TWI641205B - 漣波補償控制方法與應用此漣波補償控制之電能轉換裝置 - Google Patents

漣波補償控制方法與應用此漣波補償控制之電能轉換裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種漣波補償控制方法，用於一種使用漣波補償控制之電能轉換裝置，該裝置包括一轉換器，用以進行電能轉換；一控制器，耦接該轉換器之控制端，且依據一命令值，控制該轉換器的一直流節點的一第一電壓；以及一漣波補償器，用以產生該第一電壓的一漣波成分電壓，且基於該漣波成分電壓產生該命令值並輸出至該控制器。

Description

漣波補償控制方法與應用此漣波補償控制之電能 轉換裝置
本發明係有關於漣波補償控制方法，特別是有關於電能轉換裝置之漣波補償控制方法。
轉換器係將交流電源轉換為直流電源，或將直流電源轉換為交流電源，一般常見的應用方式，是透過一控制器將轉換器之直流端的電壓控制為直流定值，但因轉換器之交流端的功率為交流時變訊號，若將直流端強制控制為直流定值，會造成轉換器之直流端與交流端的功率不平衡，進而產生轉換器交流端之電流諧波失真。
為了透過一控制器以控制轉換器的直流端電壓，並且降低所產生之轉換器之交流端的電流諧波失真，一般會經由降低控制器的增益以犧牲控制器的控制成效，致使轉換器之交流端的電流諧波失真程度降低。但此習知技術會使控制器具有較差之響應速度，當系統功率動態變化時，便易造成較大的電壓過衝與電壓下衝，另外，也需增加轉換器之直流端的電容器大小，來保持直流端電壓趨近於直流定值，因此需有較大的電容器體積，也會產生額外的成本要求。有鑑於此，需要一種 轉換器控制裝置以達成較低之電流諧波失真以及較佳的控制響應。
本發明之一實施例提供一種漣波補償控制方法，用於由一控制器所控制的一轉換器，該控制器依據所接收的一命令值，控制該轉換器的一直流節點的一第一電壓，該方法，包括取得該第一電壓對應該轉換器之一交流節點的一漣波成分電壓；以及基於該漣波成分電壓產生該命令值，而對該轉換器進行控制。
本發明之一實施例提供一種應用漣波補償控制之電能轉換裝置，包括一轉換器，用以進行電能轉換；一控制器，耦接該轉換器之控制端，且依據一命令值，控制該轉換器的一直流節點的一第一電壓；以及一漣波補償器，用以產生該第一電壓的一漣波成分電壓，且基於該漣波成分電壓產生該命令值並輸出至該控制器。
本發明之另一實施例提供如上述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，且更包括一第一濾波器，耦接該轉換器之一交流節點；其中該漣波補償器包括一漣波偵測器，用以產生一第一電流之一漣波成分電流；以及一第一運算裝置，透過該漣波成分電流與一預定命令值之一運算產生該命令值。而該漣波偵測器包括一第一取樣電路，耦接該交流節點以取得該交流節點之一輸出電流；一第二取樣電路，耦接該第一濾波器以取得該第一濾波器之一輸出電壓；一第三取樣電路，耦接該直流節點以取得該第一電壓；一第二運算裝置，透過該輸出電 流、該輸出電壓與該第一電壓之一運算產生該第一電流；以及一第二濾波器，用以取得該第一電流之該漣波成分電流。
本發明使控制器之命令值具備功率漣波成分，因此轉換器之直流端電壓亦存在轉換器之功率平衡所需之漣波成分，交流端電流便能獲得較佳的弦波波形，藉此降低轉換器之交流端的電流諧波失真，進而使控制器能發揮原有的效能，具備快速的響應速度，且直流端亦不需使用較大的電容器來維持電壓趨近於直流固定值。
100、200、400、500‧‧‧電能轉換裝置
101、201、4001、5001‧‧‧轉換器
102、208、508‧‧‧漣波補償器
103、202‧‧‧控制器
203‧‧‧第一濾波器
204、504‧‧‧第一運算裝置
205、3001、3002、3003‧‧‧漣波偵測器
206、506‧‧‧積分器
207、305、311、507‧‧‧加法器
209、403、503‧‧‧直流節點
303‧‧‧反相器
304、312‧‧‧微分器
306、509‧‧‧乘法器
307、510‧‧‧除法器
308‧‧‧第二濾波器
309‧‧‧減法器
302、310‧‧‧第二運算裝置
401、501‧‧‧第一轉換電路
402‧‧‧第二轉換電路
502‧‧‧解耦合電路
Lf、Ldc‧‧‧電感
Cd、Cf、Cdc、Cde‧‧‧電容
Id、I4d、I5d、Idc、Ide‧‧‧直流電流
Vdc、V5d‧‧‧直流電壓
I3dd‧‧‧等效直流電流
Iac、I4ac、I5ac、Io、I4o、I5o‧‧‧交流電流
Vo、V4o、V5o‧‧‧交流電壓
Vd、V4d、Vde‧‧‧第一電壓
Idr、I4dr、I5dr‧‧‧漣波成分電流
Vdr、V4dr、V5der‧‧‧漣波成分電壓
Vcp、V4cp、V5cp‧‧‧預設命令電壓
Vc、V4c、V5c‧‧‧命令電壓
Qd1、Qd2、Qi1、Qi2、Qi3、Qi4‧‧‧功率開關元件
D1、D2、D11、D12、D13、D14‧‧‧二極體
第1圖係依據本發明一實施例之電能轉換裝置示意圖。
第2圖係依據本發明一實施例之電能轉換裝置。
第3A圖係依據本發明一實施例之漣波偵測器。
第3B圖係依據本發明一實施例之漣波偵測器。
第3C圖係依據本發明一實施例之漣波偵測器。
第4A圖係依據本發明一實施例之電能轉換裝置。
第4B圖係依據本發明一實施例之昇壓型直直流轉換器結合單相交直流轉換器的電路。
第5A圖係依據本發明一實施例之電能轉換裝置。
第5B圖係依據本發明一實施例之昇壓型功率解耦合單元結合單相交直流轉換器的電路。
為讓本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下。
第1圖係依據本發明一實施例之電能轉換裝置示意圖。電能轉換裝置100包括一轉換器101、一漣波補償器102以及一控制器103。轉換器101用以進行直流轉交流或交流轉直流之轉換，並且由控制器103控制轉換的效果。
依據本發明所提供之漣波補償控制方法，漣波補償器102將轉換器101之交流端形成的一功率漣波成分與一預定命令值(例如一預定命令電壓)結合並轉換為一命令值(例如一命令電壓)，進而提供該命令值給控制器103。控制器103依據該命令值控制轉換器101之直流端電壓，使得轉換器101之直流端電壓亦具有該功率漣波成分，藉此改善轉換器101之直流端與交流端的功率平衡。
第2圖係依據本發明一實施例之電能轉換裝置200。電能轉換裝置200包括一轉換器201、一控制器202、一第一濾波器203以及一漣波補償器208。其中漣波補償器208包括一第一運算裝置204、一漣波偵測器205。在本實施例中，轉換器201為一單相交流轉直流轉換器，控制器202耦接轉換器201之控制端與直流側的一直流節點209，並且依據一命令電壓Vc控制直流節點209之電壓(註記為第一電壓Vd)。而命令電壓Vc係由漣波補償器208所提供，漣波補償器208藉由漣波偵測器205產生對應於轉換器201之交流側之一功率漣波的漣波成分電流Idr，漣波成分電流Idr經由第一運算裝置204之積分器206轉換為漣波成分電壓Vdr，並透過第一運算裝置204之加法器207與一預設命令電壓Vcp結合成為命令電壓Vc。控制器202根據包 含該功率漣波成分之命令電壓Vc以控制第一電壓Vd，透過控制器202之運作，第一電壓Vd會趨近於命令電壓Vc，而當控制器202具有較高的增益時，第一電壓Vd將能快速地追隨命令電壓Vc。
基於上述實施例之運作，第一電壓Vd亦會反應該功率漣波成分的變化，因此轉換器201之直流側與交流側可藉此達到功率平衡。由此可知，本發明所提供之裝置可在不降低控制器202之增益的情況下，達成轉換器201之直流側與交流側的功率平衡，亦即本發明之實施例可維持控制器202之理想增益且同時降低轉換器201之交流側的電流諧波失真。
在本實施例中，第一濾波器203為一電感Lf與電容Cf所組成之低通濾波器，但本發明不限於此。在本實施例中，第一運算裝置204由一積分器206與加法器207所組成，但本發明不限於此。在一些實施例中，轉換器201可為任何形式之直流轉交流、或是交流轉直流的電能轉換器。在一些實施例中，漣波偵測器205可透過各種方式以偵測漣波成分電流Idr，例如第3A~3C圖所示，但本發明不限於此。在一些實施例中，交流電流Io會輸入至控制器202。
第3A圖係依據本發明一實施例之漣波偵測器3001。漣波偵測器3001包括一第二濾波器308與一減法器309。漣波偵測器3001透過一取樣電路(未示於圖式中)取得轉換器201之直流側的直流電流Id，直流電流Id經由第二濾波器308以及減法器309之運作後轉換成漣波成分電流Idr。
第3B圖係依據本發明一實施例之漣波偵測器 3002。漣波偵測器3002包括一第二運算裝置302、一第二濾波器308以及一減法器309。其中第二運算裝置302包括一反相器303、一微分器304、一加法器305、一乘法器306以及一除法器307。漣波偵測器3002透過第一、第二、第三取樣電路(未示於圖式中)分別取得轉換器201之交流側的輸出電流(交流電流Iac)、第一濾波器203之輸出電壓(交流電壓Vo)以及第一電壓Vd。第二運算裝置302接收交流電流Iac、交流電壓Vo與第一電壓Vd並且經由運算以產生等效直流電流I3dd，等效直流電流I3dd之運算如下文之算式(1)所示。
算式(1)係將交流電流Iac在乘法器306之後轉換為轉換器201之交流側的一輸出功率，進而藉由將該輸出功率除以第一電壓Vd以產生等效直流電流I3dd。等效直流電流I3dd透過第二濾波器308與減法器309之運作後轉換成漣波成分電流Idr。在本實施例中，第二濾波器308可為一低通濾波器或一移動平均濾波器，但本發明不限於此。
第3C圖係依據本發明一實施例之漣波偵測器3003。漣波偵測器3003包括一第二運算裝置310、一第二濾波器308以及一減法器309。其中第二運算裝置310包括一反相器303、一微分器304、一微分器312、一加法器305、一加法器311、一乘法器306以及一除法器307。漣波偵測器3003透過第四、第五、第六取樣電路(未示於圖式中)分別取得第一濾波器203之輸 出電流(交流電流Io)、第一濾波器203之輸出電壓(交流電壓Vo)以及第一電壓Vd。第二運算裝置310接收交流電流Io、交流電壓Vo與第一電壓Vd並且經由運算以產生等效直流電流I3dd，等效直流電流I3dd之運算如下文之算式(2)所示。
算式(2)係將交流電流Io與交流電壓Vo在加法器311之後轉換為交流電流Iac，進而執行如算式(1)之計算而產生漣波成分電流Idr。在本實施例中，第二濾波器308可為一低通濾波器或一移動平均濾波器，但本發明不限於此。
第4A圖係依據本發明一實施例之電能轉換裝置400。電能轉換裝置400包括轉換器4001、控制器202、第一濾波器203以及漣波補償器208。其中轉換器4001包括一第一轉換電路401、一第二轉換電路402以及電容Cd與Cdc。
在本實施例中，第一轉換電路401為一單相交流轉直流轉換器，第一轉換電路401之直流側之直流節點403耦接第二轉換電路402與控制器202，而第二轉換電路402為一直流轉直流轉換器。控制器202依據一命令電壓V4c控制直流節點403之電壓(註記為第一電壓V4d)。而命令電壓V4c係由漣波補償器208所提供，漣波補償器208藉由漣波偵測器205產生對應於第一轉換電路401之交流側之一功率漣波的漣波成分電流I4dr，漣波成分電流I4dr經由第一運算裝置204之積分器206轉換為漣波成分電壓V4dr並透過第一運算裝置204之加法器207與一預設命 令電壓V4cp結合成為命令電壓V4c。控制器202根據包含該功率漣波成分之命令電壓V4c以控制第一電壓V4d，並且產生脈寬調變訊號以輸出至第二轉換電路402的控制端，進而控制第二轉換電路402的輸出。透過控制器202之運作，第一電壓V4d會趨近於命令電壓V4c，而當控制器202具有較高的增益時，第一電壓V4d將能快速地追隨命令電壓V4c。
基於上述實施例之運作，第一電壓V4d亦包含該功率漣波成分，因此第一轉換電路401之直流側與交流側可藉此達到功率平衡，進而使電能轉換裝置400亦達到功率平衡。由此可知，電能轉換裝置400之控制器202可保持理想的增益，且由於第一轉換電路401之直流側亦保有功率漣波成分，交流端的電流便能維持交流既有的弦波波形，因而能降低第一轉換電路401之交流側的電流其交流電流失真程度。此外，由於第一轉換電路401之直流側與交流側達到功率平衡，該功率漣波造成之電流漣波量因第一電壓V4d加入漣波成分後而分流至電容Cd，因此第二轉換電路402之直流電流Idc由該功率漣波而產生的漣波量亦可因而降低。同時，電容Cd亦不需使用較大電容值來保持第一電壓V4d趨近於直流定值。
在一些實施例中，第一轉換電路401可為任何形式之直流轉交流、或是交流轉直流的電能轉換器，且第二轉換電路402可為任何形式的直流轉直流功率轉換器，包括昇壓型、降壓型以及諧振電路等形式。在一些實施例中，直流電流Idc會輸入至控制器202。如第4B圖所示，第一轉換電路401可為功率開關元件Qi1~i4及二極體D11~14所組成之單相交直流轉換器， 且功率開關元件Qi1~14耦接一驅動控制電路(未示於圖式中)，例如脈衝寬度變調(PWM)驅動控制電路；第二轉換電路402可為功率開關元件Qd1~d2及二極體D1~2所組成之昇壓型直直流轉換器，且功率開關元件Qd1~d2耦接並接收控制器202之一脈寬調變訊號。
第5A圖係依據本發明一實施例之電能轉換裝置500。電能轉換裝置500包括轉換器5001、控制器202、第一濾波器203以及漣波補償器508。其中轉換器5001包括一第一轉換電路501、一解耦合電路502以及電容Cd與Cde。
在本實施例中，第一轉換電路501為一單相交流轉直流轉換器，第一轉換電路501之直流側耦接解耦合電路502之第二端，而解耦合電路502之第一端(直流節點503)耦接控制器202。控制器202依據一命令電壓V5c控制直流節點503之電壓(註記為第一電壓Vde)。而命令電壓V5c係由漣波補償器508所提供，漣波補償器508藉由漣波偵測器205產生對應於第一轉換電路501之交流側之一功率漣波的漣波成分電流I5dr，並透過第七、第八取樣電路(未示於圖式中)取得第一電壓Vde與直流電壓V5d，漣波成分電流I5dr經由乘法器509與直流電壓V5d相乘以產生第一轉換電路501之直流側的漣波成分功率，再經由除法器510與第一電壓Vde相除，進而透過第一運算裝置504之積分器506轉換為漣波成分電壓V5der，最後經由第一運算裝置504之加法器507與一預設命令電壓V5cp結合成為命令電壓V5c。控制器202根據包含該功率漣波成分之命令電壓V5c以控制第一電壓Vde，並且產生脈寬調變訊號以輸出至解耦合電路502的控制 端，進而控制解耦合電路502的輸出。透過控制器202之運作，第一電壓Vde會趨近於命令電壓V5c，而當控制器202具有較高的增益時，第一電壓Vde將能快速地追隨命令電壓V5c。基於上述實施例之運作，第一電壓Vde亦包含該功率漣波成分，進而使電能轉換裝置500達成直流側與交流側的功率平衡。如此，功率漣波將轉移至解耦合電路502之第一電壓Vde端，第一轉換電路501之直流側的電壓及電流僅有少量的漣波成分，同時，亦可使用較小的解耦合電路502之電容器Cde。
在一些實施例中，第一轉換電路501可為任何形式之直流轉交流、或是交流轉直流的電能轉換器，且解耦合電路502可為任何形式的雙向直流轉直流轉換器，包括昇壓型、降壓型以及隔離型等電路形式。在一些實施例中，直流電流Ide會輸入至控制器202。如第5B圖所示，第一轉換電路501可為功率開關元件Qi1~i4及二極體D11~14所組成之單相交直流轉換器，且功率開關元件Qi1~i4耦接一驅動控制電路(未示於圖式中)，例如脈衝寬度調變(PWM)驅動控制電路；解耦合電路502可為功率開關元件Qd1~d2及二極體D1~2所組成之昇壓型功率解耦合電路，且功率開關元件Qd1~d2耦接並接收控制器202之一脈寬調變訊號。
本發明各實施例所提供之漣波補償控制方法可應用於功率因數修正轉換器(Power Factor Corrector,PFC)等之交流轉直流單向功率轉換器、或是直流轉交流單向功率轉換器、雙向交直流轉換器以及直流轉直流功率轉換器之組合，並且可適用於市電併聯型或是獨立運轉型式。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (11)

  1. 一種漣波補償控制方法，用於由一控制器所控制的一轉換器，該控制器依據所接收的一命令值，控制該轉換器的一直流節點的一第一電壓，該方法，包括：取得該轉換器的一交流節點的一功率；取得該第一電壓；由該功率和該第一電壓得出該直流節點的一電流；由該直流節點的該電流或該交流節點的一輸出電流產生一等效直流電流；利用一濾波器，處理該等效直流電流，用以產生一濾波電流；利用一減法器處理該濾波電流及該等效直流電流，用以產生一漣波成分電流；由該漣波成分電流得出一漣波成分電壓；基於該漣波成分電壓產生該命令值，而對該轉換器進行控制，其中該漣波成分電壓係為一交流電壓。
  2. 一種應用漣波補償控制之電能轉換裝置，包括：一轉換器，用以進行電能轉換；一控制器，耦接該轉換器之控制端，且依據一命令值，控制該轉換器的一直流節點的一第一電壓；以及一漣波補償器，用以產生該第一電壓對應該轉換器之一交流節點的一漣波成分電壓，且基於該漣波成分電壓產生該命令值並輸出至該控制器，其中該漣波成分電壓係為一交流電壓，其中該漣波補償器包括：一漣波偵測器，用以產生一第一電流之一漣波成分電流，其中該漣波偵測器根據該轉換器的該直流節點的一直流電流或是該轉換器之該交流節點的一輸出電流產生一等效直流電流；以及一第一運算裝置，透過該漣波成分電流與一預定命令值之一運算產生該命令值，其中該漣波偵測器包括：一第一濾波器，處理該等效直流電流，用以產生一濾波電流；以及一減法器，處理該濾波電流以及該等效直流電流，用以產生該漣波成分電流。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，更包括：一第二濾波器，耦接該轉換器之該交流節點。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，其中該漣波偵測器包括：一第一取樣電路，耦接該交流節點以取得該交流節點之該輸出電流；一第二取樣電路，耦接該第二濾波器以取得該第二濾波器之一輸出電壓；一第三取樣電路，耦接該直流節點以取得該第一電壓；一第二運算裝置，透過該輸出電流、該輸出電壓與該第一電壓之一運算產生該第一電流。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，其中該漣波偵測器包括：一第一取樣電路，耦接該第二濾波器以取得該第二濾波器之一輸出電流；一第二取樣電路，耦接該第二濾波器以取得該第二濾波器之一輸出電壓；一第三取樣電路，耦接該直流節點以取得該第一電壓；一第二運算裝置，透過輸出電流、該輸出電壓與該第一電壓之一運算產生該第一電流。
  6. 如申請專利範圍第4或第5項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，其中該轉換器進行直流轉交流或交流轉直流之轉換；其中該直流節點設置於該轉換器之直流側。
  7. 如申請專利範圍第4或第5項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，其中該轉換器包括：一第一轉換電路，進行直流轉交流或交流轉直流之轉換，該直流節點係位於該第一轉換電路之直流側；以及一第二轉換電路，耦接該直流節點，且具有上述控制端，以依該命令值進行直流轉直流之轉換。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，其中該轉換器包括：一第一轉換電路，進行直流轉交流或交流轉直流之轉換；以及一解耦合電路，具有作用為該直流節點的一第一端、電性連接該第一轉換電路的直流側的一第二端、以及上述控制端，依該命令值控制該第一電壓以進行解耦合。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，其中該漣波補償器包括：一第一取樣電路，耦接該直流節點以取得該第一電壓；以及一第二取樣電路，耦接該第二端以取得一第二電壓；其中該第一運算裝置透過該漣波成分電流、該預定命令值、該第二電壓與該第一電壓之一運算產生該命令值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，其中該漣波偵測器包括：一第三取樣電路，耦接該交流節點以取得該交流節點之一輸出電流；一第四取樣電路，耦接該第二濾波器以取得該第二濾波器之一輸出電壓；以及一第二運算裝置，透過該輸出電流、該輸出電壓與該第二電壓之一運算產生該第一電流。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之應用漣波補償控制之電能轉換裝置，其中該漣波偵測器包括：一第三取樣電路，耦接該第二濾波器以取得該第二濾波器之一輸出電流；一第四取樣電路，耦接該第二濾波器以取得該第二濾波器之一輸出電壓；一第二運算裝置，透過該輸出電流、該輸出電壓與該第二電壓之一運算產生該第一電流。
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