TWI712257B

TWI712257B - 單相控制方法及其三相換流裝置

Info

Publication number: TWI712257B
Application number: TW108100101A
Authority: TW
Inventors: 吳財福; 米達爾; 張瑛驛; 黃彥翔; 余淩嘉
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2020-12-01
Also published as: TW202027399A; US10615717B1

Abstract

本發明提供一種單相控制方法，包含：輸入一直流電至一三相換流裝置之一直流端；進行一解耦程序，利用直流端之地至三相換流裝置之一交流端之地之間之一電壓之一平均值，計算三相開關之一切換責任比，解耦出對應三相換流裝置之一單相電路之一電性輸出；進行一分切程序，將解耦後之單相電路之電性輸出，分切成對應一去磁狀態及一激磁狀態之個別對應三相換流裝置之一換流端之一電流變化；以及進行一合整程序，將分別對應去磁狀態及激磁狀態之電流變化合整而得到三相開關於下一周期之另一切換責任比。藉此，可達到控制均流及降低環流效果。

Description

單相控制方法及其三相換流裝置

本發明係關於一種控制方法及其換流裝置，更特別言之，係關於一種單相控制方法及其三相換流裝置。

隨著全球暖化愈趨嚴重，對再生能源之需求亦不斷增加。隨著再生能源相關科技持續不斷進展(例如：太陽能供電系統)，可提供高功率之併聯型換流器已成為主流。使用多個換流器模組併聯可有效提升功率，且功率提升可透過增加併聯之換流器模組之數量達到。並且，不僅擴充性高，當其中一組換流器模組故障時，仍有其他換流器模組可以替補使用，因此系統可靠度也較高。再者，於此種併聯型換流器中，各換流器模組之元件之耐壓耐流需求也較低。三相換流器相較於三個單相換流器，由於其瞬時功率為定值，因此使用較低容值即可達到低電壓鏈波之效果，並且可使用較少之開關，不僅降低功率損耗，亦降低整體電路成本。

達成單相之均流及降低多相之環流為規劃此種併聯換流器之重點。常見之均流控制方法有：集中式控制、主僕式控制、圓鏈控制、分散邏輯控制以及無線自主控制等；而常見之環流控制方法有：硬體抑制、同步控制以及開關調變控制等。由於三相係相互耦合，因此對均流及環流之控制程序往往相當複雜，造成系統資源耗費。因此，仍需發展可簡易控制均流及有效降低環流之方法。

本發明係提供一種單相控制方法，其可透過對三相換流裝置進行一解耦程序、分切程序以及一合整程序，進而可以單相單獨控制三相換流裝置之三相開關切換，達到控制均流及降低環流效果。本發明並提供應用上述單相控制方法之三相換流裝置。

依據本發明一實施方式，提供一種單相控制方法，其係用於一三相換流裝置。三相換流裝置包含一三相開關。單相控制方法包含：輸入一直流電至三相換流裝置之一直流端；進行一解耦程序，利用直流端之地至三相換流裝置之一交流端之地之間之一電壓之一平均值，計算三相開關之一切換責任比，並依據電壓之平均值與切換責任比解耦出對應三相換流裝置之一單相電路之一電性輸出；進行一分切程序，將解耦後之單相電路之電性輸出分切成三相換流裝置之一換流端之二電流變化，其中二電流變化分別對應一去磁狀態及一激磁狀態；以及進行一合整程序，將分別對應去磁狀態及激磁狀態之二電流變化合整而得到三相開關於下一周期之另一切換責任比。

於上述單相控制方法中，三相換流裝置包含一三相換流器模組及與三相換流模組耦接之一濾波器模組。三相換流器模組並包含複數三相開關。

於上述單相控制方法中，更包含：透過一控制器執行解耦程序、分切程序以及合整程序。

於上述單相控制方法中，更包含：併聯多個三相換流裝置形成一換流器併聯系統。

於上述單相控制方法中，三相開關之切換責任比表示為：

其中D_RST為三相開關導通之切換責任比；L_iRST為三相濾波器模組中靠交流端之電感L_i值；L_gRST為三相濾波器模組中靠交流端之電感L_g值；V_DC為一直流電壓；TS為一週期時間長；△i_iRST為三相換流器端之三相濾波器模組中的電感L_i的電流變化；V_RSTcN(t)為以交流端之地N為參考點的當下的一三相濾波器模組的電容的電壓；V_RSTcN(t-T_S)為以交流端之地N為參考點的前一週期的三相濾波器模組的電容的電壓；V_RSTcN(t-2T_S)為以交流端地N為參考點的前前一週期的三相濾波器模組的電容的電壓；C_gRST為三相濾波器模組的電容值；L_gRST為三相濾波器模組中靠交流端的電感L_g的電感值；

為一虛擬地n和一換流器地O間的電壓之平均值。

依據本發明另一實施方式，提供一應用上述單相控制方法的三相換流裝置，其包含一三相換流器模組以及一三相濾波器模組。三相換流器模組包含多個開關，各二開關相互串接組成一橋臂，各橋臂之一輸入端相互耦接為一直流端，直流端耦接至一直流負載。三相濾波器模組耦接至三相換流器模組。三相濾波器模組包含多個電感及多個電容。此些電感分別耦接於此些電容之一側。其中一部分此些電感耦接至三相換流器模組之各橋臂之一輸出端，另一部分此些電感耦接至一交流端。

110‧‧‧三相換流器模組

120‧‧‧三相濾波器模組

B1、B2、B3‧‧‧橋臂

S1、S2、S3、S4、S5、S6‧‧‧開關

L1、L2、L3、L4、L5、L6‧‧‧電感

C1、C2、C3‧‧‧電容

DCT‧‧‧直流端

ACT‧‧‧交流端

S101、S102、S103、S104‧‧‧步驟

第1圖繪示依據本發明一實施例之單相控制方法之流程示意圖；第2圖繪示應用第1圖實施例之單相控制方法之一種三相換流裝置架構示意圖；第3圖繪示第2圖實施例中之三相換流裝置之一三相切換開關之狀態示意圖；第4圖繪示第2圖實施例中之三相換流裝置之一單相電路架構示意圖；第5圖繪示將第2圖實施例中之三相換流裝置併聯成一換流器併聯系統之架構示意圖；第6圖繪示於強電網條件下，市電分別處於四種不同功因情況之交流端與換流器端之三相電流比較示意圖；以及第7圖繪示於弱電網條件下，市電分別處於四種不同功因情況之交流端與換流器端之三相電流比較示意圖。

請參照第1圖，其係繪示依據本發明一實施例之單相控制方法之流程示意圖。本發明之單相控制方法，係應用於一三相換流裝置。三相換流裝置包含一三相開關。本發明之單相控制方法包含：一步驟S101係輸入一直流電至三相換流裝置之一直流端；一步驟S102係進行一解耦程序，利用直流端之地至三相換流裝置之一交流端之地之間之一電壓之一平均值，計算三相開關之一切換責任比，並依據電壓之平均值與切換責任比解耦出對應三相換流裝置之一單相電路之一電性輸出；一步驟S103係進行一分切程序，將解耦後之單相電路之電性輸出分切成三相換流裝置之一換流端之二電流變化，其中二電流變化分別對應一去磁狀態及一激磁狀態；一步驟S104係進行一合整程序，將分別對應去磁狀態及激磁狀態之二電流變化合整而得到三相開關於下一周期之另一切換責任比。上述單相控制方法中，可透過一控制器執行解耦程序、分切程序以及合整程序。並且，可併聯多個三相換流裝置形成一換流器併聯系統。以下段落將配合後續之圖式及實施例說明本發明之單相控制方法之運作機制。

下述表中列示出本發明中所使用電路對應之符號以便於理解本發明。

請續參照第2圖，其繪示應用第1圖實施例之單相控制方法之一種三相換流裝置架構示意圖。第2圖中，三相換流裝置包含一三相換流器模組110及一三相濾波器模組120。在本實施例中，三相換流器模組110之三相開關，是以包含開關S1-S6之全橋式換流器架構作為範例進行說明，但本發明不限於此，亦可為半橋式換流器架構，或是其他類型之換流器架構。三相濾波器模組120係包含電感L1-L6以及電容C1-C3，其係可使用一三相LCL濾波器。三相換流器模組110中，具有直流端DCT，以及以R、S、T分別表示三個相位(後續電路各元件皆以R、S、T標示分別對應之三個相位)。其中開關S1與S2相互串接組成橋臂(bridge arm)B1，開關S3與S4相互串接組成橋臂B2，而開關S5與S6相互串接組成橋臂B3。各組橋臂B1-B3之輸入端相互耦接以作為直流端DCT耦接至前端之直流負載(例如太陽能電池)以接收/輸出直流電壓v_DC。各組橋臂B1-B3之輸出端分別耦接電感L1、L3及L5之一端，電感L1、L3及L5之另一端則耦接至電容C1-C3。電容C1-C3並耦接至電感L2、L4及L6之一端。電感L2、L4及L6之另一端則耦接至一交流端ACT(為市電或其他交流電源)中之三相電源。

開關S1-S6分別受控於對應的控制訊號而切換導通狀態。開關S1、S3及S5分別為橋臂B1-B3中之上臂；開關S2、S4及S6則分別為橋臂B1-B3中之下臂。其中，同一橋臂B1-B3中之開關將依據接收到之訊號而交替地導通(例如：開關S1與S2交替導通、開關S3與S4交替導通、開關S5與S6交替導通)，從而依據直流電壓v_DC於橋臂B1-B3之輸出端上分別產生電壓u_RO、u_SO及u_TO。電感L1-L6則分別反應於電壓u_RO、u_SO及u_TO的變化而儲能或釋能，再配合電容C1-C3達到濾波效果。藉此，三相換流裝置即可將電力在直流端DCT與交流端ACT之間轉換。

以下續說明本發明之單相控制方法之演算機制，請一併配合參照第2圖、第3圖及第4圖。

假設三相共接至地n及地O間之電壓為V_nO，根據克西荷夫電壓定律，可以依照三相分別寫出V_nO的瞬時方程式如式(1)到(3)：

將三相方程式總合後可得到式(4)，而其中△i_Cg的部分可以電容電壓替換，如式(5)所示：

如第3圖所示，根據三相開關切換訊號，一個週期可分成六個區間，每個區間可有七種狀態S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，其中於某一區間內有四種狀態S0、S1、S2、S7，其所占時間長又能以三相開關切換責任比以及u_RO、u_SO和u_TO電壓值一起展示如表一：

進而可以得到平均

如下式(6)：

其中V_S0、V_S1、V_S2和V_S7如式(7)到(10)所示：

因此

平均值可由式(11)所示：

最終可得到三相開關之切換責任比如式(12)：

本案目的為僅用單相而可達成三相控制。因此，需證實R、S、T三相個別之單相周期責任比為相同組成，若得證即表示「解耦程序」完成。由上式(12)中，已可知

以及

，皆可於R、S、T三相中分別獨立存在；惟由式(11)所展示的V_nO平均值中，R、S、T三相個別相依，無法直接拆成單相方程式，亦即三相相互耦合。因此，假設R、S、T三相個別的單相周期責任比之中，除了上述可獨立存在的三項數學式總合外，尚有剩餘的未知部分。因此，在把三相周期責任比拆成單相周期責任比時，假設在R相的周期責任比中剩餘的未知部分可總合為一額外項X(X中包含之數學式項目數量不限制)；在S相的周期責任比中剩餘的未知部分可總合為一額外項Y(Y中包含之數學式項目數量不限制)；在T相的周期責任比中剩餘的未知部分可總合為一額外項Z(Z中包含之數學式項目數量不限制)。據此，可將三相開關的責任比分開描述，如式(13)、(14)和(15)：

帶回平均

方程式(11)可得到結果如式(16)：

若X、Y和Z互相相等，則平均

為V_DC和X、Y或Z任一的乘積如式(17)：

由上述可知，三相開關之責任比又回到原式(12)，證明三相關係得以解耦合，因此完成解耦程序。藉此，可將三相視為三個獨立之單相進行控制。後續將解說以此種方式進行控制之結果。

分切程序：請參照第3圖，根據克西荷夫電壓定律，於激磁狀態下，可寫出式(18)，並可將其整理為換流器端電流變化△i_ik,mag的表示式，而可得到式(19)，其中k代表R、S、T中任一相。

其中，dt=dT_S。

於去磁狀態下，同樣根據克西荷夫電壓定律，可得到式(20)，並將其整理為換流器端電流變化△i_ik,dem的表示式可得到式(21)：

其中，dt=(1-d)T_S。

合整程序：將式(19)之激磁電流和式(21)之去磁電流總合，可得到式(22)：

下一週期之換流器端電流可以表示如下式(23)，為當下週期參考電流和下一週期的參考電流差值以及當下週期的參考電流和換流器端電流誤差之總和：△i_ik(n+1)={i_gk,ref(n+1)-i_gk,ref(n)}+{i_gk,ref(n)-i₁(n)}=i_gk,ref(n+1)-i_ik(n) (23)。

根據式(22)及式(23)，即可得到下一週期的切換責任比如式(24)，其中一部分用i*_gk,ref(n+1)替代表示，i*_gk,ref(n+1)的替代內容如式(25)，其中L_Te為L_g跟L_i的估計值L_ge和L_ie的總和，並可將式(25)改寫成式(26)：

請參照第5圖，第5圖繪示將第2圖實施例中之三相換流裝置併聯成一換流器併聯系統之架構示意圖。在本實施例中，各三相換流裝置之直流端DCT相互併接，藉以共同接收/輸出直流電壓V_DC，並且將三相濾波器模組120之輸出端併接，將三相電源提供至後端的交流電路，或從交流電路接收三相電源並據以進行轉換。此種主從式之控制架構中，以其中一三相換流裝置負責主要輸出之電壓調節之工作，而從屬之三相換流裝置則是負責追蹤由主要之三相換流裝置所送出的電流命令，藉以實現均流控制，令各三相換流裝置之輸出功率可趨近相當。此外，於一般換流器併聯系統中，由於各換流器之輸出電流大小難以一致，因此系統中各換流器之間將有不平衡電流產生，此稱為系統中之環流。於本實施例的換流器併聯系統中，由於各三相換流裝置係採用本發明之單相控制方法，將各三相換流裝置之各相迴路視為獨立迴路進行分析，並且各三相換流裝置係獨立地追蹤本身之電流命令。因此，各三相換流裝置之間之環流可被有效地抑制。於後續段落中，將以此換流器併聯系統架構，展示本發明之單相控制方法之控制效果。

以下實施例以將本發明之三相換流裝置應用於交流端(此以市電)為例。首先，在模擬電路中所設定的各部分元件參數以及輸入電壓和功率如表二所示：

為驗證本發明之單相控制方法之效能，同時給予系統五次及七次諧波如表三所示，且令交流端之交流電壓處於不平衡的狀態如表四所示。

於已加入上述兩種干擾條件的前提下，第6圖繪示於強電網條件下，市電分別處於四種不同功因情況之交流端與換流器端之三相電流比較示意圖。第6圖所示是於強電網(即Ll=0，SCR=∞)之情況下，當市電分別處於四種不同功因的情況。第6圖之各部分電流大小以及THD展示於表五中，可以看到於強電網的情況下使用本發明之單相控制法，當功因為1或-1時，THD均小於0.93%，當功因為0且電流落後電壓時，THD均小於0.92%，當功因為0且電流領先電壓時，THD均小於0.95%。

第7圖繪示於弱電網條件下，市電分別處於四種不同功因情況之交流端與換流器端之三相電流比較示意圖。第7圖則於弱電網(即Ll=146.2uH，SCR=10)的情況下，同樣當市電分別處於四種不同功因情況的交流端與換流器端三相電流。第7圖的各部分電流大小以及THD展示於表六，可以看出於弱電網的情況下使用本發明之單相控制法，當功因為1或-1時THD均小於0.96%，當功因為0且電流落後電壓時，THD均小於0.94%，當功因為0且電流領先電壓時，THD均小於0.98%。

綜合上述，透過解耦程序以可知三相換流裝置可以單相方式控制，且加上分切程序及合整程序，可省去abc轉dq之繁瑣步驟。再者，透過最終之模擬驗證，可知分發名之單相控制方法可達成單相自動均流，且可將三相電流獨立精準控制，進而降低環流，可大幅簡化轉換處理流程。

雖然本發明內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明內容，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明內容的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明內容的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S101、S102、S103、S104‧‧‧步驟

Claims

一種單相控制方法，其係用於一三相換流裝置，該三相換流裝置包含一三相開關，該單相控制方法包含：輸入一直流電至該三相換流裝置之一直流端；進行一解耦程序，利用該直流端之地至該三相換流裝置之一交流端之地之間之一電壓之一平均值，計算該三相開關之一切換責任比，並依據該電壓之該平均值與該切換責任比解耦出對應該三相換流裝置之一單相電路之一電性輸出；進行一分切程序，將解耦後之該單相電路之該電性輸出分切成該三相換流裝置之一換流端之二電流變化，該二電流變化分別對應一去磁狀態及一激磁狀態；以及進行一合整程序，將分別對應該去磁狀態及該激磁狀態之二該電流變化合整而得到該三相開關於下一周期之另一切換責任比。
如申請專利範圍第1項所述的單相控制方法，其中該三相換流裝置包含一三相換流器模組及與該三相換流器模組耦接之一三相濾波器模組，該三相換流器模組包含複數該三相開關。
如申請專利範圍第2項所述的單相控制方法，更包含：透過一控制器執行該解耦程序、該分切程序以及該合整程序。
如申請專利範圍第1項所述的單相控制方法，更包含：併聯複數個該三相換流裝置形成一換流器併聯系統。
如申請專利範圍第2項所述的單相控制方法，其中該三相開關之該切換責任比表示為：
其中D_RST為該三相開關導通之該切換責任比；L_iRST為該三相濾波器模組中靠該交流端之電感L_i值；L_gRST為該三相濾波器模組中靠該交流端之電感L_g值；V_DC為一直流電壓；TS為一週期時間長；△i_iRST為該三相換流器端之三相濾波器模組中的電感L_i的電流變化；V_RSTcN(t)為以該交流端之地N為參考點的當下的一三相濾波器模組的電容的電壓；V_RSTcN(t-T_S)為以該交流端之地N為參考點的前一週期的三相濾波器模組的電容的電壓；V_RSTcN(t-2T_S)為以該交流端地N為參考點的前前一週期的該三相濾波器模組的電容的電壓；C_gRST為該三相濾波器模組的電容值；L_gRST為該三相濾波器模組中靠該交流端的電感L_g的電感值；
為一虛擬地n和一換流器地O間的電壓之平均值。
一種應用如申請專利範圍第1項所述之單相控制方法的三相換流裝置，包含：一三相換流器模組，其包含多個開關，各二開關相互串接組成一橋臂，各該橋臂之一輸入端相互耦接為一直流端，該直流端耦接至一直流負載；以及一三相濾波器模組，其耦接至該三相換流器模組，該三相濾波器模組包含多個電感及多個電容，該些電感分別耦接於該些電容之一側，其中一部分該些電感耦接至之該三相換流器模組之各該橋臂之一輸出端，另一部分該些電感耦接至一交流端。