TWI559659B - Active power supply compensation circuit - Google Patents

Description

主動式電源補償電路

本發明係與電源補償電路有關；特別是指一種可抑制交直流轉換器或直交流轉換器直流側兩倍頻紋波的主動式電源補償電路。

近年來，為了減緩全球暖化所造成的極端氣候問題，全球均致力於發展節能減碳技術，包括發展綠色能源以及提高能源使用效率，以在維護環境以及經濟發展之間取得適當的平衡點。因此，伴隨著節能減碳的全球化浪潮推湧，提升綠色能源的技術應用是產業發展的主要方向之一。

目前普遍使用的綠色能源裝置主要有太陽能光伏發電系統、燃料電池以及風力發電系統等種類，而基於該些綠色能源裝置所產生的電能，通常會依照使用的需求，經過直流/交流電能轉換電路或交流/直流電能轉換電路的轉換後，作為市電或為電力網絡所使用。

然而，在經過直流/交流電能轉換電路或交流/直流電能轉換電路的轉換時，轉換電路交流側所輸出的瞬時功率除了包含有與實功率相等的直流成分之外，亦包含頻率為直流側兩倍頻率的紋波成分。而基於能量不滅定理，瞬時功率的紋波成分將會透過轉換電路而反映在綠色能源裝置的直流側，導致該裝置承受額外的負載，除了會降低該裝置的使用壽命之外，更會使該裝置的有效輸出功率相對地減少。因此，如何降低交流側的紋波成分對於直流側的影響， 是當前綠色能源發展進程中所極欲解決的問題之一。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種主動式電源補償電路，可有效抑制交直流轉換器或直交流轉換器之直流側的兩倍頻紋波。

緣以達成上述目的，本發明所提供之主動式電源補償電路包含有一直流電源、一直流/交流轉換器、一主動式電源補償器以及一控制器。該直流電源用以輸出一直流電力；該直流/交流轉換器具有一直流側以及一交流側，該直流側與該直流電源耦接以接收該直流電力，用以將該直流電力轉換為一交流電力後，於該交流側輸出該交流電力；該主動式電源補償器與該直流/交流轉換器的直流側耦接，該主動式電源補償器包含一電容組、一半橋雙向轉換電路以及一濾波電感，該電容組與該半橋雙向轉換電路連接，該濾波電感與該半橋雙向轉換電路連接；該控制器與該直流電源、該直流/交流轉換器以及該主動式電源補償器連接，該控制器係偵測該直流電源的直流電力與該交流側的交流電力，並依據偵測結果控制該半橋雙向轉換電路的切換，促使該電容組交互地進行充電與放電以產生一補償電流，該補償電流經由該濾波電感輸送至該直流側，藉以補償該直流側所產生的紋波成分，以穩定該直流電源所輸出予該直流/交流轉換器的直流電力。

本發明另提供一種主動式電源補償電路包括一直流電源、一直流/交流轉換器、一主動式電源補償器以及一控制器。該直流電源用以輸出一直流電力；該直流/交流轉換器具有一直流側以及一交流側，該直流側與該直流電源耦接以接收該直流電力，用以將該直流電力轉換為一交流 電力後，於該交流側輸出該交流電力；該主動式電源補償器與該直流/交流轉換器的直流側耦接，該主動式電源補償器包含一電容組、一升降壓雙向轉換電路以及一濾波電感，該電容組與該升降壓雙向轉換電路連接，該濾波電感與該升降壓雙向轉換電路連接；該控制器與該直流電源、該直流/交流轉換器以及該主動式電源補償器連接，該控制器係偵測該直流電源的直流電力與該交流側的交流電力，並依據偵測結果控制該升降壓雙向轉換電路的導通與截止，促使該電容組交互地進行充電與放電以產生一補償電流，該補償電流經由該濾波電感輸送至該直流側，藉以補償該直流側所產生的紋波成分，以穩定該直流電源所輸出予該直流/交流轉換器的直流電力。

本發明另提供一種主動式電源補償電路，包括一交流電源、一交流/直流轉換器、一主動式電源補償器以及一控制器。該交流電源用以輸出一交流電力；該交流/直流轉換器具有一交流側以及一直流側，該交流側與該交流電力源耦接以接收該交流電力，用以將該交流電力轉換為一直流電力後，於該直流側輸出該直流電力；該主動式電源補償器與該交流/直流轉換器的直流側連接；該控制器與該交流電源、該交流/直流轉換器以及該主動式電源補償器連接；藉此，該控制器係偵測該交流電源的交流電力與該直流側的直流電力，並依據偵測結果控制該主動式電源補償器輸出一補償電流至該直流側，藉以補償該直流側所產生的紋波成分，以穩定該直流側所輸出的直流電力。

本發明之效果在於，透過該主動式電源補償器適時地提供補償電流，可補償直流/交流轉換器或交流/直流轉換器之直流側的紋波成分，進而能夠穩定轉換器之直流側的直流電力。

100‧‧‧主動式電源補償電路

10‧‧‧直流電源

20‧‧‧直流/交流轉換器

22‧‧‧直流側

24‧‧‧交流側

30‧‧‧主動式電源補償器

32‧‧‧半橋雙向轉換電路

40‧‧‧控制器

50‧‧‧負載

60‧‧‧主動式電源補償器

62‧‧‧升降壓雙向轉換電路

200‧‧‧主動式電源補償電路

210‧‧‧交流電源

220‧‧‧交流/直流轉換器

222‧‧‧交流側

224‧‧‧直流側

230‧‧‧主動式電源補償器

232‧‧‧全橋雙向轉換電路

240‧‧‧控制器

C‧‧‧電容組

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

i_dc‧‧‧直流電流

i_s‧‧‧電源電流

i_o‧‧‧輸出電流

i_apf‧‧‧補償電流

S1‧‧‧第一電晶體

S2‧‧‧第二電晶體

S3‧‧‧第三電晶體

S4‧‧‧第四電晶體

圖1係本發明一較佳實施例之主動式電源補償電路架構圖。

圖2係本發明之半橋雙向轉換電路的電路圖。

圖3係本發明之直流/交流轉換器直流側的電流時序圖。

圖4係本發明另一較佳實施例之升降壓雙向轉換電路的電路圖。

圖5係本發明另一較佳實施例之主動式電源補償電路架構圖。

圖6係本發明之全橋雙向轉換電路的電路圖。

圖7係本發明之交流/直流轉換器直流側的電流時序圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後，請參圖1所示，為本發明一較佳實施例之主動式電源補償電路100包括有一直流電源10、一直流/交流轉換器20、一主動式電源補償器30以及一控制器40。其中：該直流電源10用以提供一直流電力，該直流電源10可以是太陽能板、燃料電池或是水力發電裝置等綠色能源裝置，而在本實施例中，該直流電源10為一太陽能板。當然在其他實際應用上，當然也可使用其他可提供直流電力的裝置應用於該直流電源10。

該直流/交流轉換器20具有一直流側22以及一交流側24。該直流側22與該直流電源10耦接，以接收該 直流電源10所輸出的直流電力；該直流/交流轉換器20用以將該直流電力轉換為一交流電力後，於該交流側24輸出該交流電力。其中，該交流側24連接有一負載50，該負載50可接收該交流電力的電能而將其轉換為其他形式的能量使用；該負載50可以是直接使用該交流電力的用電負載，例如市電電網；或者是用以儲存該交流電力的儲能負載，例如儲能電池系統。

該主動式電源補償器30係與該直流/交流轉換器20的直流側22耦接，請配合圖2所示，該主動式電源補償器30包含有一電容組、一半橋雙向轉換電路32以及一濾波電感L。該電容組包含有一第一電容C1以及一第二電容C2，且該第一電容C1以及該第二電容C2分別具有一第一端以及一第二端；該半橋雙向轉換電路32包含有一第一電晶體S1以及一第二電晶體S2，該第一、第二電晶體S1,S2分別具有一第一端以及一第二端。其中，該第一電晶體S1的第一端與該第一電容C1的第一端連接，該第一電晶體S1的第二端與該第二電晶體S2的第一端連接；該第二電晶體S2的第二端與該第二電容C2的第二端連接；該第一電容C1的第二端與該第二電容C2的第一端連接。該濾波電感L一端與該直流/交流轉換器20的直流側22連接，另一端與該第一電晶體S1的第二端連接。

該控制器40分別與該直流電源10、該直流/交流轉換器20以及該主動式電源補償器30連接，該控制器40係偵測該直流電源10的直流電力以及該直流/交流轉換器20的交流電力，並且依據能量守恆定理，交流側24之功率近似等於直流側22之功率，再依據偵測結果控制該半橋雙向轉換電路32的切換，促使該電容組交互地進行充電與放電，以產生一補償電流供予該直流側22，以補償該直流 側22所產生的兩倍頻紋波。

更詳而言之，該控制器30係依據偵測交流側24的輸出電流i_o與輸出電壓Vo，以及偵測直流側22的電源電壓Vs；或者是偵測該直流電源10的電源電壓Vs與電源電流i_s以及偵測該直流/交流轉換器20所接收的直流電流i_dc之數值，再依據偵測結果計算出所需的補償電流。

舉例來說，請復參照圖1所示，該直流側22的輸入電流i_dc與該補償電流i_apf以及該電源電流i_s具有以下的關係式：i_s=i_dc+i_apf。如要使得該電源電流i_s盡可能地平穩而不受到交流側24的紋波成分所影響，該控制器30係依據直流電流i_dc的波形，以對應的PWM訊號控制該半橋雙向轉換電路32的第一電晶體S1以及第二電晶體S2依序切換導通與截止，使得第一電容C1與第二電容C2交互地進行充放電，據以產生補償電流i_apf，而該補償電流i_apf再經由該濾波電感L輸送至該直流側22，以補償該直流側22所產生的紋波成分。請參閱圖3所示，在理想的情況下，輸入電流i_dc與補償電流i_apf相加後，即可濾除直流側22的二次紋波電流，而可得到穩定的電源電流i_s，換言之，即穩定該直流電源10所輸出予該直流/交流轉換器20的直流電力。

是以，藉由補償/濾除轉換器直流側的二次紋波成分，進而避免直流電源承受額外的紋波功率影響，因此，具有提升綠色能源裝置使用壽命的顯著功效。除此之外，更可以有效地提升綠色能源裝置的功率因數、以及降低每單位能源成本的有益效果。

此外，於另一較佳實施例之主動式電源濾波電路中，與前述實施例的不同之處在於，請參閱圖4所示，該主動式電源補償器60包含有一電容組C、一升降壓雙線轉 換電路62以及一濾波電感L。該電容組C為一電容，該升降壓雙線轉換電路62包括該第一電晶體S1與該第二電晶體S2。該第一電晶體S1、該第二電晶體S2以及該電容組C之電容分別具有一第一端以及一第二端，該第一電晶體S1的第一端與該第二電晶體S2的第二端連接，該第一電晶體S1的第二端與該電容組C之電容的第二端及該直流側22的負端直接連接；該第二電晶體S2的第一端與該電容組C之電容的第一端直接連接；該濾波電感L一端連接該第一電晶體S1的第一端。

是以，在圖1架構中的主動式電源補償器30，亦可係替換為上述圖4的主動式電源補償器60架構，該主動式電源補償器60係與該直流/交流轉換器20的直流側22耦接，而該濾波電感L的另一端則連接於該直流/交流轉換器20的直流側22的正端。其中，該控制器40控制該主動式電源補償器60與控制該主動式電源補償器30的方式與原理大致相同，同樣是依據該直流電源10直流電力與該直流/交流轉換器20之交流側24的交流電力，並依據偵測結果控制該第一電晶體S1與該第二電晶體S2的導通與截止，促使該電容組C交互地進行充放電以產生一補償電流i_apf，而該補償電流i_apf再經由該濾波電感L輸送至該直流側22，藉以補償該直流側22所產生的紋波成分，進而穩定該直流電源10所輸出予該直流/交流轉換器20的直流電力，而同樣可達到與上述實施例相同的效果，於此不再贅述。

請參閱圖5所示，為本發明再一實施例之主動式電源補償電路200，包括有一交流電源210、一交流/直流轉換器220、一主動式電源補償器230以及一控制器240。其中：該交流電源210用以提供一交流電力，該交流 電源210同樣可以是太陽能板、燃料電池或是水力發電裝置等綠色能源裝置，而在本實施例中，該交流電源210為一太陽能板。當然在其他實際應用上，當然也可使用其他可提供交流電力的裝置應用於該交流電源210。

該交流/直流轉換器220具有一交流側222以及一直流側224，該交流側222與該交流電源210耦接，以接收該交流電源所輸出的交流電力，該交流/直流轉換器220用以將該交流電力轉換為一直流電力後，於該直流側224輸出該直流電力。其中，該直流側224連接有一負載250，該負載250可以是直接使用該直流電力的用電負載，或指涉用以儲存該直流電力的儲能負載。

該主動式電源補償器230與該交流/直流轉換器220的直流側耦接。請配合圖6所示，該主動式電源補償器230包含有一電容組C、一全橋雙向轉換電路232以及一濾波電感L。該全橋雙向轉換電路232包含有一第一電晶體S1、一第二電晶體S2、一第三電晶體S3以及一第四電晶體S4，且各該電晶體S1~S4分別具有一第一端以及一第二端；其中，該第一電晶體S1的第一端與該第三電晶體S3的第一端連接，該第一電晶體S1的第二端與該第二電晶體S2的第一端連接；該第二電晶體S2的第二端與該第四電晶體S4的第二端連接；該第三電晶體S3的第二端與該第四電晶體S4的第一端連接；該電容組C的一端與該第一電晶體S1的第一端連接，另一端與該第二電晶體S2的第二端連接；該濾波電感L的一端連接該第一電晶體S1的第二端，另一端連接該直流側224的正端。

復參圖5所示，該控制器240係分別與該交流電源210、該交流/直流轉換器220以及該主動式電源補償器30連接，該控制器240係偵測該交流側222的交流電力與 該直流側224的直流電力，再依據偵測結果輸出一PWM訊號控制該全橋雙向轉換電路232的切換，促使該電容組C交互地進行充電與放電，以產生一補償電流經由該濾波電感L輸送至直流側224，以補償該直流側224所產生的兩倍頻紋波。

舉例來說該直流側224的直流電流i_dc、該輸出電流i_o以及該補償電流i_apf具有以下的關係式：i_o=i_dc+i_apf。而為了使得輸出電流i_o盡可能平穩而不受到交流側222的紋波成分所影響，該控制器230係依據該直流電流i_dc的波形，給予對應的補償電流。即，依據偵測結果，輸出對應的PWM訊號控制該全橋雙向轉換電路232的各電晶體S1~S4的切換，促使該電容組C交互地進行充電與放電以產生該補償電流i_apf。例如：輸出PWM訊號交互地控制(1)該第一、第四電晶體S1,S4導通與第二、第三電晶體S2,S3截止，使該電容組C進行放電；以及控制(2)該第二、第三電晶體S2,S3導通與第一、第四電晶體S1,S4截止，使該電容組C進行放電，以產生對應的補償電流i_apf。請參閱圖7所示，直流電流i_dc經由補償電流i_apf的補償後，即可得到穩定的輸出電流i_s。

另外，上述實施例中主動式電源補償器230除了以圖6的架構實現之外，亦可替換圖2之主動式電源補償器30的電路架構，或者是圖4之主動式電源補償器60的電路架構來連接。而同樣可由該控制器240控制主動式電源補償器中電晶體的切換，進而使電容組交互地進行充放電，以產生補償電流來補償直流側的二次紋波成分。

綜上所述，本發明之主動式電源補償器可適用於直流-交流或者是交流-直流的單級轉換系統中，以提供轉換器額外補償電流的方式，補償/濾除轉換器直流側的二次 紋波成分，進而避免綠色能源裝置承受額外的紋波功率影響，具有提升綠色能源裝置使用壽命的顯著功效。除此之外，更可以有效地提升綠色能源裝置的功率因數、以及降低每單位能源成本的有益效果。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

100‧‧‧主動式電源補償電路

10‧‧‧直流電源

20‧‧‧直流/交流轉換器

22‧‧‧直流側

24‧‧‧交流側

30‧‧‧主動式電源補償器

40‧‧‧控制器

50‧‧‧負載

Claims (4)

1. 一種主動式電源補償電路，包括：一直流電源，用以輸出一直流電力；一直流/交流轉換器，具有一直流側以及一交流側，該直流側與該直流電源耦接以接收該直流電力，用以將該直流電力轉換為一交流電力後，於該交流側輸出該交流電力；其中，該直流側具有一正端與一負端；一主動式電源補償器，與該直流/交流轉換器的直流側耦接，該主動式電源補償器包含一電容、一升降壓雙向轉換電路以及一濾波電感，該電容與該升降壓雙向轉換電路連接，該濾波電感與該升降壓雙向轉換電路連接；以及一控制器，與該直流電源、該直流/交流轉換器以及該主動式電源補償器連接，該控制器係偵測該直流電源的直流電力與該交流側的交流電力，並依據偵測結果控制該半橋雙向轉換電路的導通與截止，促使該電容交互地進行充電與放電以產生一補償電流，該補償電流經由該濾波電感輸送至該直流側，其中，該補償電流係用以補償該直流側所產生之兩倍頻紋波電流者；其中，該升降壓雙向轉換電路包含一第一電晶體以及一第二電晶體，該第一電晶體、該第二電晶體以及該電容分別具有一第一端以及一第二端，該第一電晶體的第一端與該第二電晶體的第二端連接，該第一電晶體的第二端與該電容的第二端及該直流側的負端直接連接；該第二電晶體的第一端與該電容的第一端直接連接；該濾波電感一端 連接該直流/交流轉換器的直流側的正端，另一端連接該第一電晶體的第一端。
2. 如請求項1所述之主動式電源補償電路，其中該控制器係偵測該交流側之交流電力的電壓與電流，以及偵測該直流側之直流電力的電壓，再依據偵測結果輸出一PWM訊號以控制該升降壓雙向轉換電路的切換。
3. 如請求項1所述之主動式電源補償電路，其中該控制器係偵測該直流電源之直流電力的電壓與電流，以及偵測該直流/交流轉換器所接收之直流電力中的電流，再依據偵測結果輸出一PWM訊號以控制該升降壓雙向轉換電路的切換。
4. 一種主動式電源補償電路，包括：一交流電源，用以輸出一交流電力；一交流/直流轉換器，具有一交流側以及一直流側，該交流側與該交流電力源耦接以接收該交流電力，用以將該交流電力轉換為一直流電力後，於該直流側輸出該直流電力；其中，該直流側具有一正端與一負端；一主動式電源補償器，與該交流/直流轉換器的直流側連接；一控制器，與該交流電源、該交流/直流轉換器以及該主動式電源補償器連接；藉此，該控制器係偵測該交流電源的交流電力與該直流側的直流電力，並依據偵測結果控制該主動式電源補償器輸出一補償電流至該直流側，其中，該補償電流係用以補償該直流側所產生之兩倍頻紋波電流者； 其中，該主動式電源補償器包含一電容、一升降壓雙向轉換電路以及一濾波電感，該電容與該升降壓雙向轉換電路連接，該濾波電感與該升降壓雙向轉換電路連接；該控制器係依據偵測結果切換該升降壓雙向轉換電路，使得該電容交互地進行充電與放電以產生該補償電流，該補償電流經由該濾波電感輸送至該直流側；其中，該升降壓雙向轉換電路包含一第一電晶體以及一第二電晶體；該第一電晶體、該第二電晶體以及該電容分別具有一第一端以及一第二端，該第一電晶體的第一端與該第二電晶體的第二端連接，該第一電晶體的第二端與該電容的第二端及該直流側的負端直接連接；該第二電晶體的第一端與該電容的第一端直接連接；該濾波電感一端連接該交流/直流轉換器的直流側的正端，另一端連接該第一電晶體的第一端。