系統造成電壓及電流的失真。

請參照第2及第3圖所示，該反流器41可以是一主動式反流器或是一主動/被動混合式反流器。由於傳統被動式濾波器所使用的被動是反流器通常並聯於電力系統，但會有以下問題，如體積大、無法主動調適的去移除諧波、容易與非線性負載產生諧波共振放大等，故被動式反流器不敷使用，因而選擇使用主動式反流器或是結合主動式與被動式的混合式反流器，主要是利用一功率半導體開關元件411，還包含一輸出電感元件412及一直流電容元件413，主動式反流器不僅可以解決諧波的問題，同時亦能補償虛功，使得該交流電源的輸入電流變成與輸入電壓同相位之純正弦波。而第3圖中的主動/被動混合式反流器比起第2圖中的主動式反流器多串接了一個被動濾波電容元件414，可另外提供功因修正功能，又或利用組合電感或電容來加以應用，可串接或並聯，故除上述二實施例之外，仍有許多結合主動式反流器與被動式反流器的設計，故在此所提的主動/被動混合式反流器並不受上述實施例所限。

通常反流器還可以選擇用串聯或是並聯兩種方式電性連接 於該電力匯流排20，在本實施例中選擇以並聯方式連接，主要原因在於並聯方式使得該主動濾波器40處理的功率比串聯方式的所需功因修正少，相對的損失也較低，因此較容易處理較大的功率及提高電力系統整體效率。

請參照第4圖所示，係根據第2圖中的主動式反流器的細部電路之示意圖。該功率半導體開關元件411主要是由三組主動開關元件D1、D2、D3、D4、D5、D6所組成，通常使用的主動開關元件如閘關閘流體(Gate Turn-off Thyristor，GTO)、絕緣閘雙載子電晶體(Isolated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)等組成之反流器，該輸出電感元件412具有三組電感元件412a、412b、412c及一直流電容元件413。

請參照第5圖所示，該控制器42主要包含一等效電容電壓控制器421及一脈波寬度調變器422。該等效電容電壓控制器421根據一等效電容及一反流器輸入電流以輸出一電容電壓，其中該等效電容電壓控制器421主要根據電容特性，運算一公式： 故該等效電容電壓控制器421包含一倒數運算器N1及一積分器I。該倒數運算器N1將該等效電容進行倒數運算得到C-1。該積分器I係用來運算積分該反流器輸入電流值。接下來藉著一第一乘法器M1將兩輸出值相乘得到該電容電壓值。

而該脈波寬度調變器422根據該電容電壓及一直流電壓進行運算以輸出一脈波調變信號。其中該直流電壓可以是一直流電源供應器所輸出的直流電壓或是該控制器42另包含一直流電壓控制器423所產生的直流電壓，該直流電壓控制器423根據一輸入直流電壓及一參考直流電壓進行運算以求得該直流電壓。因為輸出的該直流電壓值需具有與該反流器輸入電流具有同向電壓成份的特性，當此電壓成份送入該脈波寬度調變器422以寬度調變而控制該反流器41的輸出電壓時，即可從輸入電流汲取實 功，使得直流電壓升高。此外，該直流電壓控制器423另包含一第一加法器A1、一比例積分控制器PI及一第二乘法器M2，該第一加法器A1將一輸入直流電壓及一參考直流電壓進行加法運算後輸入該比例積分控制器PI再利用該第二乘法器M2與該輸入電流相乘後得到該直流電壓繼續與該等效電容電壓控制器421的該電容電壓及三相電力系統的電容電壓一起透過一第二加法器A2做運算以得到一反流器參考輸出電壓值送給該脈波寬度調變器422進行運算，至終得到該脈波調變信號。

在本發明中，該反流器41通過該控制器42調節該輸出端的電流及電壓，以得到一可調變連續電容值。當電力匯流排上為改善電力品質而掛載電容時，多為切換式可調電容，並視需求切至相近電容值之檔位。電容值檔位之間切換並非連續性。當切換時，亦有可能在匯流排上造成電壓突波(voltage surge)。故本發明所考慮的反流器設計乃是將該反流器41當作一虛擬的電容器，其電容值可以由該控制器42控制以得到一連續的調變，如此可以準確的轉移一諧波頻率至一特定諧波頻率值，因為在一個三相電力分散式系統中，通常會產生嚴重諧波共振放大的諧波頻率通常是五次諧波頻率，也可能是七次、十一次諧波頻率；而以三的倍數的諧波頻率，如三次、六次或九次的諧波頻率較不易為電力系統所偵測並影響電力系統的傳輸品質及效率，故透過該主動濾波器40將該諧波頻率濾除或是轉移為該特定諧波頻率值以達到減少諧波干擾的問題。

此外，因為本發明並非取與諧波反向的一補償電流或電壓以抵銷諧波，故並不需要將該主動濾波器40設置在諧波發生最嚴重的端點，僅需要設置在該電力匯流排20上的過電壓位置V1的該鄰近位置V2。以台電22.8kV典型配電系統模型與3C500XP2形式之地下電纜為例，系統模型中每隔2.5km有一負載匯流排，而匯流排之間的傳輸阻抗最高達約0.5標準 值(pu)。以此為例，傳輸阻抗在0.5pu以下且直接相連的匯流排，應可歸為該鄰近位置V2。故該鄰近位置V2與該過電壓位置V1之間的傳輸阻抗是等於或小於0.5標準值。

相較於現有之技術，本發明提供一種電力分散式系統，其係利用一主動濾波器可以連續並即時的調變其電壓值及電流值，以便將諧波的頻率轉變或濾除諧波，進而提升電力分散式系統的穩定性及電力品質；除此，該主動濾波器亦僅需要設置在過電壓位置的鄰近端點，以便更有彈性的減少諧波污染問題，進而提高電力分散式系統的設計彈性度及應用性。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧交流電源

20‧‧‧電力匯流排

30‧‧‧非線性負載源

40‧‧‧主動濾波器

41‧‧‧反流器

42‧‧‧控制器

V1‧‧‧過電壓位置

V2‧‧‧鄰近位置

L1、L2‧‧‧負載電感性阻抗

Claims (7)

1. 一種電力分散式系統，其包含：一交流電源；一電力匯流排，連接到該交流電源，具有至少一過電壓位置；及一主動濾波器，具有：一反流器，並聯於該電力匯流排；及一控制器，利用一控制輸入端以控制該反流器以轉移一諧波頻率至一特定諧波頻率值，該控制器包含：一等效電容電壓控制器，根據一等效電容及一反流器輸入電流以輸出一電容電壓；及一脈波寬度調變器，根據該電容電壓及一直流電壓進行運算以輸出一脈波調變信號；其中該主動濾波器設置在該電力匯流排上的過電壓位置的一鄰近位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電力分散式系統，其中該反流器通過該控制器調節一輸出端的電流及電壓，以得到一可調變連續電容。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電力分散式系統，其中該反流器是一主動式反流器或是一主動/被動混合式反流器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電力分散式系統，其中該直流電壓是一直流電源供應器所輸出的直流電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電力分散式系統，其中該控制器另包含：一直流電壓控制器，根據一輸入直流電壓及一參考直流電 壓進行運算以求得該直流電壓；其中該直流電壓與該反流器輸入電流具有同向電壓成份。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電力分散式系統，其中該特定諧波頻率值在一個三相電力分散式系統中是三的倍數的諧波頻率。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電力分散式系統，其中該鄰近位置與該過電壓位置之間的傳輸阻抗是等於或小於0.5標準值。