TWI500245B

TWI500245B - Power conversion harmonic control system

Info

Publication number: TWI500245B
Application number: TW102140626A
Authority: TW
Original assignee: Nat Inst Chung Shan Science & Technology
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-09-11
Also published as: TW201519560A

Description

功率轉換諧波控制系統

本發明係與直交流功率轉換技術有關，特別係指一種可降低電流諧波失真率之功率轉換諧波控制系統。

再生能源大多數型態以直流電形式輸出，並透過市電併聯型之直交流功率轉換器將電能匯入至市電側，其輸出電力品質對電力系統而言尤其重要，故電力功率轉換領域之相關技術與構想十分繁多。

中華民國專利100106112號係以新型曲折繞接線變壓器架構，能夠消除24n±1次以外的奇次諧波，但此曲折繞接線變壓器為被動元件，需要增加額外的體積及成本，且應用範圍為多階層的電壓源變流器，故使用上有所限制；中華民國專利99136014號係提出三相多階層電流源變頻器並聯架構，以克服特定諧波問題，但並聯變頻器模組會有環流的問題，故所產生的零序電流諧波，則需要額外補償零相序諧波的控制策略，然該發明並未討論此問題；中華民國專利99114137號係利用改變脈波寬度調變訊號，以消除低次諧波，但在實務上低通濾波也必需考量負載特性，對特定操作頻率的負載而言，越高的負載特性阻抗，其低通濾波的設計需要越高電感值的元件，因此，必須清楚知道負載的特性，才能設計低通濾波器，方可使諧波消除更為有效，故該發明不能廣泛的使用；中華民國專利95113130號係利用脈波寬度調變及隨機取樣方法消除諧波，但該方法利用到傅立業分析及隨機取樣理論，以求得消除不同諧波之切換角度，不但非線性方程式過多，且需藉由疊代方式進行切換角度求解，故導致運算量過大不適用於微控器中；中華民國專利99143779號係利用向量控制單元進行零相序諧波消除，但因為向量控制單元在接收三相電壓狀態時，需要額外的電壓偵測裝置，包括加法器及控制器，故需增加額外的硬體成本且容易造成操作上的不確定性。

歐洲專利0319910B1號係利用回授負載端電壓進行諧波成分分析，並透過查表方式調控PWM訊號，以降低特定諧波含量，但負載種類繁多，若將欲消除所指定的諧波成分補償量預先儲存在記憶體中，則脈波寬度調變切換角度之資料會過於龐大，故對記憶容量有限的數位訊號處理器將造成困擾；歐洲專利EP0906654B1號係利用混合並聯型式濾波器降低系統之諧波含量，由於被動式濾波器是由電感器及電容器所組成，若要進行低頻諧波電流的濾除，其濾波器的體積必定龐大，而在主動式濾波器方面，其同步旋轉座標軸的電流控制器是採用硬體的方式實現，由於電子元件易受環境(溫度、濕度…)及老化等影響，故容易造成控制器性能不佳或損壞等影響；美國專利20130076293號係在三相功率因數整流器中，藉由調整市電側電流虛功率，以減少市電側的電流諧波含量，由於其總電流諧波失真補償方法是回授市電側電流，分析並作計算其總電流諧波失真率、市電側電壓與電流相角差及市電側之功率因數，以作為總電流諧波失真補償的條件，進而調整虛功率的參考命令值，因此，為了補償總諧波失真需要分析三種條件，方可對虛功率參考命令作調整，故該分析程序會造成計算上的負擔。

鑒於傳統技術之缺點，本發明係提供一種功率轉換諧波控制系統，係利用傅立葉分析方法計算各電流之諧波成份，在該直交流功率轉換器之控制策略中加入諧波補償策略，以抵銷實際電流產生之諧波成份。

本發明係提供一種功率轉換諧波控制系統，包括：一直流端；一直交流功率轉換器，係電性連接該直流端，並透過一變壓器連接至一交流端；以及一數位運算單元，係電性連接該直交流功率轉換器與該變壓器，並以一控制策略控制該直交流功率轉換器之功率輸出；其中該變壓器連接至該交流端之一側為交流側，該數位運算單元係利用傅立葉轉換分析計算該變壓器交流側之電流諧波量，當電流諧波失真率超過規範時，該數位運算單元係在控制策略中加入諧波補償策略，以抵銷實際電流產生之諧波成份。

本發明之功率轉換諧波控制系統採用既有之回授硬體電路，配合軟體運算分析，即可進行諧波干擾之補償控制；相較於傳統技術，本發明不需額外硬體裝置，且分析計算量少、補償方式較簡單，可降低數位訊號處理器計算上之負擔，並可依據不同特性之負載做即時調整，故應用範圍亦較傳統技術廣泛。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

11‧‧‧直流端

12‧‧‧直交流功率轉換器

13‧‧‧變壓器

14‧‧‧交流端

15‧‧‧數位運算單元

21‧‧‧三相電壓回授訊號

22‧‧‧三相電流回授訊號

23‧‧‧電流解耦合補償參數

24‧‧‧三相轉兩相電流命令

241‧‧‧d軸電流命令

242‧‧‧q軸電流命令

25‧‧‧兩相轉三相電壓命令

261‧‧‧d軸電流控制

262‧‧‧q軸電流控制

271‧‧‧d軸電壓補償

272‧‧‧q軸電壓補償

28‧‧‧脈波寬度調變

29‧‧‧諧波補償策略

圖1係為本發明之功率轉換諧波控制系統架構圖。

圖2係為本發明之功率轉換諧波控制系統實施例之數位運算單元控制策略方塊圖。

圖3為傳統市電併聯型之功率轉換器電流輸出波形圖。

圖4為本發明之電流輸出波形圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

圖1係為本發明之功率轉換諧波控制系統架構圖，如圖所示，係包括：一直流端11；一直交流功率轉換器12，係電性連接該直流端；一變壓器13，係電性連接該直流端；一交流端14，係電性連接該變壓器；以及一數位運算單元15，係電性連接該直交流功率轉換器與該變壓器，並以一控制策略控制該直交流功率轉換器之功率輸出；其中該變壓器連接至該交流端之一側為交流側，該數位運算單元係利用傅立葉轉換分析計算該變壓器交流側之電流諧波量，當電流諧波失真率超過規範時，該數位運算單元係在控制策略中加入諧波補償策略，以抵銷實際電流產生之諧波成份。

本發明之傅立葉轉換分析方法實施例如下：在三相平衡系統中，若市電側(交流端)之電流不存在零序電流及偶次諧波成分，經傅立葉方法分析後，該電流含有奇次電流諧波成分(5,7,11,13次…)，其表示式為(1)式，將三相市電側電流藉由同步旋轉座標軸轉換至dq軸，其表示式為(2)式，其中d軸及q軸電流分別為餘弦函數及正弦函數，頻率則變為六倍的基本波頻率。

i _Rh =I ₅ sin[5(θ _e +δ )]+I ₇ sin[7(θ _e +δ )]+…i _sh =I ₅ sin[5(θ _e -120°+δ )]+I ₇ sin[7(θ _e -120°+δ )]+…i _Th =I ₅ sin[5(θ _e +120°+δ )]+I ₇ sin[7(θ _e +120°+δ )]+… (1)

i _dh =-I ₅ cos[6(θ _e +δ )]+I ₇ cos[6(θ _e +δ )]+…i _qh =I ₅ sin[6(θ _e +δ )]+I ₇ sin[6(θ _e +δ )]+… (2)

圖2係為本發明之功率轉換諧波控制系統實施例之數位運算單元控制策略方塊圖，其步驟係為：接收市電側(交流端)之三相電壓回授訊號21與接收市電側(交流端)之三相電流回授訊號22，並預先定義一電流解耦合補償參數23；接著透過數位鎖相迴路211，將三相參考座標提供給三相轉兩相電流命令24及兩相轉三相電壓命令25使用；再將三相轉兩相電流命令回授至輸入端，與輸入端d軸電流命令241及q軸電流命令242合成，分別藉由d軸電流控制261與q軸電流控制262、d軸電壓補償271與q軸電壓補償272、電流解耦合補償及諧波補償策略29的合成，再透過兩相轉三相電壓命令25進行脈波寬度調變28之控制；相較於傳統技術，本發明係增加一諧波補償策略29，以降低三相市電側之電流諧波成分，在d軸電壓補償及q軸電壓補償中，加入一反相諧波電壓命令，該諧波電壓命令係根據(1)、(2)式之傅立葉轉換分析方法建立，得出一反相的六倍頻諧波電壓命令及，其關係式為(3)式，加入諧波電壓命令後可抵銷三相市電側的電流諧波成分，有效改善總電流諧波失真率。

本發明與傳統技術之電流輸出波形結果比對如圖3至圖4所示，傳統市電併聯型之功率轉換器之控制策略沒加入諧波補償，其電流輸出波形結果如圖3所示，其市電側(交流端)電流輸出波形較不平穩，總電流諧波失真率THD為17.36%，造成市電的汙染及無效功率，不符合規範。為符合電流諧波規範，使用本發明之功率轉換諧波控制系統，其市電側(交流端)電流輸出波形如圖4所示，改進總電流諧波失真率為4.9%。相較於傳統技術，本發明之功率轉換諧波控制系統輸出波形較平穩，可符合總電流諧波失真率5%以下的規範需求。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。