TWI578687B - 三相換流裝置及其控制方法與並聯式電源轉換系統 - Google Patents

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Description

三相換流裝置及其控制方法與並聯式電源轉換系統
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三相換流裝置及其控制方法與並聯式電源轉換系統。
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。
對於現有的電源轉換系統而言，為了能夠實現穩定的電源供給與轉換，換流器的可靠度即是相當重要的設計考量因素。然而，受限於工作環境因素與控制干擾等非預期影響，任何換流器設計皆無法百分之百確保其運作是不會發生故障的。此外，為了因應現今負載容量逐漸增大的趨勢，電力轉換器亦必須相對地增大其容量，才能符合各種應用上的需求。
為了要降低因換流器故障而造成電力停止供應的風險，在現有的應用中提出有以多台換流器並聯的電源轉換系統架構，使得其中一台換流器故障時，其他換流器能繼續工作。然而，在現有的並聯式電源轉換系統中，一般會因各台換流器的輸出電流不一致而有環流的問題產生，從而造成系統運作不穩定。
此外，由於三相換流器的電感值並非固定不變，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。
本發明提供一種三相換流裝置及其控制方法與並聯式電源轉換系統，其可解決先前技術所述及之問題。
本發明的三相換流器的控制方法適於控制具有多個開關組、第一電感、第二電感以及第三電感的三相換流器，其中控制方法包括以下步驟：獲得直流鏈電壓、第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓與分別流經第一電感、第二電感以及第三電感的第一相電流、第二相電流以及第三相電流；獲得第一電感、第二電感以及第三電感的電感值，其中所述多個電感值分別反應於第一相電流、第二相電流及第三相電流產生變化；依據直流鏈電壓、所述多個相電壓、所述多個相電流的電流變化量、所述多個電感值以及基於正弦脈衝寬度調變的切換週期，以分切合整控制手段計算出多個開關責任比；以及基於所述多個開關責任比產生對應的控制訊號以控制所述多個開關組的切換。
在本發明一實施例中，獲得第一電感、第二電感以及第三電感的電感值的步驟包括：讀取指示不同電流準位與電感值之對應關係的查找表；以及從查找表選取符合第一相電流、第二相電流及第三相電流的數值作為第一電感、第二電感以及第三電感的電感值。
在本發明一實施例中，三相換流器具有直流端與三相電源端，控制方法更包括以下步驟：當三相換流器操作於第一操作模式時，基於計算出的所述多個開關責任比提供所述多個控制訊號，藉以令直流端的電能反應於所述多個開關組的切換而轉換並提供至三相電源端；以及當三相換流器操作於第二操作模式時，基於計算出的所述多個開關責任比提供所述多個控制訊號，藉以令三相電源端的電能反應於所述多個開關組的切換而轉換並提供至直流端。
在本發明一實施例中，以分切合整控制手段計算出所述多個開關責任比的步驟包括：建立關聯於各開關組之平均狀態電壓的等效迴路方程式；基於等效迴路方程式獲得所述多個開關組基於正弦脈衝寬度調變下的多個分切合整控制方程式；以及將直流鏈電壓、所述多個相電壓、所述多個電流變化量以及切換週期分別代入所述多個分切合整控制方程式，藉以計算出所述多個開關責任比。
在本發明一實施例中，等效迴路方程式以 表示之，其中， 為各開關組的平均狀態電壓， 為各電感的電感值， 為各相電流， 為各相電壓，以及 為中性點電壓。
在本發明一實施例中，分切合整控制方程式以 ； ；以及 表示之，其中 、 及 分別為第一開關責任比、第二開關責任比及第三開關責任比， 、 及 分別為第一電感、第二電感及第三電感的電感值， 、 及 分別為第一相電流、第二相電流及第三相電流於切換週期內的電流變化， 為切換週期， 為直流鏈電壓，以及 、 及 分別為第一相電壓、第二相電壓及第三相電壓。
在本發明一實施例中，基於等效迴路方程式獲得所述多個開關組基於正弦脈衝寬度調變下的所述多個分切合整控制方程式的步驟包括：依據等效迴路方程式建立三相換流器的電流源模型並且計算各開關組的工作點；依據電流源模型計算控制器增益；以及基於控制器增益與各開關組的工作點建立所述多個分切合整控制方程式。
本發明的三相換流裝置包括三相換流器、驅動電路以及控制器。三相換流器具有多個開關組、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提供多個控制訊號來控制三相換流器。控制器耦接至驅動電路，藉以控制驅動電路的運作，其中控制器獲得直流鏈電壓、第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓、第一相電流、第二相電流以及第三相電流以及第一電感、第二電感以及第三電感的電感值，再依據直流鏈電壓、所述多個相電壓、所述多個相電流的電流變化量、所述多個電感值以及基於正弦脈衝寬度調變的切換週期，以分切合整控制手段計算出多個開關責任比。控制器基於所述多個開關責任比控制驅動電路產生對應的控制訊號以控制所述多個開關組的切換。所述多個電感值分別反應於第一相電流、第二相電流及第三相電流產生變化。
在本發明一實施例中，控制器包括儲存單元。儲存單元儲存有指示不同電流準位與電感值之對應關係的查找表，當控制器以分切合整控制手段計算所述多個開關責任比時，控制器讀取儲存單元的查找表，藉以從查找表選取符合第一相電流、第二相電流及第三相電流的數值作為第一電感、第二電感以及第三電感的電感值。
在本發明一實施例中，三相換流裝置更包括第一回授電路以及第二回授電路。第一回授電路，耦接控制器與三相換流器的三相電源端，用以從三相電源端取樣所述多個相電壓與所述多個相電流的電流變化量，並且將取樣到的所述多個相電壓與所述多個電流變化量提供給控制器。第二回授電路，耦接控制器與三相換流器的直流端，用以從直流端取樣直流鏈電壓，並且將取樣到的直流鏈電壓提供給控制器。
在本發明一實施例中，控制器建立基於正弦脈衝寬度調變下的多個分切合整控制方程式，並且將直流鏈電壓、所述多個相電壓、所述多個電流變化量以及切換週期分別代入所述多個分切合整控制方程式，藉以計算出所述多個開關責任比。
本發明的並聯式電源轉換系統包括多個如前所述之三相換流裝置，其中各三相換流器的直流端相互並接，並且各三相換流器的三相電源端相互並接。
在本發明一實施例中，所述多個三相換流裝置其中之一為主換流裝置，並且其餘所述多個三相換流裝置為從屬換流裝置。主換流裝置依據直流端上的直流鏈電壓進行穩壓控制，藉以產生對應的控制訊號控制主換流裝置的三相換流器，以維持直流鏈電壓的電壓準位。所述從屬換流裝置依據直流端上的直流鏈電流及所述多個三相換流裝置的數量進行均流控制，藉以計算各所述從屬換流裝置所需補償的電流大小，並且據以產生對應的控制訊號控制各所述從屬換流裝置的三相換流器。
在本發明一實施例中，各三相換流裝置係獨立地追蹤本身之電流命令，藉以抑制各三相換流裝置之間的環流。
基於上述，本發明提出一種三相換流裝置及其控制方法與並聯式電源轉換系統，所述控制方法可依據三相換流器的運作資訊，採用基於正弦脈衝寬度調變的分切合整控制手段計算出三相換流器中之各開關組的開關責任比。藉此，應用本案控制方法的三相換流器即可因應電感變化的情況做出對應的控制調整，進而避免市電諧波造成失真。此外，由於本案的控制方法並不須如傳統控制手段須進行abc轉dq軸之繁複運算，因此可簡化轉換處理流程。再者，由於本案是基於SPWM的調變方式而將三相換流器之各相迴路視為獨立迴路進行分析並據以推算出D-Σ控制法則，在應用本案的三相換流裝置構成並聯式電源轉換系統時，各台三相換流裝置可獨自追蹤本身的參考電流命令，從而令並聯式電源轉換系統的環流問題可被有效地抑制。
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。
為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例的三相換流裝置的架構示意圖。請參照圖1，三相換流裝置100包括三相換流器110、驅動電路120、控制器130、第一回授電路140以及第二回授電路150。
在本實施例中，三相換流器110是以包括開關組M1~M6以及電感L R、L S及L T（底下所述各電感之電感值同樣以標號L R、L S及L T表示）的全橋式換流器架構作為範例進行說明，但本發明不僅限於此。在其他實施例中，三相換流器110亦可為半橋式換流器架構，或是其他類型之換流器架構。三相換流器110具有直流端DCT與三相電源端R、S、T，其中開關組M1與M2相互串接以組成橋臂（bridge arm）BA1，開關組M3與M4相互串接以組成橋臂BA2，並且開關組M5與M6相互串接以組成橋臂BA3。各組橋臂BA1~BA3的輸入端相互耦接以作為直流端DCT耦接至前端的直流負載（例如太陽能電池）以接收/輸出直流鏈電壓v DC。各組橋臂BA1~BA3的輸出端分別耦接電感L R、L S及L T的一端，電感L R、L S及L T的另一端則作為三相電源端R、S、T耦接至交流電路ACC（例如為市電或其他交流電源）中的三相電源。其中，電源端R與中性點N之間的跨壓即為相電壓v RN，電源端S與中性點N之間的跨壓即為相電壓v SN，且電源端T與中性點N之間的跨壓即為相電壓v TN。
在三相換流器110的運作中，開關組M1~M6會分別受控於對應的控制訊號S1~S6而切換導通狀態。開關組M1、M3及M5分別作為橋臂BA1~BA3中的上臂（upper arm），並且開關組M2、M4及M6分別作為橋臂BA1~BA3中的下臂（lower arm）。其中，同一橋臂BA1~BA3中的上臂開關（如M1、M3、M5）與下臂開關（如M2、M4、M6）會接收到互補的控制訊號，使得同一橋臂BA1~BA3中的開關組交替地導通（例如開關組S1與S2會交替導通、開關組S3與S4會交替導通、開關組S5與S6會交替導通），從而依據直流鏈電壓v DC在橋臂BA1~BA3的輸出端上分別產生狀態電壓u R、u S及u T。電感L R、L S及L T會分別反應於狀態電壓u R、u S及u T的變化而儲能或釋能，進而在電感L R、L S及L T上分別產生相電流i LR、i LS及i LT。藉此，三相換流器110即可將電力在直流端DCT與三相電源端R、S、T之間轉換。
控制器130耦接至驅動電路120，並用以計算/獲得三相換流器110的開關組M1~M6於弦波脈衝寬度調變（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）下之開關責任比（duty ratio），據以控制驅動電路320產生對應的控制訊號S1~S6來驅動三相換流器310的各開關組M1~M6。
第一回授電路140耦接控制器130與三相換流器110的三相電源端R、S、T。第一回授電路140可用以從三相電源端R、S、T取樣相電壓v RN、v SN及v TN與相電流i LR、i LS及i LT的電流變化量（底下以Δi LR、Δi LS及Δi LT表示之），並且將取樣到的相電壓v RN、v SN及v TN與相電流i LR、i LS及i LT的電流變化量提供給控制器130。第二回授電路150耦接控制器130與三相換流器110的直流端DCT。第二回授電路150可用以從直流端DCT取樣直流鏈電壓v DC，並且將取樣到的直流鏈電壓v DC提供給控制器130。
本實施例的三相換流器110可因應電源轉換的應用需求而操作於市電並聯模式與整流兼功因修正等兩種不同的模式下。
當三相換流器110操作於市電並聯模式時，驅動電路120會基於控制器130所計算出的開關責任比來提供控制訊號S1~S6，藉以令直流端DCT的電能反應於開關組M1~M6的切換而轉換並提供至三相電源端R、S、T。舉例來說，以太陽能電源轉換系統為例。在市電並聯模式下，當太陽能板將所取得的電力儲存於太陽能電池（未繪示）時，負載可透過三相換流器110之直流端DCT提供直流鏈電壓v DC給三相換流器110，使得三相換流器110在其三相電源端R、S、T提供電力至市電配電網。
在此應用中，三相換流器110可在太陽能輸入能量大於負載所吸收的能量進而造成直流鏈電壓v DC升高時，以市電並聯模式運作，藉以將多餘的能量饋入市電，並對輸入市電的電流波形進行調節，達到穩定輸入市電電流之電力品質。
當三相換流器110操作於整流兼功因修正模式時，驅動電路120會基於控制器130所計算出的開關責任比來提供控制訊號S1~S6，藉以令三相電源端R、S、T的電能反應於開關組M1~M6的切換而轉換並提供至直流端DCT。換言之，在整流兼功因修正模式下，市內配電網的電力可透過三相換流器110傳送至直流端DCT所連接的負載。
同樣在太陽能電源轉換系統的應用中，三相換流器110可在太陽能輸入能量小於直流端DCT負載所需的能量進而造成執流鏈電壓v DC下降時，以整流兼功因修正模式運作，藉以將市電能量饋入至直流端DCT，並且對市電輸出的電流波形進行調節，改善其電流諧波成分。
具體而言，本案的驅動電路120與控制器130會經配置以執行如圖2所示之控制方法步驟流程，藉以產生對應的控制訊號S1~S6來控制三相換流器110的運作。其中，圖2為本發明一實施例的三相換流器的控制方法的步驟流程圖。
請同時參照圖1與圖2，在本案的控制方法中，首先，控制器130會從第一回授電路140與第二回授電路150獲得直流鏈電壓v DC、相電壓v RN、v SN及v TN與相電流i LR、i LS及i LT的電流變化量等電壓與電流資訊（步驟S210）。接著，控制器130會進一步基於獲得的電壓與電流資訊，取得隨相電流i LR、i LS及i LT產生變化的電感值L R、L S及L T（步驟S220）。其後，控制器130會依據直流鏈電壓v DC、相電壓v RN、v SN及v TN、相電流變化量Δi LR、Δi LS及Δi LT、電感值L R、L S及L T以及基於SPWM的切換週期，以分切合整（division-summation，D-Σ）控制手段計算出多個開關責任比（步驟S230）。驅動電路120則會進一步基於控制器130所計算出的開關責任比產生對應的控制訊號S1~S6來控制開關組M1~M6的切換（步驟S240）。
更具體地說，所述的D-Σ控制手段係將每一切換週期內之電感值L R、L S及L T視為變數，並且同時省略傳統的abc至dq軸轉換的繁複運算，從而直接對電感L R、L S及L T之去磁方向定義開關切換策略的控制法則。因此，所述的D-Σ控制手段可具備快速動態響應及零穩態誤差的特性。其中，後續實施例會對所述基於SPWM之D-Σ控制手段做進一步說明。
在所述的D-Σ控制手段下，電感L R、L S及L T的電感值非為定值，而是會被視為隨相電流i LR、i LS及i LT改變之變數。在本實施例中，設計者可基於電感L R、L S及L T的電感值與不同電流準位的相電流i LR、i LS及i LT之間的對應關係建立一查找表LUT，並將所述查找表LUT儲存於控制器130內部的儲存單元132中。藉此，在三相換流器110運作時，控制器130即可在從第一回授電路140接收到相電流i LR、i LS及i LT後讀取查找表LUT，並且在每一切換週期內根據接收到的相電流資訊而從查找表LUT選取符合相電流i LR、i LS及i LT之電流大小的數值作為電感L R、L S及L T的電感值。
附帶一提的是，上述將電感值與電流變化關係記錄於查找表LUT的實施方式僅係實現本案的D-Σ控制手段的一應用，本發明不以此為限。在其他實施例中，電感L R、L S及L T的電感值與相電流i LR、i LS及i LT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。
在本實施例中，基於SPWM之D-Σ控制手段會先將三相換流器110視為受控體，並將其建模成電流源進行分析，再根據電流源模型以D-Σ控制手段設計控制器的增益函數，進而獲得輸出脈衝寬度調變的責任比率控制法則。底下以圖3與圖4實施例來進一步說明本案的基於SPWM之D-Σ控制手段的具體推導過程。其中，圖3為本發明一實施例的三相換流器的等效電路示意圖。圖4為本發明一實施例的三相換流裝置的系統控制方塊圖。
根據圖1所繪示之三相換流器110的架構，三相換流器110的架構可等效為圖3上部所繪示之等效電路模型。其中， 、 及 為切換週期內的平均狀態電壓。
此外，由於橋臂BA1與電感L R、橋臂BA2與電感L S及橋臂BA3與電感L T可視為三個獨立的迴路，因此圖3上部之等效電路又可進一步等效為圖3下部之等效電路。基於克西荷夫定律可建立出圖3下部之等效電路的等效迴路方程式如下：
（1）
在式（1）中， 為三橋臂BA1~BA3的平均狀態電壓， 為電感值， 為相電流， 為相電壓，以及 為平均中性點電壓，其中X可為R、S或T相。
按照狀態空間平均法，平均狀態電壓 可表示成開關責任比乘上直流鏈電壓v DC。另一方面，中性點電壓v NO的電壓值會因為開關狀態的不同而改變，分別為v DC、2v DC/3、v DC/3、0，因此將其在一切換週期T S平均後可得到平均中性點電壓 等於係數k乘上直流鏈電壓v DC，其中k值介於0至1之間。由於本實施例係的控制手段係以SPWM為基礎，因此k值為0.5（在三相四線半橋換流器架構中，上、下半部電容的電壓則分別為0.5v DC）。基於上述，式（1）可進一步表示為數位化/離散化的狀態方程式如下：
（2）
在式（2）中係將式（1）的 以離散的形式表示，其中T S為切換週期， d X為開關責任比， 為相電流在一個切換週期T S內的電流變化量。
此外，開關責任比d X可另以下式表示：
（3）
在式（3）中，D X為開關責任比d X的工作點，並且 為開關責任比d X的小訊號變化量。其中，工作點Dx可藉由令式（2）的變化量為零而得出，如下式：
（4）
接著，為了求出開關責任比d X的小訊號變化量 必須先找出受控體增益與系統前饋量。於此所定義之受控體增益為電流變化量Δi LX對開關責任比d X的比值。而於此所定義之系統前饋量則包含有電流變化量Δi LX對相電壓vXN進行偏微分之結果，以及電流變化量Δi LX對直流鏈電壓v DC進行偏微分之結果。其中，所述受控體增益與系統前饋量可以下式表示：
（5）
（6）
（7）
其中G P為受控體增益，G F1為關聯於相電壓v X的前饋量，並且G F2為關聯於直流鏈電壓v DC的前饋量。基於上述的受控體增益G P與前饋量G F1與G F2，可進一步得出三相換流器110的電流源模型。
請參照圖4，三相換流器110的電流源模型如圖4的電力級部分所示。得出上述電流源模型後，可進一步藉D-Σ控制法則來設計控制器130。此控制法則係透過消除掉切換週期T S、電感值L X及直流鏈電壓v DC等系統參數對輸出電流的影響，使電感電流變化量Δi LX對回授電流誤差量i e（即，參考電流I ref減去回授電流i fb）的比率為1，亦即單位增益。其物理意義表示相電流i LX能精確地追蹤到下一切換週期的電流命令。於此，控制器增益係定義為開關責任比d X對電流誤差量i e的比值。此外，為了符合D-Σ控制的精神，控制器增益需與受控體增益G P互為倒數。基於上述，可推導出控制器增益如下式：
（8）
求得控制器增益G C後，即可以得出整體的系統控制方塊圖，如圖4之控制級部分所示。根據圖4與式（8）所求出之控制器增益G C，小訊號變化量 可表示如下：
（9）
求出開關責任比的小訊號變化量 之後，再加上先前所求得之開關責任比工作點D X，即可求出基於SPWM下之D-Σ控制手段的開關責任比d X可以利用方程式表示如下：
（10）
其中，以R、S、T取代式（10）之X，即可得到各橋臂BA1~BA3之開關組M1~M6基於SPWM下的D-Σ控制方程式：
（11）
（12）
（13）
上述推導出的D-Σ控制方程式（11）~（13）會被內建於控制器130中，使得三相換流裝置100於運作時，控制器130可根據取樣到的電流及電壓資訊以及查表得出的電感值資訊，進而計算出橋臂BA1~BA3的開關責任比d R、d S及d T，並且發出對應的指令來控制驅動電路120，使得驅動電路120根據計算出的開關責任比d R、d S及d T產生對應的控制訊號S1~S6來控制開關組M1~M6的切換。
於此值得一提的是，上述推導係為表彰本案所採用之用以計算開關責任比的D-Σ控制方程式之特性，本案的控制方法不僅限於以上述方式所推導出。在其他實施例中，設計者亦可從式（2）直接推導出式（11）~（13）的D-Σ控制方程式。換言之，只要是將三相換流器110的各相迴路視為獨立迴路進行分析，並據以建立關聯於各開關組M1~M6之平均狀態電壓的等效迴路方程式，再基於所述等效迴路方程式獲得開關組M1~M6基於SPWM下的D-Σ控制方程式，並以D-Σ控制方程式來計算出三相換流器110的開關責任比，即屬於本案之D-Σ控制手段之範疇。另外，只要三相換流器110之控制係依據所述D-Σ控制方程式進行開關組的切換，即屬於本案之三相換流裝置100之範疇。於此合先敘明。
相較於傳統的三相換流器控制而言，以上述基於SPWM的D-Σ控制方程式計算開關責任比來控制三相換流器110之特點在於可省略abc至dq軸轉換處理，因此三相換流器110可不受市電電壓諧波失真及市電電壓不平衡的限制。此外，由於三相換流器110係被建立為電流源模型，並且控制器增益與受控體增益被設計為乘積為1，因此可以抵消實體電路參數對受控體的影響，還能允許寬廣的電感值變化並且能使電感電流精確地追蹤到下一週期的電流命令。
此外，相較於兩相調變（two phase modulation，TPM）或空間向量調變（space voltage pulse width modulation，SVPWM）的D-Σ控制手段而言，由於本案的控制方法是將三相換流器110之各相迴路視為獨立迴路進行分析，因此在各相輸出之間較為平衡，而不會互相影響。因此，當應用本案的三相換流裝置100於多換流器並聯之電源轉換系統時，可使得各迴路之間的環流/零序電流有效地被抑制，使得電路運作更趨穩定。
底下以圖5實施例對由多部換流器並聯組成之並聯式電源轉換系統架構做進一步說明。其中，圖5為本發明一實施例的並聯式電源轉換系統的架構示意圖。
請參照圖5，並聯式電源轉換系統50係包括N台三相換流裝置500_1~500_n，其中n為可由系統設計者自行定義之大於或等於2之正整數。各台三相換流裝置500_1~500_n的基本架構與控制方法如前述圖1至圖4實施例所示，於此不再贅述。
在本實施例中，各台三相換流裝置500_1~500_n的直流端DCT相互並接，藉以共同接收/輸出直流鏈電壓v DC，並且各台三相換流裝置500_1~500_n的三相電源端R、S、T相互並接（即，三相換流裝置500_1~500_n的電源端R耦接在一起，三相換流裝置500_1~500_n的電源端S耦接在一起，並且三相換流裝置500_1~500_n的電源端T耦接在一起），藉以將三相電源提供至後端的交流電路ACC，或從交流電路ACC接收三相電源並據以進行電源轉換。
具體而言，在本實施例之一範例中，並聯式電源轉換系統50可設計為主從式的控制架構藉以實現均流控制。換言之，在主從式控制架構的範例中，所述多台三相換流裝置500_1~500_n之其中一台會被定義為主換流裝置，並且其餘的三相換流裝置500_1~500_n會被定義為從屬換流裝置。於此假設以三相換流裝置500_1作為主換流裝置，並且三相換流裝置500_2~500_n作為從屬換流裝置，以對整體系統控制機制作進一步說明。
在本實施例中，主換流裝置500_1會依據直流端DCT上的直流鏈電壓v DC進行穩壓控制，藉以產生對應的控制訊號來控制其三相換流器以維持直流鏈電壓v DC的電壓準位。另一方面，從屬換流裝置500_2~500_n會依據直流端DCT上的直流鏈電壓v DC以及系統內的三相換流裝置500_1~500_n的數量進行均流控制，藉以計算各從屬換流裝置500_2~500_n所需補償的電流大小，並且據以產生對應的控制訊號控制各從屬換流裝置500_2~500_n的三相換流器。換言之，在主從式的控制架構中，主換流裝置係負責輸出電壓調節之工作，而從屬換流裝置則是負責追蹤由主換流裝置所送出的電流命令，藉以實現均流控制而令各部三相換流裝置500_1~500_n的輸出功率可趨近相當。
除此之外，在一般多台換流器並聯的電源轉換系統中，由於各台換流器之輸出電流大小難以一致，因此通常系統中的各台換流器之間會有不平衡電流產生，此即系統中的環流。在本實施例的並聯式電源轉換系統50中，由於各台三相換流裝置500_1~500_n是採用SPWM的調變方式，將三相換流器之各相迴路視為獨立迴路進行分析，並且各台三相換流裝置500_1~500_n係獨立地追蹤本身之電流命令。因此，各台三相換流裝置500_1~500_n之間的環流可被有效地抑制。
綜上所述，本發明提出一種三相換流裝置及其控制方法與並聯式電源轉換系統，所述控制方法可依據三相換流器的運作資訊，採用基於SPWM的D-Σ控制手段計算出三相換流器中之各開關組的開關責任比。藉此，應用本案控制方法的三相換流器即可因應電感變化的情況做出對應的控制調整，進而避免市電諧波造成失真。此外，由於本案的控制方法並不須如傳統控制手段須進行abc轉dq軸之繁複運算，因此可簡化轉換處理流程。再者，由於本案是基於SPWM的調變方式而將三相換流器之各相迴路視為獨立迴路進行分析並據以推算出D-Σ控制法則，在應用本案的三相換流裝置構成並聯式電源轉換系統時，各台三相換流裝置可獨自追蹤本身的參考電流命令，從而令並聯式電源轉換系統的環流問題可被有效地抑制。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
50‧‧‧並聯式電源轉換系統
100、500_1~500_n‧‧‧三相換流裝置
110‧‧‧三相換流器
120‧‧‧驅動電路
130‧‧‧控制器
132‧‧‧儲存單元
140‧‧‧第一回授電路
150‧‧‧第二回授電路
BA1~BA3‧‧‧橋臂
ACC‧‧‧交流電路
D‧‧‧延遲量
DCT‧‧‧直流端
DX‧‧‧開關責任比的工作點
dX‧‧‧開關責任比
‧‧‧開關責任比的小訊號變化量
GC‧‧‧控制器增益
GF1、GF2‧‧‧前饋量
GP‧‧‧受控體增益
H‧‧‧回授量
Iref‧‧‧參考電流
ie‧‧‧回授電流誤差量
ifb‧‧‧回授電流
iLR、iLS、iLT、iLX‧‧‧相電流
ΔiLR、ΔiLS、ΔiLT、ΔiLX‧‧‧相電流的電流變化量
LR、LS、LT‧‧‧電感/電感值
LUT‧‧‧查找表
M1~M6‧‧‧開關組
N‧‧‧中性點
R、S、T‧‧‧三相電源端
S1~S6‧‧‧控制訊號
S210~S240‧‧‧步驟
TS‧‧‧切換週期 uR、uS、uT‧‧‧狀態電壓
、 、 、 ‧‧‧平均狀態電壓
vDC‧‧‧直流鏈電壓
vRN、vSN、vTN、vXN‧‧‧相電壓
‧‧‧平均中性點電壓
圖1為本發明一實施例的三相換流裝置的架構示意圖。 圖2為本發明一實施例的三相換流器的控制方法的步驟流程圖。 圖3為本發明一實施例的三相換流器的等效電路示意圖。 圖4為本發明一實施例的三相換流裝置的系統控制方塊圖。 圖5為本發明一實施例的並聯式電源轉換系統的架構示意圖。
S210~S240‧‧‧步驟

Claims (13)

  1. 一種三相換流器的控制方法，適於控制具有多個開關組、一第一電感、一第二電感以及一第三電感的三相換流器，其中該控制方法包括：獲得一直流鏈電壓、一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓與分別流經該第一電感、該第二電感以及該第三電感的一第一相電流、一第二相電流以及一第三相電流；獲得該第一電感、該第二電感以及該第三電感的電感值，其中該些電感值分別反應於該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流產生變化；依據該直流鏈電壓、該些相電壓、該些相電流的電流變化量、該些電感值以及基於一正弦脈衝寬度調變的一切換週期，以一分切合整控制手段計算出多個開關責任比；以及基於該些開關責任比產生對應的控制訊號以控制該些開關組的切換；其中該獲得該第一電感、該第二電感以及該第三電感的電感值的步驟包括：讀取指示不同電流準位與電感值之對應關係的一查找表；以及從該查找表選取符合該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流的數值作為該第一電感、該第二電感以及該第三電感的電感值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的三相換流器的控制方法，其中該三相換流器具有一直流端與一三相電源端，該控制方法更包括：當該三相換流器操作於一第一操作模式時，基於計算出的該些開關責任比提供該些控制訊號，藉以令該直流端的電能反應於該些開關組的切換而轉換並提供至該三相電源端；以及當該三相換流器操作於一第二操作模式時，基於計算出的該些開關責任比提供該些控制訊號，藉以令該三相電源端的電能反應於該些開關組的切換而轉換並提供至該直流端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的三相換流器的控制方法，其中以該分切合整控制手段計算出該些開關責任比的步驟包括：建立關聯於各該開關組之平均狀態電壓的一等效迴路方程式；基於該等效迴路方程式獲得該些開關組基於正弦脈衝寬度調變下的多個分切合整控制方程式；以及將該直流鏈電壓、該些相電壓、該些電流變化量以及該切換週期分別代入該些分切合整控制方程式，藉以計算出該些開關責任比。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的三相換流器的控制方法，其中該等效迴路方程式以下式表示之： 其中，為各該開關組的平均狀態電壓，L x 為各該電感的電感值，i LX 為各該相電流，v XN 為各該相電壓，以及為一中性點電壓。
  5. 一種三相換流器的控制方法，適於控制具有多個開關組、一第一電感、一第二電感以及一第三電感的三相換流器，其中該控制方法包括：獲得一直流鏈電壓、一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓與分別流經該第一電感、該第二電感以及該第三電感的一第一相電流、一第二相電流以及一第三相電流；獲得該第一電感、該第二電感以及該第三電感的電感值，其中該些電感值分別反應於該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流產生變化；依據該直流鏈電壓、該些相電壓、該些相電流的電流變化量、該些電感值以及基於一正弦脈衝寬度調變的一切換週期，以一分切合整控制手段計算出多個開關責任比；以及基於該些開關責任比產生對應的控制訊號以控制該些開關組的切換；其中以該分切合整控制手段計算出該些開關責任比的步驟包括：建立關聯於各該開關組之平均狀態電壓的一等效迴路方程式；基於該等效迴路方程式獲得該些開關組基於正弦脈衝寬度調 變下的多個分切合整控制方程式；以及將該直流鏈電壓、該些相電壓、該些電流變化量以及該切換週期分別代入該些分切合整控制方程式，藉以計算出該些開關責任比；其中該些分切合整控制方程式以下式表示之： ；以及 其中d R 、d S 及d T 分別為一第一開關責任比、一第二開關責任比及一第三開關責任比，L R 、L S 及L T 分別為該第一電感、該第二電感及該第三電感的電感值，△i LR 、△i LS 及△i LT 分別為該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流於該切換週期內的電流變化，T s 為該切換週期，v DC 為該直流鏈電壓，以及v RN 、v SN 及v TN 分別為該第一相電壓、該第二相電壓及該第三相電壓。
  6. 一種三相換流器的控制方法，適於控制具有多個開關組、一第一電感、一第二電感以及一第三電感的三相換流器，其中該控制方法包括：獲得一直流鏈電壓、一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓與分別流經該第一電感、該第二電感以及該第三電感的一第一相電流、一第二相電流以及一第三相電流； 獲得該第一電感、該第二電感以及該第三電感的電感值，其中該些電感值分別反應於該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流產生變化；依據該直流鏈電壓、該些相電壓、該些相電流的電流變化量、該些電感值以及基於一正弦脈衝寬度調變的一切換週期，以一分切合整控制手段計算出多個開關責任比；以及基於該些開關責任比產生對應的控制訊號以控制該些開關組的切換；其中以該分切合整控制手段計算出該些開關責任比的步驟包括：建立關聯於各該開關組之平均狀態電壓的一等效迴路方程式；基於該等效迴路方程式獲得該些開關組基於正弦脈衝寬度調變下的多個分切合整控制方程式；以及將該直流鏈電壓、該些相電壓、該些電流變化量以及該切換週期分別代入該些分切合整控制方程式，藉以計算出該些開關責任比；其中基於該等效迴路方程式獲得該些開關組基於正弦脈衝寬度調變下的該些分切合整控制方程式的步驟包括：依據該等效迴路方程式建立該三相換流器的一電流源模型並且計算各該開關組的一工作點；依據該電流源模型計算一控制器增益；以及 基於該控制器增益與各該開關組的工作點建立該些分切合整控制方程式。
  7. 一種三相換流裝置，包括：一三相換流器，具有多個開關組、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提供多個控制訊號來控制該三相換流器；以及一控制器，耦接至該驅動電路，藉以控制該驅動電路的運作，其中該控制器獲得一直流鏈電壓、一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓、該第一相電流、該第二相電流以及該第三相電流以及該第一電感、該第二電感以及該第三電感的電感值，再依據該直流鏈電壓、該些相電壓、該些相電流的電流變化量、該些電感值以及基於一正弦脈衝寬度調變的一切換週期，以一分切合整控制手段計算出多個開關責任比，其中，該控制器基於該些開關責任比控制該驅動電路產生對應的控制訊號以控制該些開關組的切換，其中，該些電感值分別反應於該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流產生變化，其中該控制器包括：一儲存單元，該儲存單元儲存有指示不同電流準位與電感值之對應關係的一查找表，當該控制器以該分切合整控制手段計算 該些開關責任比時，該控制器讀取該儲存單元的查找表，藉以從該查找表選取符合該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流的數值作為該第一電感、該第二電感以及該第三電感的電感值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的三相換流裝置，更包括：一第一回授電路，耦接該控制器與該三相換流器的一三相電源端，用以從該三相電源端取樣該些相電壓與該些相電流的電流變化量，並且將取樣到的該些相電壓與該些電流變化量提供給該控制器；以及一第二回授電路，耦接該控制器與該三相換流器的一直流端，用以從該直流端取樣該直流鏈電壓，並且將取樣到的該直流鏈電壓提供給該控制器。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的三相換流裝置，其中該控制器建立基於正弦脈衝寬度調變下的多個分切合整控制方程式，並且將該直流鏈電壓、該些相電壓、該些電流變化量以及該切換週期分別代入該些分切合整控制方程式，藉以計算出該些開關責任比。
  10. 一種三相換流裝置，包括：一三相換流器，具有多個開關組、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提供多個控制訊號來控制該三相換流器；以及 一控制器，耦接至該驅動電路，藉以控制該驅動電路的運作，其中該控制器獲得一直流鏈電壓、一第一相電壓、一第二相電壓以及一第三相電壓、該第一相電流、該第二相電流以及該第三相電流以及該第一電感、該第二電感以及該第三電感的電感值，再依據該直流鏈電壓、該些相電壓、該些相電流的電流變化量、該些電感值以及基於一正弦脈衝寬度調變的一切換週期，以一分切合整控制手段計算出多個開關責任比；其中，該控制器基於該些開關責任比控制該驅動電路產生對應的控制訊號以控制該些開關組的切換；其中，該些電感值分別反應於該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流產生變化；其中該控制器建立基於正弦脈衝寬度調變下的多個分切合整控制方程式，並且將該直流鏈電壓、該些相電壓、該些電流變化量以及該切換週期分別代入該些分切合整控制方程式，藉以計算出該些開關責任比；其中該些分切合整控制方程式以下式表示之： ；以及 其中d R 、d S 及d T 分別為一第一開關責任比、一第二開關責任 比及一第三開關責任比，L R 、L S 及L T 分別為該第一電感、該第二電感及該第三電感的電感值，△i LR 、△i LS 及△i LT 分別為該第一相電流、該第二相電流及該第三相電流於該切換週期內的電流變化，T s 為該切換週期，v DC 為該直流鏈電壓，以及v RN 、v SN 及v TN 分別為該第一相電壓、該第二相電壓及該第三相電壓。
  11. 一種並聯式電源轉換系統，包括：多個如申請專利範圍第7項所述的三相換流裝置，其中各該三相換流器的直流端相互並接，並且各該三相換流器的三相電源端相互並接。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的並聯式電源轉換系統，其中該些三相換流裝置其中之一為主換流裝置，並且其餘該些三相換流裝置為從屬換流裝置，該主換流裝置依據該直流端上的該直流鏈電壓進行一穩壓控制，藉以產生對應的控制訊號控制該主換流裝置的三相換流器，以維持該直流鏈電壓的電壓準位，以及所述從屬換流裝置依據該直流端上的一直流鏈電流及該些三相換流裝置的數量進行一均流控制，藉以計算各所述從屬換流裝置所需補償的電流大小，並且據以產生對應的控制訊號控制各所述從屬換流裝置的三相換流器。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的並聯式電源轉換系統，其中各該三相換流裝置係獨立地追蹤本身之電流命令，藉以抑制各該三相換流裝置之間的環流。
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