TWI600247B - 負載不平衡之補償轉換方法 - Google Patents

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Description

負載不平衡之補償轉換方法
本發明係關於一種三相轉換器模組的補償轉換方法，特別是當三   相轉換器模組中負載不平衡時，用以對輸出電壓進行補償轉換之負載不平衡之補償轉換方法。
隨著發生過能源危機以及伴隨著科技的進步，能源的永續運用及解決能源危機的問題，使得再生能源的研究與應用變得相當熱門，再生能源中常見的風力發電及太陽能發電，具有間歇性與不穩定等特性，提供在微電網系統中的能量，常常是不連續且會造成系統三相不平衡之現象，需要透過電力轉換器模組搭配儲能系統來調控微電網系統中的功率潮流作有效的運用。
微電網系統中除了再生能源及負載外，電力轉換器模組也扮演著不可或缺的角色，除了提高微電網系統的電力品質，也可以調節系統中能量的供需平衡。當再生能源或其他能源提供的能量大於負載需求時，可以將能量藉由儲能系統儲存。一旦當再生能源不足或需要儲能系統提供能量時，儲能系統可以透過電池模組放電，以提供能量。
當微電網系統中，負載有不平衡現象時，經常會使微電網電壓不平衡，進而導致整體系統無法順利運作。現在市面上常見的電力轉換器模組，主要著重在三相三臂的控制方法以改善微電網系統間之不平衡，例如：中華民國專利證書號I488415揭露一三相前饋式電感電流控制裝置及其控制法，藉由加入電感電流變化的考量，重新推導出不同於傳統3DSVM 的控制法則，並且可使功率因素於0~1超前或落後；中華民國專利證書號I513154揭露可允許電感值變化之換流器負載阻抗估測控制方法，透過三相電壓的即時取樣，並結合前一週期的電壓補償量，進而預測下一週期的電壓補償量，達到預測出下一週期之四個開關元件組之開關責任比率之目的，並且，在計算與預測的過程中，在估測負載阻抗之變化時，同時將輸出電感的感值變化納入預測所採用的矩陣方程式之中，而無需透過派克轉換坐標來計算控制法則，可以避開派克轉換所面臨的限制，可以解決向量空間脈寬調變所具有的缺陷。上述的習知技術皆是採用三維空間向量調變法作為切換開關的控制策略，此一方法具有運算複雜，及與弦波脈寬調變法(SPWM)相比，具有總諧波失真較大的缺點。
另外，中華民國專利證書號I362803揭露三相交流穩壓器，提出一種成本較低的三相交流穩壓器，用於對三相交流電網的相電壓進行穩壓處理，包括有取樣電路、參考電壓供應電路、比較電路、開關電路、工作電壓供應電路及補償電路，而I362803係採用運算放大器、三極管、電阻、電容等電子元件所構成之比較電路及開關電路，以控制補償電路，但I362803需要額外的硬體電路才可以穩定電壓；中華民國專利證書號I416839揭露不平衡電壓補償方法、不平衡電壓補償裝置、三相轉換器之控制方法、及三相轉換器之控制裝置，提出一種能在市電不平衡時，藉由偵測市電端的三相電壓進行運算，並對三相交流電壓進行補償，以穩定直流端電壓的電力轉換器，但I416839需要對市電端進行相序分析，所以有著運算量大之缺點，且只能用在交流轉直流的情況。
上述習知的控制方法，在設計上皆較為複雜，使得用於控制的數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)需要消耗更多的處理時間，或是使用更高效能的數位訊號處理器才可以有效進行控制，但卻會降低整體系統的運作效率。且習知的控制方法所導致的不平衡電流系統，並無法完全處理，當負載不平衡更為嚴重時，會造成更不平衡的三相電壓，導致微電網系統無法有效運作。
再者，請參照第一圖所示，在傳統的電力轉換器孤島運轉定電壓控制方法，主要是先讀取三相輸出電壓訊號V a、V b、V c，再經過派克轉換(Park's Transformation)轉換成直-交(d-q)軸訊號，再利用一運算單元10使參考電壓V ref減去d-軸訊號，接著藉由一比例積分補償控制器12作補償，補償後再藉由反派克轉換轉換回三相訊號至一PWM控制器14中，以輸出PWM控制訊號控制電力轉換器中的絕緣閘雙極電晶體(圖中未示)，並讓電力轉換器可以穩定電壓輸出。但此一孤島運轉定電壓控制方法遇到不平衡的負載時，卻會導致輸出電壓具有不平衡的現象。
有鑑於上述的困擾，本發明針對電力轉換器模組及遇到負載不平衡時，設計出一套新的負載不平衡之補償轉換方法。
本發明之主要目的係在提供一種負載不平衡之補償轉換方法，在與習知相同的硬體架構下，本發明開發出計算更為精簡且更可用於改善三相負載不平衡，以及降低總諧波失真的控制方法，藉此降低數位訊號處理器的處理時間，並且得以提升整體系統的運作效率，大大地有效改善因負載不平衡，而導致電壓不平衡的現象。
本發明之另一目的係在提供一種負載不平衡之補償轉換方法，即便在硬體架構上，選擇成本較低、運算處理速度較慢的數位訊號處理器，也能因精簡的計算執行有效的補償轉換方法，以控制及改善不平衡負載的三相輸出電壓，更能為使用者降低數位訊號處理器的選購成本，或是降低電力轉換器模組的開發時程。
為了達到上述目的，本發明提供一種負載不平衡之補償轉換方法，主要係應用在一三相轉換器模組中，電壓補償方法包含有下列步驟：(a)先取得一參考電壓，並且利用參考電壓與三相輸出電壓訊號的差值，對應取得出三相訊號；(b)再將三相訊號進行補償，以取得三相補償訊號；(c)接著將三相補償訊號乘上三相待補償電壓訊號，以取得三相修正電壓訊號；(d)將三相修正電壓訊號與三相待補償電壓訊號一同相加，以取得三相輸出補償電壓訊號；(e)最後可以輸出三相輸出補償電壓訊號。
在本發明中，上述的三相待補償電壓訊號係藉由下列步驟所產生，讀取三相輸出電壓訊號，並將三相輸出電壓訊號轉換成二坐標軸訊號，以及藉由參考電壓二坐標軸訊號產生差值，接著再經過比例積分(PI)補償控制器作補償後，再轉換成三相待補償電壓訊號。
在本發明中，可以利用比例積分(PI)控制器對三相訊號進行補償計算，且經比例積分控制器計算後，以取得三相補償訊號。同時可以利用脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器，以控制三相輸出補償電壓訊號的輸出。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明的負載不平衡之補償轉換方法，有別於傳統的電力轉換器孤島運轉定電壓控制方法，除了可以改善三相輸出電壓的不平衡，在不平衡負載的條件下，本發明的總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)及三相電壓不平衡比值(Voltage Unbalance Ratio，VUR)具備有更佳的測試結果。
首先，請先參照本發明第二圖所示，本發明的負載不平衡之補償轉換方法係應用於一三相轉換器模組20中，在三相轉換器模組20輸出端的三相負載：a相負載202、b相負載204、c相負載206各自電性連接至一電壓回授電路22，電壓回授電路22再電性連接一微控制器24，微控制器再電性連接一驅動電路25，其係再電性連接至三相轉換器模組20，在本實施例中微控制器24係為數位訊號處理器，而電壓回授電路22係為交流電壓回授電路。更進一步地，請再參照本發明第三圖所示，三相轉換器模組20更可以是一三相四臂的三相轉換器模組，三相轉換器模組20中更包含有複數絕緣閘雙極電晶體、複數電感、複數電容及負載，例如八個絕緣閘雙極電晶體T 1~T 8、四組輸出電感L、L、L、L n、三組輸出電容C、及三組負載Z a、Z b、Z c，在此的三組負載Z a、Z b、Z c等同於第二圖中的a相負載202、b相負載204、c相負載206。
本發明第二圖及第三圖的電路架構係為實施例說明，接著以上述的電路架構為基礎，以先說明本發明負載不平衡之補償轉換方法的設計架構，請參照本發明第四圖所示，第四圖中的設計架構主要係應用在第二圖及第三圖中的微控制器24中，微控制器24的主要運算設計係為一第一運算單元26連接一轉換器28及一第一補償控制器30，第一補償控制器30係連接至一反轉換器32，其係再連接一第二運算單元34及一第三運算單元36，第二運算單元34連接至第二補償控制器38，第二補償控制器38再連接一第四運算單元40，而第三運算單元36則連接至一控制器42。
說明完本發明的硬體架構及主要的運算設計後後，接著說明執行本發明負載不平衡之補償轉換方法的步驟流程，請參照本發明第五圖所示，並請同時參照第四圖。首先，如步驟S10所示，請再一併參考第二圖及第三圖所示，本發明係利用微控制器24中所設定的參考電壓值進行運算，以取得一參考電壓V ref，另外，微控制器24再經由電壓回授電路22以取得三相轉換器模組20中的三組a相負載202、b相負載204、c相負載206 (同負載Z a、Z b、Z c)的三相輸出電壓訊號V an、V bn、V cn，接著將參考電壓V ref及三相輸出電壓訊號V an、V bn、V cn傳輸至第四運算單元40中，並利用第四運算單元40進行運算，以使參考電壓V ref與三相輸出電壓訊號V an、V bn、V cn產生出差值，且利用第四運算單元40所計算出的差值以對應取得三相訊號，接著進入下一步驟。如步驟S12所示，將三相訊號傳輸至第二補償控制器38中，利用第二補償控制器38對三相訊號進行補償，本實施例中第二補償控制器38係為比例積分(PI)補償控制器，其係利用下列公式(1)所組成： (1) 其中， 係為比例積分(PI)補償控制器之比例常數， 係為比例積分(PI)補償控制器之積分常數， 係為轉換變數，因此第二補償控制器38係利用公式(1)對所輸入的三相訊號作計算運算，並透過計算後取得三相補償訊號。
承接上段，並請續參第四圖及第五圖，說明完步驟S12之後，如步驟S14所示，將三相補償訊號及三相待補償電壓訊號傳輸至第二運算單元34進行運算，然而有關三相待補償電壓訊號的產生方式請先參照步驟S30及步驟S32。如步驟S30所示，請一併參照第二圖及第三圖所示，電壓回授電路22係自a相負載202、b相負載204、c相負載206取得三相輸出電壓訊號Van、Vbn、Vcn，接著微控制器24再自電壓回授電路22中讀取三相輸出電壓訊號Van、Vbn、Vcn，並將三相輸出電壓訊號Van、Vbn、Vcn傳輸至轉換器28中進行轉換，本實施例中轉換器28係使用派克轉換(Park's Transformation)的轉換方式，以將三相輸出電壓訊號Van、Vbn、Vcn投影至旋轉的直(d)軸，交(q)軸與垂直於d-q平面的零(0)軸，進而轉換成二坐標軸訊號，其即係為直(d)軸-交(q)軸坐標軸訊號。如步驟S32所示，將轉換後的二坐標軸訊號及參考電壓Vref傳輸至第一運算單元26中進行運算，利用參考電壓Vref與二坐標軸訊號經運算後產生出差值，第一運算單元26再將此差值傳輸至第一補償控制器30中，本實施例的第一補償控制器30亦係為比例積分(PI)補償控制器，其係利用下列公式(2)所組成： 其中，k pv 係為比例積分(PI)補償控制器之比例常數，k iv 係為比例積分(PI)補償控制器之積分常數，S係為轉換變數。第一補償控制器30再利用公式(2)對接收的差值進行補償，補償後再傳輸至反轉換器32中，藉由反轉換器32的反轉換以轉換成三相待補償電壓訊號，本實施例中的反轉換器32係將派克轉換進行逆變換，以執行派克反轉換。說明完三相待補償電壓訊號的產生後，請再回到步驟S14中，在第二運算單元34中，將三相補償訊號乘上三相待補償電壓訊號，以取得三相修正電壓訊號。
說明完步驟S14後，接著進行下一步驟，請續參本發明第四圖及第五圖所示。如步驟S16所示，取得三相修正電壓訊號後，再將三相修正電壓訊號與三相待補償電壓訊號傳輸至第三運算單元36中，利用第三運算 單元36進行運算，將三相修正電壓訊號與三相待補償電壓訊號相加，以取得三相輸出補償電壓訊號。如步驟S18所示，第三運算單元36將三相輸出補償電壓訊號傳輸至控制器42中，本實施例中控制器42係為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器，利用此控制器42控制三相輸出補償電壓訊號，並藉此修正控制器42所輸出的PWM電壓訊號Vout。說明完本發明的步驟流程後，請再參本發明第二圖及第三圖所示，微控制器24經由上述的補償轉換方法可以修正所輸出的PWM電壓訊號Vout，並以控制驅動電路25的輸出訊號，再利用驅動電路25的輸出訊號以各別控制三相轉換器模組20中的絕緣閘雙極電晶體T1~T8，以使整體系統的電壓能夠穩定的輸出。
說明完本發明的步驟流程後，以下提出本案與習知技術的三維空間向量調變法的實施例比較，並請參照本發明第六a圖及第六b圖所示。利用實作測試，在測試條件皆為三相中二相(a相及b相)為3千瓦(kW)，另一相(c相)為10千瓦，三相共16千瓦的三相不平衡電阻性負載作測試，本發明跑出來的實作波形圖如第六a圖所示，而習知技術所跑出來的實作波形圖如第六b圖所示，並各自從波形圖中計算，本發明負載不平衡之補償轉換方法所得到的三相電壓不平衡比值：，而三維空間向量調 變法所得到的三相電壓不平衡比值：，因此可明顯得知本發明的三相電壓不平衡比值更優於三維空間向量調變法。另外再參下表1得知本發明與習知三維空間向量調變法的總諧波失真比較差異： 明顯可以從表1中發現，本發明無論是哪一相輸出電壓所得到的總諧波失真皆小於習知技術的三維空間向量調變法，因此，本發明的負載不平衡之補償轉換方法不僅在設計方法的精簡性優於習知技術，利用此設計方法所所取得的三相電壓不平衡比值及總諧波失真更是優於習知技術。
本發明不限制三相轉換器模組中的各電路元件數量及其連接關係，主要是提供一種在三相轉換器模組負載不平衡時，透過補償轉換方法可以大幅改善三相不平衡負載所導致的電壓不平衡，且另外再透過智能電壓的調控方式，也可以各別控制如三相四臂的電力轉換器之輸出功率，使整體微電網系統保持三相電壓平衡，以改善因負載不平衡所導致微電網故障或異常的情況發生，使微電網系統能持續及順利地有效運作。另外，使用者在選擇如數位訊號處理器的微控制器的種類時，也可以考慮選擇成本較低的微控制器，加上本發明的補償轉換方法，即可比習知技術擁有更好的三相電壓不平衡比值及總諧波失真，藉此可有效減低微電網的建置成本。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍。
10‧‧‧運算單元
12‧‧‧補償控制器
14‧‧‧PWM控制器
20‧‧‧三相轉換器模組
202‧‧‧a相負載
204‧‧‧b相負載
206‧‧‧c相負載
22‧‧‧電壓回授電路
24‧‧‧微控制器
25‧‧‧驅動電路
26‧‧‧第一運算單元
28‧‧‧轉換器
30‧‧‧第一補償控制器
32‧‧‧反轉換器
34‧‧‧第二運算單元
36‧‧‧第三運算單元
38‧‧‧第二補償控制器
40‧‧‧第四運算單元
42‧‧‧控制器
C‧‧‧輸出電容
L、Ln‧‧‧輸出電感
Va、Vb、Vc‧‧‧三相輸出電壓訊號
Van、Vbn、Vcn‧‧‧三相輸出電壓訊號
T1~T8‧‧‧絕緣閘雙極電晶體
Za、Zb、Zc‧‧‧負載
Vout‧‧‧電壓訊號
Vref‧‧‧參考電壓
第一圖為習知孤島運轉定電壓控制方法的方塊示意圖。           第二圖為本發明所應用之硬體架構的方塊示意圖。           第三圖為第二圖之具體實施例的方塊示意圖。           第四圖為本發明進行負載不平衡之補償轉換方法時的方塊示意圖。           第五圖為本發明的流程圖。           第六a圖為利用本發明所作的實作波形圖。           第六b圖為利用習知技術之三維空間向量調變法所作的實作波形圖。
26‧‧‧第一運算單元
28‧‧‧轉換器
30‧‧‧第一補償控制器
32‧‧‧反轉換器
34‧‧‧第二運算單元
36‧‧‧第三運算單元
38‧‧‧第二補償控制器
40‧‧‧第四運算單元
42‧‧‧控制器
Van、Vbn、Vcn‧‧‧三相輸出電壓訊號
Vout‧‧‧電壓訊號
Vref‧‧‧參考電壓

Claims (11)

  1. 一種負載不平衡之補償轉換方法，其係應用於一三相轉換器模組中，且該補償轉換方法包含下列步驟：(a)取得一參考電壓，且利用該參考電壓與三相輸出電壓訊號之差值對應取得三相訊號；(b)將該三相訊號進行補償，以取得三相補償訊號；(c)讀取該三相輸出電壓訊號，並將該三相輸出電壓訊號轉換成二坐標軸訊號，藉由該參考電壓與該二坐標軸訊號產生差值，再經過補償後，以反轉換成三相待補償電壓訊號，將該三相補償訊號乘上該三相待補償電壓訊號，以取得三相修正電壓訊號；(d)將該三相修正電壓訊號與該三相待補償電壓訊號相加，以取得三相輸出補償電壓訊號；以及(e)輸出該三相輸出補償電壓訊號。
  2. 如請求項1所述之補償轉換方法，其中該三相輸出電壓訊號係利用派克轉換(Park's Transformation)方式以轉換成該二坐標軸訊號。
  3. 如請求項2所述之補償轉換方法，其中該參考電壓與該二坐標軸訊號產生差值，再經過該補償後，以反派克轉換方式反轉換成該三相待補償電壓訊號。
  4. 如請求項1所述之補償轉換方法，其中該三相轉換器模組之輸出端電性連接有一電壓回授電路，其係電性連接一微控制器，該微控制器自該電壓回授電路中取得該三相輸出電壓訊號。
  5. 如請求項1所述之補償轉換方法，其中該二坐標軸訊號係為直(d)軸-交(q)軸坐標軸訊號。
  6. 如請求項1所述之補償轉換方法，其中該參考電壓分別減去該二坐標 軸訊號後，係經一比例積分(PI)補償控制器以作該補償。
  7. 如請求項1所述之補償轉換方法，其中該三相轉換器模組係為三相四臂之三相轉換器模組。
  8. 如請求項1所述之補償轉換方法，其中在步驟(b)中，更可利用一補償控制器對該三相訊號進行補償計算，經該補償控制器計算後以取得該三相補償訊號。
  9. 如請求項8所述之補償轉換方法，其中該補償控制器係為比例積分(PI)控制器。
  10. 如請求項1所述之補償轉換方法，其中在步驟(e)中，更可利用一控制器控制該三相輸出補償電壓訊號之輸出。
  11. 如請求項10所述之補償轉換方法，其中該控制器係為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器。
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