TWI536729B - 可允許電感變化之三相換流裝置及其三相ｄ－σ控制方法 - Google Patents

可允許電感變化之三相換流裝置及其三相ｄ－σ控制方法 Download PDF

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Description

可允許電感變化之三相換流裝置及其三相D-Σ控制方法
本發明是有關於一種電力轉換的控制技術，且特別是有關於一種可允許電感變化之三相換流裝置及其三相D-Σ控制方法。
綠色能源中太陽能是取之不竭、用之不盡的能源，因此與太陽能相關的技術正如火如荼的發展。當太陽能發電裝置(例如：太陽能板)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(local distribution network)或以電池儲存能量。但電池的壽命有限，成本也相對較高。若採取換流器，將太陽能經過換流器直接併入市內配電網，可以減少傳輸中的消耗能量，並降低電力的損失，致使發電系統更加有效率。除此之外，也可以將換流器設計為具有雙向功能，使太陽能能直接供給直流負載，而不需要經過併入市內配電網後才再度轉換為直流，據此可進一步減少約8%的能源浪費。而在雙向換流器的選擇上，十千瓦(10kW)以上的系統主要以三相為主，以符合未來供電及系統擴充的需 求，換言之，三相換流器的控制與可靠度將是未來研究的重要課題。
具體來說，三相換流器的電路架構如圖1A和圖1B所示。其中，圖1A和圖1B分別繪示了△接和Y接兩種交流電路的三相換流器，且分別包括形成全橋式架構的開關組S1~S6、耦接至開關組S1~S6的直流端VDC、三相電源端R、S、T以及分別對應於三相電源端R、S、T的電感LR、LS、LT。其中，相電流IR、IS、IT分別流經電感LR、LS、LT，而v RS 、v ST 、v TR 為相電壓，u R 、u S 、u T 則為端點電位。
根據上述的電路架構，習知的三相控制方法主要以空間向量脈寬調變(Space Voltage Pulse Width Modulation，簡稱SVPWM)為基礎而發展的電流控制器。首先，建立三相系統的狀態方程式，然後經由dq軸(包括直軸與交軸)轉換矩陣而將狀態方程式轉為二維矩陣方程式，再計算電壓參考指令並轉成各向量的時間，即可輸出PWM訊號以驅動換流器。需說明的是，上述的轉換方式僅適用於三相電壓平衡且無失真的情況，故必須利用電流誤差補償來克服市電諧波及三相不平衡造成的失真。另外，一種雙降壓(dual-buck)的控制方式被提出以簡化上述利用dq軸轉換的複雜推導，但其推導過程仍需在三相電感值相等的條件下才成立。
然而，三相系統的電感值並非固定不變。由圖2的電感值隨電流變化的曲線圖可知，在功率越大的系統中，電流越大會使得電感值變得越小。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，使系統存在振盪或甚至發散的風險。
有鑑於此，本發明提供一種可允許電感變化之三相換流裝置及其三相D-Σ控制方法，能夠避免市電諧波造成失真，並簡化轉換處理流程。
本發明提出一種可允許電感變化之三相換流器的三相D-Σ控制方法。其中，三相換流器具有第一電感、第二電感及第三電感，且第一相電流、第二相電流以及第三相電流分別流經第一電感、第二電感以及第三電感。三相D-Σ控制方法包括：獲得第一相電流、第二相電流及第三相電流其中之二的多個電流變化量以及第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓其中之二的多個相電壓；依據所述電感的電感值、電流變化量以及向量空間調變的切換週期以進行第一算術運算，以獲得運算結果；並且，依據相電壓以及運算結果以進行第二算術運算，以獲得三相換流器的多個開關組的向量空間調變的切換週期的責任比。其中，所述電感值分別依據第一相電流、第二相電流及第三相電流產生變化。
在本發明的一實施例中，上述依據電感的電感值、電流變化量以及切換週期以進行第一算術運算，以獲得運算結果的步驟更包括：利用電感值與電流變化量的矩陣形式來計算電感上的多個跨壓以獲得第一矩陣；以及計算切換週期的倒數與第一矩陣的乘積以獲得運算結果。
在本發明的一實施例中，所述方法更包括：依據三相換流器的第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓與零電壓的交會點，將向量空間劃分為多個區間，其中各區間分別由兩組非零向量和零向量組成。
在本發明的一實施例中，上述依據相電壓以及運算結果以進行第二算術運算，以獲得三相換流器的開關組的向量空間調變的切換週期的責任比的步驟更包括：獲得在向量空間中的區間對應的多個切換狀態電壓，以獲得第二矩陣；計算相電壓與運算結果的和以獲得第三矩陣；以及計算第二矩陣的反矩陣與第三矩陣的乘積以獲得開關組的向量空間調變的切換週期的責任比。
在本發明的一實施例中，其中電感值與第一相電流、第二相電流及第三相電流的變化關係記錄於查找表，且上述依據電感的電感值、電流變化量以及切換週期以進行第一算術運算的步驟更包括：利用查找表以依據第一相電流、第二相電流及第三相電流來分別獲得電感值。
在本發明的一實施例中，上述各電流變化量為切換週期的參考電流與偵測電流之間的差值。
本發明另提出的可允許電感變化的三相換流裝置包括三相換流器、驅動電路以及控制器。三相換流器具有第一電感、第二電感及第三電感，其中第一相電流、第二相電流以及第三相電流分別流經第一電感、第二電感以及第三電感。驅動電路耦接至三相換流器以驅動三相換流器。控制器耦接至驅動電路，獲得第一相電流、第二相電流及第三相電流其中之二的多個電流變化量以及第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓其中之二的多個相電壓，並依據電感的電感值、電流變化量以及向量空間調變的切換週期以進行第一算術運算，以獲得運算結果，以及依據相電壓以及運算結果以進行第二算術運算，以獲得三相換流器的多個開關組的向量空間調變的切換週期的責任比，其中，電感值分別依據第一相電流、第二相電流及第三相電流產生變化。
基於上述，本發明實施例所提出的可允許電感變化之三相換流裝置及其三相D-Σ控制方法利用調變脈寬的向量空間中的切換狀態電壓對三相系統進行轉換，以獲得三相換流器中多個開關組的向量空間調變的切換週期的責任比。如此一來，可適用於電感發生變化的情況，避免市電諧波造成失真，並簡化轉換處理流程。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
300‧‧‧三相換流裝置
310‧‧‧三相換流器
312‧‧‧交流電路
320‧‧‧驅動電路
330‧‧‧控制器
340‧‧‧偵測電路
A、B、C‧‧‧端點
IR、IS、IT‧‧‧相電流
LR、LS、LT‧‧‧電感
M1~M6‧‧‧控制訊號
R、S、T‧‧‧三相電源端
S1~S6‧‧‧開關組
T‧‧‧切換週期
u R 、u S 、u T ‧‧‧電位
v RS 、v ST 、v TR ‧‧‧相電壓
VDC‧‧‧直流端
V0~V7‧‧‧向量
I~VI‧‧‧區間
S610~S630‧‧‧步驟
圖1A是習知的一種△接三相換流器的示意圖。
圖1B是習知的一種Y接三相換流器的示意圖。
圖2是三相系統的電感其電感值隨電流變化的曲線圖。
圖3是依照本發明一實施例的一種三相換流裝置的示意圖。
圖4是依照本發明一實施例的三相系統在一個市電週期內的相電壓的電壓波形圖。
圖5是依照本發明一實施例的向量空間的分布圖。
圖6是依照本發明一實施例的可允許電感變化之三相換流裝置的三相D-Σ控制方法的流程圖。
為了解決電感變化與使用dq軸進行轉換時可能面臨的問題，本發明實施例所提出的可允許電感變化之三相換流裝置及其三相D-Σ控制方法，利用三相分切合整(division-summation；簡 稱D-Σ)來進行轉換，藉以考量三相系統的電感變化，並能夠簡化轉換處理流程，以及克服習知電力轉換方式在市電併聯模式時可能遭遇的失真。
圖3是依照本發明一實施例的一種三相換流裝置的示意圖。三相換流裝置300包括三相換流器310、驅動電路320以及控制器330。其中，驅動電路320用以驅動該三相換流器310。三相換流器310包括形成全橋式架構的開關組S1~S6、耦接至開關組S1~S6的直流端VDC、三相電源端R、S、T以及分別對應於三相電源端R、S、T的電感LR、LS、LT。其中，相電流IR、IS、IT分別流經電感LR、LS、LT。另外，三相電源端R、S、T連接交流電路312，且交流電路312例如是圖1A、圖1B中的△接和Y接兩種形式。
控制器330耦接至驅動電路320，並用以獲得三相換流器310的開關組S1~S6的向量空間調變的切換週期T的責任比(duty ratio)，據以控制驅動電路320驅動三相換流器310依據開關組S1~S6的責任比而將電力在直流端VDC與三相電源端R、S、T之間轉換。
基於圖3的電路架構，底下對如何獲得開關組S1~S6的切換週期T的責任比進行說明。
首先，根據克希荷夫電壓定律，可以列出基於三相換流器310其電路架構的任意兩個迴路的迴路方程式。以端點A至端點B所形成的迴路與端點B至端點C所形成的迴路為例，其以矩 陣型態所對應的關係式如方程式(1)所示：
其中，定義u RS =u R -u S 與u ST =u S -u T ，u R 、u S 、u T 分別為端點A、B、C的電位，且切換狀態電壓u RS 、u ST 可由開關組S1~S6個別的開啟或切斷狀態而決定(詳見後述)，而v RS 、v ST 則為相電壓。此外，矩陣，且方程式(1)中電感LR、LS、LT的電感值L R 、L S 、L T 被視為變數，其中，電感值L R 、L S 、L T 分別依據相電流IR、IS、IT而改變。
值得一提的是，上述的電感值L R 、L S 、L T 與相電流IR、IS、IT的變化關係例如可記錄於查找表，且控制器330更利用此查找表以依據相電流IR、IS、IT來分別獲得電感值L R 、L S 、L T 。查找表例如是儲存於三相換流裝置300的儲存單元中，以供控制器330對其進行存取。或者，電感值L R 、L S 、L T 與相電流IR、IS、IT之間的變化關係也可透過方程式化，例如最佳線性近似的方法來建立。
接著，方程式(1)經矩陣運算後可以得到關於相電流IR、IS的瞬間電流變化量di R 、di S 的狀態方程式，如方程式(2)所示：
其中，矩陣，且。
另一方面，在三相換流器310的一個切換週期T中，還 可切分為三個時間間隔T0、Tx、Ty。但就數位電路而言，若要準確感測上述各時間間隔T0、Tx、Ty中的瞬間電流變化量(例如，di R 、di S )，在實現上可能較為困難。因此，本實施例依據重疊原理，並利用在一切換週期T內的電流變化量(例如，△i R 、△i S )，以獲得電流變化量對於切換狀態電壓的狀態方程式。詳言之，方程式(3)列出在一切換週期T內，各時間間隔T0、Tx、Ty與其分別對應的切換狀態電壓u RS,0 、u RS,x 、u RS,y 、u ST,0 、u ST,x 、u ST,y 依重疊原理所獲得的關係，如下：
上述方程式(3)即為D-Σ轉換方程式。其中，基於切換狀態電壓u RS,0 和u ST,0 在任何時刻均為0，故進一步簡化方程式(3)而得到簡化後的D-Σ轉換方程式，如下：
接著，將方程式(4)的結果代回方程式(2)並經矩陣運算後，即可獲得方程式(5)，如下：
其中，，且D x 、D y 為對應向量空間中的向量Vx、Vy的切換週期T的責任比。另外，電流變化量△i R 、△i S 可為單一個切換週期T中，參考電流Iref與偵測電流Ifb之間的差值。其中，參考電流Iref可為一預先設定的設定值，而偵測電流Ifb則可以是相電流IR、IS、IT的其中之一，並例如是透過偵測電路340 來進行偵測。上述設定參考電流Iref與取得偵測電流Ifb的技術應為本領域技術人員所熟知，故其實施細節不再贅述。另外，偵測電路340除了偵測相電流IR、IS、IT之外，也可用於偵測直流端VDC的電壓vDC以及相電壓v RS 、v ST 、v TR ，本發明對此不限制。
至於前述的向量空間，以下以圖4和圖5進一步說明。請先參照圖4，圖4是三相系統在一個市電週期(例如，60或50Hz)內的相電壓v RS 、v ST 、v TR 的電壓波形圖。依據相電壓v RS 、v ST 、v TR 與零電壓的交會點，向量空間自0度~360度的相位可被分為0度~60度、60度~120度、120度~180度、180度~240度、240度~300度以及300度~360度的6個相位區間I~VI。圖5繪示出向量空間的分布圖。由圖5可看出，圖4的各個區間I~VI可分別由兩組非零向量(例如，向量V1~V6)和零向量(例如，V0、V7)組成。其中，非零向量中的各分量可分別作為開關組S1~S6的上臂(例如開關S1、S3、S5)的控制訊號M1、M3、M5，或是下臂(例如開關S2、S4、S6)的控制訊號M2、M4、M6。例如，當向量V1=(1 0 0)時，其對應的控制訊號M1可為高電位，且控制訊號M3、M5則為低電位，使開關S1對應開啟，而開關S3、S5對應被切斷。類似地，對於向量V2=(1 1 0)、向量V3=(0 1 0)、向量V4=(0 1 1)、向量V5=(0 0 1)、向量V6=(1 0 1)的情況，也可依據向量的分量為1或0，而決定控制訊號M1~M6為高電位或低電位，據以控制開關S1~S6的開啟或關閉。
如此一來，經由圖5的區間向量分布，並透過上述非零向量來控制開關組S1~S6的開啟或切斷，即可獲得各區間I~VI的切換狀態電壓u RS,x 、u RS,y 、u ST,x 、u ST,y ，如下表一所示。
其中，v DC 為三相換流器310其直流端VDC的電壓值。
藉此，控制器330即可藉由方程式(5)獲得向量Vx、Vy對應的切換週期T的責任比Dx、Dy，並利用向量Vx、Vy的各個分量作為開關組S1~S6開啟或切斷的控制訊號，據以得到開關組S1~S6分別在向量空間調變的切換週期的責任比。表一列出以Dx、Dy、D0表示的開關S1、S3、S5的切換週期的責任比DRH、DSH、DTH，以及開關S2、S4、S6的切換週期的責任比DRL、DSL、DTL，其中D0=1-Dx-Dy。
需說明的是，表一列出的各項參數可適用於空間向量脈寬調變，並能夠應用於三相換流器310的市電併聯、整流模式、功因超前以及功因落後等各種模式。其中，由於本實施例所提出的控制方法已考慮電感值發生變化的情況，故可避免習知的電力轉換方式在市電併聯模式時可能遭遇的失真問題。
此外，本實施例所提出的三相D-Σ控制方法還可應用於兩相調變(Two-Phase modulation，簡稱TPM)，且亦可應用於兩相調變的功因超前、功因落後及整流等模式。對於兩相調變的各項參數請參照下表二。
因此，基於上述方程式(5)所獲得的轉換關係，本發明實施例所提出的可允許電感變化之三相換流裝置的三相D-Σ控制方法可如圖6的流程圖所示。其中，圖6的方法流程適用於圖3的三相換流裝置300的各元件。底下參照圖6的流程說明控制器330對於三相換流器310的控制步驟。
首先，在步驟S610中，控制器330獲得相電流IR、IS、IT其中之二的電流變化量，並獲得相電壓v RS 、v ST 、v TR 的其中之二。其中，電流變化量為一個切換週期T中的相電流變化量，例如一個切換週期T中的相電流IR的電流變化量△i R ，或例如是一個切換週期T中的相電流IS的電流變化量△i S 。
接著，在步驟S620中，控制器330依據電感LR、LS、LT的電感值L R 、L S 、L T 、電流變化量(例如，△i R 或△i S )以及向量空間調變的切換週期T以進行第一算術運算，以獲得運算結果。具體而言，控制器330利用電感值L R 、L S 、L T 與電流變化量△i R 、△i S 的矩陣形式來計算電感LR、LS、LT上的多個跨壓以獲得第一矩陣M1，如以下方程式(6)所示：
其中，且電感值L R 、L S 、L T 分別依據相電流IR、IS、IT產生變化。
接著，控制器330計算切換週期T的倒數與第一矩陣M1的乘積以獲得運算結果R，其為矩陣型態並如以下方程式(7)所示：
之後，在步驟S630中，控制器330依據前述獲得的相電壓以及運算結果以進行第二算術運算，以獲得三相換流器310的 多個開關組S1~S6的向量空間調變的切換週期T的責任比。詳細來說，控制器330獲得在向量空間中的區間對應的多個切換狀態電壓(例如，u RS,x 、u RS,y 、u ST,x 、u ST,y )，以獲得第二矩陣M2，如以下方程式(8)所示：
接著，控制器330再計算相電壓v RS 、v ST 與運算結果R的和以獲得一第三矩陣，如以下方程式(9)所示：
之後，控制器330計算該第二矩陣M2的反矩陣與第三矩陣M3的乘積，從而獲得方程式(5)中對應各向量的切換週期T的責任比Dx、Dy，並可對應調變類型而利用表一(或表二)中的各項參數，據以獲得應用空間向量脈寬調變或是兩相調變時，開關組S1~S6的向量空間調變的切換週期T的責任比DRH、DRL、DSH、DSL、DTH、DTL。
綜上所述，本發明實施例所提出的可允許電感變化之三相換流裝置及其三相D-Σ控制方法利用調變脈寬的向量空間中的切換狀態電壓對三相系統進行轉換，以獲得三相換流器中多個開關組的向量空間調變的切換週期的責任比。如此一來，可適用於電感發生變化的情況，避免市電諧波造成失真，並簡化轉換處理流程。
S610~S630‧‧‧三相D-Σ控制方法的步驟

Claims (12)

  1. 一種可允許電感變化之三相換流器的三相D-Σ控制方法，該三相換流器具有一第一電感、一第二電感及一第三電感，其中一第一相電流、一第二相電流以及一第三相電流分別流經該第一電感、該第二電感以及該第三電感，該三相換流器控制方法包括：獲得該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流其中之二的多個電流變化量以及一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓其中之二的多個相電壓；依據該些電感的電感值、該些電流變化量以及一向量空間調變的一切換週期以進行一第一算術運算，以獲得一運算結果；以及依據該些相電壓以及該運算結果以進行一第二算術運算，以獲得該三相換流器的多個開關組的該向量空間調變的該切換週期的責任比，其中，該些電感值分別依據該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流產生變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的三相D-Σ控制方法，其中依據該些電感的該些電感值、該些電流變化量以及該切換週期以進行該第一算術運算，以獲得該運算結果的步驟更包括：利用該些電感值與該些電流變化量的矩陣形式來計算該些電感上的多個跨壓以獲得一第一矩陣；以及 計算該切換週期的倒數與該第一矩陣的乘積以獲得該運算結果。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的三相D-Σ控制方法，其中更包括依據該三相換流器的該第一相電壓、該第二相電壓以及該第三相電壓與零電壓的交會點，將該向量空間劃分為多個區間，其中各該些區間分別由兩組非零向量和零向量組成。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的三相D-Σ控制方法，其中依據該些相電壓以及該運算結果以進行該第二算術運算，以獲得該三相換流器的該些開關組的該向量空間調變的該切換週期的責任比的步驟更包括：獲得在該向量空間中的一區間對應的多個切換狀態電壓，以獲得一第二矩陣；計算該些相電壓與該運算結果的和以獲得一第三矩陣；以及計算該第二矩陣的反矩陣與該第三矩陣的乘積以獲得該些開關組的該向量空間調變的該切換週期的責任比。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的三相D-Σ控制方法，其中該些電感值與該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流的一變化關係記錄於一查找表，且依據該些電感的電感值、該些電流變化量以及該切換週期以進行該第一算術運算的步驟更包括：利用該查找表以依據該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流來分別獲得該些電感值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的三相D-Σ控制方法，其中各 該些電流變化量為該切換週期的一參考電流與一偵測電流之間的差值。
  7. 一種可允許電感變化的三相換流裝置，包括：一三相換流器，具有一第一電感、一第二電感及一第三電感，其中一第一相電流、一第二相電流以及一第三相電流分別流經該第一電感、該第二電感以及該第三電感；一驅動電路，耦接至該三相換流器以驅動該三相換流器；以及一控制器，耦接至該驅動電路，獲得該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流其中之二的多個電流變化量以及一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓其中之二的多個相電壓，依據該些電感的電感值、該些電流變化量以及一向量空間調變的一切換週期以進行一第一算術運算，以獲得一運算結果，並依據該些相電壓以及該運算結果以進行一第二算術運算，以獲得該三相換流器的多個開關組的該向量空間調變的該切換週期的責任比，其中，該些電感值分別依據該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流產生變化。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的三相換流裝置，其中該控制器利用該些電感值與該些電流變化量的矩陣形式來計算該些電感上的多個跨壓以獲得一第一矩陣，並計算該切換週期的倒數與該第一矩陣的乘積以獲得該運算結果。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的三相換流裝置，其中該控制器更依據該三相換流器的該第一相電壓、該第二相電壓以及該第三相電壓與零電壓的交會點，將該向量空間劃分為多個區間，其中各該些區間分別由兩組非零向量和零向量組成。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的三相換流裝置，其中該控制器更獲得在該向量空間中的一區間對應的多個切換狀態電壓，以獲得一第二矩陣，計算該些相電壓與該運算結果的和以獲得一第三矩陣，以及計算該第二矩陣的反矩陣與該第三矩陣的乘積以獲得該些開關組的該向量空間調變的該切換週期的責任比。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的三相換流裝置，其中該些電感值與該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流的一變化關係記錄於一查找表，且該控制器更利用該查找表以依據該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流來分別獲得該些電感值。
  12. 如申請專利範圍第7項所述的三相換流裝置，其中各該些電流變化量為該切換週期的一參考電流與一偵測電流之間的差值。
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