TWI571026B - Decentralized load current sensing system - Google Patents

Description

分散式負載電流感測系統

本發明係有關係一種主動電力濾波系統，尤指一種用以補償各負載支路之諧波訊號與虛功之分散式負載電流感測系統。

近來隨著科技的進步，大量的非線性負載裝置被使用，諸如變頻器、照明設備等，用以提升了效能與便利性，卻也帶來了諸多電力汙染的問題，其中以諧波問題最為嚴重，而為了改善諧波問題，一般均會裝置電力濾波器來解決此一問題。

而電力濾波器大致可分為被動式電力濾波器與主動式電力濾波器，其中被動式電力濾波器主要由電感與電容相組成，具有結構簡單與成本低的優點，但其缺點卻有其體積與重量大，只能消除固定諧波，功率因素改善有限，且容易與電力系統產生共振的缺點；而主動電力濾波器則能有效的抑制所有電流諧波成分同時還能改善電源側的功率因素，因此考量到一般系統的需求，並為了提高其可靠度、大容量及系統的擴充性，大多會採用主動式電力濾波器，配合多個小容量主動電力濾波器並聯運轉，其配置方式如第一圖之系統方塊圖所示。

習知應用於並聯運轉的主動電力濾波器技術中，主要可分為幾種，包括平行獨立偵測法、負載電流分配法、多組補償不同頻率電流法、多組不同切換頻率法及負載資訊傳輸控制方法等方法，各種主動電力濾波器的控制方法皆有其優缺點存在，舉例而言，如第二圖之系統方塊圖所示，該負載資訊傳輸控制方法係將主動電力濾波裝置分別設置於不同的負載支路上，且每一個主動電力濾波器除了將獨自運作補償諧波電流及虛功，可以利用電力網路直接進行資訊傳輸，連結溝通每個主動電力濾波器，而使不同負載支路上的主動濾波器能相互補償，提升系統效益，但其缺點是分 散式的主動電力濾波器會造成保養及管理上的不便之外，主動電力濾波器的諧波補償功能具有衰減電力網路傳輸訊息的能力；而前述的各種主動電力濾波器除本身自有的優缺點外，更要注意的部分是其集中式管理與分散式管理存在性的問題

而所謂集中式管理，如第三圖之系統方塊圖所示，係將所有的主動電力濾波器安置於電力輸入端的電力機房之後，於負載支路之前和主電力幹線並聯相接，因此架構簡單且管理容易，而且合適的裝置環境有助於主動電路濾波器的使用壽命，但集中式管理會發生僅在電力輸入端與主動電力濾波器裝置間的主幹線是乾淨的電力網路，而主動電力濾波器裝置之後的電力網路仍然是受諧波汙染的電力網路，集中式主動電力濾波器主要是偵測主電力幹線上的總負載電流來做為諧波補償資料訊習，但是總負載電流會因為負載端電力設備的使用情況，可能從幾安培到數千安培甚至於上萬安培，此時負載電流感測器因為偵測的範圍過大，導致精確性會有一定的誤差產生；而分散式管理，如第四圖之系統方塊圖所示，其優點是彌補上述集中式管理的缺點，整個電力網路會比較純淨，但是主動電力濾波器分散式管理，除了安裝空間環境的不穩定因素之外，幾乎每一台主動電力濾波器僅能控制一個負載支路，如果相互間還要補償支援，還需要繁複的訊號處理與傳輸，使得整個系統架構變得很複雜，導致管理與保養上的不便性，嚴重者甚至可能引導出主動電力濾波器的使用壽命的問題產生。

針對上述之缺失，本發明之主要目的在於提供一種分散式負載電流感測系統，係將負載電流感測裝置直接架構於負載支路上，選擇符合負載支路電流工作範圍之電流感測器，增加量測之精密度，並回傳其感測之電流訊號回報主動電力濾波裝置，致使主動電路濾波裝置集中管理且能對各個負載支路提供更精確之補償分量，且經由資訊傳輸使得每個主動電力濾波裝置與各個負載支路之補償量達到最佳分配，以產生最大的系統效益，使該主動電力濾波系統兼具集中式管理與分散式管理之優點，不僅能提供一個乾淨電力網路，更達到管理簡及增加主動電力濾波裝置之使用 壽命。

為達成上述之目的，本發明係主要提供一種分散式負載電流感測系統，係用以連接於電力輸入端之後，該電力輸入端係電性連接一主電力幹線，該主電力幹線係分別電性連接至少一負載支路，該系統係包括一電力匯流排、一主動電力濾波裝置及一負載電流感測裝置，其中該電力匯流排係電性連接該主電力幹線，該主動電力濾波裝置係電性連接該電力匯流排，該主動電力濾波裝置更包括一訊號處理單元、一驅動電路單元及一功率單元且彼此電性連接，而該負載電流感測裝置係電性連接於該負載支路上，該負載電流感測裝置更包括一控制單元及一負載電流感測單元且彼此電性連接，該負載電流感測單元用以感測該負載支路之負載電流感測訊號並回傳該訊號至控制單元後再傳至該主動電力濾波裝置，藉由該主動電力濾波裝置產生一與負載支路之諧波訊號與振幅大小相同但相位相反之補償訊號，經由電力匯流排經由電力主幹線傳送至負載支路，以補償各負載支路之諧波訊號與虛功。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

100‧‧‧電力輸入端

101‧‧‧主電力幹線

A、B、C‧‧‧負載支路

2‧‧‧電力匯流排

3、3A、3B、3C‧‧‧主動電力濾波裝置

31‧‧‧電流和電壓感測單元

32‧‧‧訊號處理單元

33‧‧‧驅動電路單元

34‧‧‧功率單元

35‧‧‧儲能單元

36‧‧‧輸出濾波單元

4、4A、4B、4C‧‧‧負載電流感測裝置

41、41A、41B、41C‧‧‧控制單元

42‧‧‧負載電流感測單元

43、43A、43B、43C‧‧‧通訊單元

A、B、C‧‧‧支路負載

5‧‧‧擴充功率單元

第一圖係為習知之系統方塊圖。

第二圖係為習知之系統方塊圖。

第三圖係為習知之系統方塊圖。

第四圖係為習知之系統方塊圖。

第五圖係為本發明之系統方塊圖。

第六圖係為本發明之另一實施例系統方塊圖。

第七圖係為本發明之又一實施例系統方塊圖。

第八圖係為本發明之再一實施例系統方塊圖。

請參閱第五圖，係為本發明之系統方塊圖。如圖所示，本實施例係以一對多之型態呈現，本發明之分散式負載電流感測系統係架設於一電力輸入端100之後，該電力輸入端100係電性連接一主電力幹線101， 該主電力幹線101係分別電性連接複數負載支路A、B及C，本實施例中該主電力幹線101所連接之負載支路不限於本實施例所揭露之內容，該主電力幹線101係電性連接一電力匯流排2，該電力匯流排2再電性連接一主動電力濾波裝置3，其中該主動電力濾波裝置3內更分別包括一電流和電壓感測單元31、一訊號處理單元32、一驅動電路單元33、一功率單元34、一儲能單元35以及一輸出濾波單元36且彼此電性連接，而於各負載支路A、B及C上分別電性連接一負載電流感測裝置4，將該些負載電流感測裝置4直接架構於各負載支路A、B及C，以降低該些負載電流感測裝置4偵測範圍，其中各負載電流感測裝置4內更包括一控制單元41、一負載電流感測單元42及一通訊單元43，該控制單元41係分別電性連接該負載電流感測單元42及通訊單元43，該負載電流感測單元42係用以感測各負載支路A、B及C之負載電流數據，而該控制單元41係用以接收該負載電流數據後，再經由該通訊單元43傳送至該主動電力濾波裝置3，另該通訊單元43之通訊傳輸格式可為無線通訊系統，例如WIFI或藍芽等無線型式傳輸模式，也可為有線通訊系統，如RS232、RS484等有線型式傳輸模式以進行資訊傳輸；最後，各負載電流感測裝置4再分別電性連接對用於各負載支路A、B及C之支路負載A、B及C。

續參閱第五圖。本發明於習知技術最大不同之處，就是直接於各負載支路A、B及C上裝設獨立之負載電流感測裝置4，藉此降低該負載電流感測裝置4需要偵測之範圍，經由其中之負載電流感測單元42收集其負載電流數據後，經由控制單元41將其數據經由通訊單元43傳送至負責控制所有負載支路A、B及C之主動電力濾波裝置3上，該主動電力濾波裝置3將接收到之各負載支路A、B及C之負載電流訊號進行解析，由電流和電壓感測單元31接收電力輸入端之電壓訊號與補償電流之回授訊號，之後透過訊號處理單元32之運算與處理，並發送該運送結果至該驅動電路單元33，再由該驅動電路單元33驅動該功率單元34，由功率單元34產生與各負載支路A、B及C之諧波訊號與振幅大小相同但相位相反之補償訊號，並控制該儲能單元35及輸出濾波單元36進行輸出動作，經由電力匯流排2經由主電力幹線101傳送到各負載支路A、B及C，以補償各負載支路 A、B及C之諧波訊號與虛功，藉此獲得精確度較高之感測訊號，使得諧波補償更適時及精確。

請參閱第六圖，係為本發明之另一實施例系統方塊圖。如圖所示，本實施例係以多對多之型態呈現，該電力匯流排2係分別電性連接複數之主動電力濾波裝置3A、3B及3C，而該主電力幹線101係分別電性連接複數負載支路A、B及C，各負載支路A、B及C分別電性連接一負載電流感測裝置4A、4B及4C，最後各負載電流感測裝置4A、4B及4C再分別電性連接支路負載A、B及C，其中各負載電流感測裝置4A、4B及4C係分別電性連接相對應之主動電力濾波裝置3A、3B及3C；其中各負載電流感測裝置4A、4B及4C分別透過內部之負載電流感測單元42A、42B及42C感測其負載電流數據回傳至各控制單元41A、41B及41C，之後由各控制單元41A、41B及41C將其數據透過通訊單元43A、43B及43C分別回傳其數據至各對應之主動電力濾波裝置3A、3B及3C進行解析，最後各主動電力濾波裝置3A、3B及3C經由電力匯流排2經由電力主幹線101傳送到各負載支路A、B及C，以補償各負載支路A、B及C之諧波訊號與虛功。

請參閱第七圖，係為本發明之又一實施例系統方塊圖。如圖所示，於本實施例係以多對一並行運轉之型態呈現，本實施例中該電力匯流排2係分別電性連接複數之主動電力濾波裝置3A、3B及3C，而該主電力幹線101係電性連接複數負載支路A，該負載支路A電性連接一負載電流感測裝置4，其中該負載電流感測裝置4透過內部之負載電流感測單元42感測其負載電流數據，之後透過通訊單元43回傳其數據至對應之複數主動電力濾波裝置3A、3B及3C進行解析，由各電流和電壓感測單元31接收電力輸入端之電壓訊號與補償電流之回授訊號，再依接收到之不同回授訊號進行解析，由各主動電力濾波裝置3A、3B及3C經由電力匯流排2經由電力主幹線101傳送到負載支路A，以進行對負載支路A不同程度之諧波訊號與虛功，以滿足其負載支路A之補償需求。

請參閱第八圖，係為本發明之再一實施例系統方塊圖。如圖所示，於該電力匯流排2更電性連接至少一擴充功率單元5，於本實施例中該電力匯流排2係電性連接複數組擴充功率單元5，該些擴充功率單元5再電性連接於該主動電力濾波裝置3之訊號處理單元32；由於考量到各負載 支路A、B及C滿載情形下，該主動電力濾波器3之最大輸出補償容量不足以滿足各負載支路A、B及C滿載情況下之需求容量，反而造成系統補償能力的失效，因此該主動電力濾波裝置3經由各負載支路A、B及C之負載電流感測裝置4A、4B及4C傳送所感測到之負載電流訊號，經解析出基頻訊號與諧波訊號，再經由訊號處理單元32運算與處理，若發生主動電力濾波器3補償容量不足以滿足其中一負載支路A之需求容量時，該主動電力濾波器3之訊號處理單元32則會開啟多功率單元模式，依據該訊號處理單元32計算出需求補償容量，並產生驅動該些擴充功率單元5之驅動訊號，以驅動該些擴充功率單元5產生與負載支路A諧波訊號固定、比例振幅但相位相反之補償訊號，最後透過電力匯流排2經由電力主幹線101傳送到負載支路A，以補償支路A所需之諧波訊號與虛功。

惟以上所述之實施方式，是為較佳之實施實例，當不能以此限定本發明實施範圍，若依本發明申請專利範圍及說明書內容所作之等效變化或修飾，皆應屬本發明下述之專利涵蓋範圍。

100‧‧‧電力輸入端

101‧‧‧主電力幹線

A、B、C‧‧‧負載支路

2‧‧‧電力匯流排

3‧‧‧主動電力濾波裝置

31‧‧‧電流和電壓感測單元

32‧‧‧訊號處理單元

33‧‧‧驅動電路單元

34‧‧‧功率單元

35‧‧‧儲能單元

36‧‧‧輸出濾波單元

4‧‧‧負載電流感測裝置

41‧‧‧控制單元

42‧‧‧負載電流感測單元

43‧‧‧通訊單元

A、B、C‧‧‧支路負載

Claims (6)

1. 一種分散式負載電流感測系統，係用以連接於電力輸入端之後，該電力輸入端係電性連接一主電力幹線，該主電力幹線係分別電性連接至少一負載支路，該系統係包括：一電力匯流排，係電性連接該主電力幹線；一主動電力濾波裝置，係電性連接該電力匯流排，該主動電力濾波裝置更包括：一訊號處理單元，係用以解析所接收之訊號並發送一訊號；一驅動電路單元，係與該訊號處理單元電性連接，用以接收該訊號處理單元之訊號，並依其訊號發送一驅動訊號；一功率單元，係與該驅動電路單元電性連接，用以接收該驅動訊號並產生一補償訊號；一負載電流感測裝置，係電性連接於所述至少一負載支路上的各個負載處，該負載電流感測裝置更包括一控制單元及一負載電流感測單元，該控制單元與該負載電流感測單元係彼此電性連接，該負載電流感測單元用以感測該負載支路之負載電流感測訊號並回傳該訊號至控制單元後再傳至該主動電力濾波裝置；藉由該主動電力濾波裝置產生一與負載支路之諧波訊號與振幅大小相同但相位相反之補償訊號，經由電力匯流排經由電力主幹線傳送至負載支路，以補償各負載支路之諧波訊號與虛功；其中，該控制單元更電性連接一通訊單元，係用以接收控制單元之訊號並傳送至該主動電力濾波裝置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之分散式負載電流感測系統，其中該電力匯流排更連接一擴充功率單元，該擴充功率單元更電性連接於該訊號處理單元，用以接收該訊號處理單元所傳送之訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之分散式負載電流感測系統，其中該通訊單元之通訊傳輸格式係為無線通訊系統。
4. 如申請專利範圍第3項所述之分散式負載電流感測系統，其中該通訊單元係為WIFI或藍芽無線型式傳輸模式之任一種。
5. 如申請專利範圍第1項所述之分散式負載電流感測系統，其中該通訊單元之通訊傳輸格式係為有線通訊系統。
6. 如申請專利範圍第5項所述之分散式負載電流感測系統，其中該通訊單元係為RS232或RS484有線型式傳輸模式之任一種。