TWI760882B - 動態電壓補償器及其控制方法 - Google Patents

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TWI760882B
TWI760882B TW109134904A TW109134904A TWI760882B TW I760882 B TWI760882 B TW I760882B TW 109134904 A TW109134904 A TW 109134904A TW 109134904 A TW109134904 A TW 109134904A TW I760882 B TWI760882 B TW I760882B
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Abstract

本發明揭露一種動態電壓補償器及其控制方法。動態電壓補償器的輸入端連接交流電壓源，接收輸入電壓。濾波器包括電壓訊號偵測器、交流/直流轉換器、補償控制器以及直流/交流轉換器。將三相交流電壓訊號分為正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號，分別將交流電壓訊號轉換成直流電壓訊號，進行驟降前補償以產生直流補償訊號，再將直流補償訊號轉換成交流補償訊號，由輸出端接收交流補償訊號以產生電壓補償訊號。

Description

動態電壓補償器及其控制方法
本發明是關於一種動態電壓補償器及其控制方法，特別是關於一種將偵測電壓訊號分為正向、負向及平均，且同時利用比例積分控制與模糊類神經網路來進行補償的動態電壓補償器及其控制方法。
現今電力電子技術發展的進步，伴隨有大量消費性電子出現，其中含有非線性負載成分，往往造成電力品質所受影響，電力品質的問題逐漸受到重視。傳統的逆變器即為了改善上述電力發生驟降、驟升或者其他電壓污染的問題，期能改善電壓品質的問題，使得負載能維持在需求的標準當中。
另外，在控制的方式上，利用比例積分控制(PI control)方式雖然較簡單且易於實現，但缺點是當不對稱電壓驟降發生時，同步旋轉座標上會出現不同弦波訊號，使上述控制方式產生穩態誤差，使得電壓補償難以達到精準且穩定的效果。
綜觀前所述，習知的動態電壓補償器在補償的效率及準確性上仍然具有相當之缺陷，因此，本發明藉由設計一種動態電壓補償器及其控制方法， 針對現有技術之缺失加以改善，以解決現有技術的問題，進而增進產業上之實施利用。
有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的在於提供一種動態電壓補償器及其控制方法，其通過正向、負向及平均電壓訊號的補償，解決現有電壓補償電路難以迅速及準確進行補償的問題。
根據本發明之一目的，提出一種動態電壓補償器，其包括輸入端、濾波器及輸出端。其中，輸入端連接交流電壓源，接收輸入電壓。濾波器包括電壓訊號偵測器、交流/直流轉換器、補償控制器以及直流/交流轉換器。電壓訊號偵測器接收輸入電壓，並將輸入電壓轉換成三相交流電壓訊號，並將三相交流電壓訊號分為正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號。交流/直流轉換器連接電壓訊號偵測器，將正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號分別轉換成正向直流電壓訊號、負向直流電壓訊號及平均直流電壓訊號。補償控制器連接於交流/直流轉換器，將正向直流電壓訊號、負向直流電壓訊號及平均直流電壓訊號進行電壓驟降前補償，產生正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號。直流/交流轉換器連接於補償控制器，將正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號轉換成正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號。輸出端連接濾波器，接收正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號以產生電壓補償訊號。
較佳地，電壓訊號偵測器可包括二階廣義積分器。
較佳地，補償控制器可包括比例積分單元及模糊類神經網路單元，通過比例積分單元及模糊類神經網路單元進行電壓驟降前補償。
較佳地，模糊類神經網路單元可包括輸入層、歸屬層、規則層及輸出層。
較佳地，模糊類神經網路單元可包括以倒傳遞法對輸出層、規則層及歸屬層進行訓練以修正當中的網路函數。
較佳地，輸出端可連接至負載，負載連接交流電壓源，接收由交流電壓源所傳送的實際電壓，並通過電壓補償訊號對實際電壓進行補償。
根據本發明之另一目的，提出一種動態電壓補償器的控制方法，其包含以下步驟：藉由動態電壓補償器的輸入端連接交流電壓源，使動態電壓補償器的濾波器接收輸入電壓；藉由電壓訊號偵測器將輸入電壓轉換成三相交流電壓訊號，並將三相交流電壓訊號分為正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號；藉由交流/直流轉換器將正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號分別轉換成正向直流電壓訊號、負向直流電壓訊號及平均直流電壓訊號；藉由補償控制器將正向直流電壓訊號、負向直流電壓訊號及平均直流電壓訊號進行電壓驟降前補償，產生正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號；藉由直流/交流轉換器將正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號轉換成正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號；以及藉由動態電壓補償器的輸出端連接濾波器，接收正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號以產生電壓補償訊號。
較佳地，電壓訊號偵測器可藉由二階廣義積分器將三相交流電壓訊號分為正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號。
較佳地，補償控制器可通過比例積分單元及模糊類神經網路單元進行電壓驟降前補償。
較佳地，輸出端可連接至負載，負載連接交流電壓源，接收由交流電壓源所傳送的實際電壓，並通過電壓補償訊號對實際電壓進行補償。
承上所述，依本發明之動態電壓補償器及其控制方法，其可具有一或多個下述優點：
(1)此動態電壓補償器及其控制方法可利用電壓訊號偵測器將輸入電壓轉換成正向、負向及平均電壓訊號，避免不對稱電壓驟降時存在穩態誤差，提高動態補償器控制精準度。
(2)此動態電壓補償器及其控制方法能通過比例積分單元及模糊類神經網路單元的控制來提升動態響應效率，且通過線上調整參數來達到更精準的控制，並且提升動態電壓補償器的反應速度。
(3)此動態電壓補償器及其控制方法能通過與電壓源及負載串聯的動態電壓補償器來動態補償電壓源所提供的實際電壓，使得負載能穩定的維持所需的負載電壓，提升電力品質。
10,14:動態電壓補償器
11:輸入端
12:濾波器
13:輸出端
15:輸入電感
16:補償電路
17:轉換電路
18:直流電源
19:輸出線路
21,22:交流電壓源
31,32:負載
41A:正向訊號擷取器
41B:負向訊號擷取器
41C:平均訊號擷取器
42:交流/直流轉換器
43:補償控制器
44:直流/交流轉換器
45:脈波寬度調變單元
L1:輸入層
L2:歸屬層
L3:規則層
L4:輸出層
S1~S6:步驟
為使本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效更為顯而易見，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下：第1圖為本發明實施例之動態電壓補償器之方塊圖。
第2圖為本發明實施例之動態電壓補償器之示意圖。
第3圖為本發明實施例之動態電壓補償器控制方法之流程圖。
第4圖為本發明實施例之濾波器之示意圖。
第5圖為本發明實施例之模糊類神經網路之示意圖。
為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
除非另有定義，本文所使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬技術領域的通常知識者通常理解的含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的含義，並且將不被解釋為理想化的或過度正式的意義，除非本文中明確地如此定義。
請參閱第1圖，其係為本發明實施例之動態電壓補償器之方塊圖。如圖所示，動態電壓補償器10包含輸入端11、濾波器12及輸出端13，動態電壓補償器10是與交流電壓源21及各種電子裝置的負載31串聯而成，由於交流電壓源21在提供電子裝置的負載31電力時，由於電力線上可能發生驟降、驟升或是其他電壓汙染，造成負載31無法得到穩定的電源供應。因此，本實施例中，將動態電壓補償器10串聯於交流電壓源21與負載31之間，通過偵測交流電壓源 21的實際電壓狀態，動態的計算出與預期負載電壓間的差異，作為電壓補償量，再將其輸出至電子裝置中，使得負載31實際獲得的電壓能維持在所需的標準水平，進而改善供電的電力品質。
在本實施例中，動態電壓補償器10的輸入端11可連接交流電壓源21，將交流電壓源21的實際電壓轉為輸入電壓導入濾波器12當中，濾波器12中包含電壓偵測器，交流/直流電壓轉換器、補償控制器及直流/交流電壓轉換器，在供電期間動態擷取交流電壓源21的電壓訊號，通過訊號轉換計算後產生電壓補償訊號，再通過輸出端13提供至負載31或是訊號收集器，藉此取得電壓所需補償數量，使得交流電壓源21即便發生異常或干擾的問題，也不會影響實際供電的穩定性。相關濾波器12的裝置及操作將於後續實施例進一步說明。
請參閱第2圖，其係為本發明實施例之動態電壓補償器之示意圖。如圖所示，動態電壓補償器14的電路結構包含輸入電感15、補償電路16及轉換電路17。輸入電感15為動態電壓補償器14的輸入端，連接於交流電壓源22，交流電壓源22所提供的實際電壓，會通過輸入電感15輸入至動態電壓補償器14的補償電路16，由輸入電感15注入的輸入電壓，會在補償電路16中通過電壓訊號偵測器轉換成三相交流電壓訊號，並將該三相交流電壓訊號分為正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號，為快速計算以進行補償，會再通過交流/直流轉換器將正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號分別轉換成正向直流電壓訊號、負向直流電壓訊號及平均直流電壓訊號。即透過座標軸轉換將三相交流訊號變為兩個DC值的振幅及相位，即時得知三相電壓的情況。
接著，補償電路16中的運算單元，如中央處理器、微處理器等，會執行補償計算的指令，存取上述的直流電壓訊號分別進行計算，進行驟降前補償以將電壓恢復到驟降發生前的狀態。此補償方式能夠同時補償振幅及相位，敏感性負載不會感到任何失真，對於任何種類的電壓驟降均可以補償。另外，補償電路16中可同時包括比例積分單元及模糊類神經網路單元，通過比例積分單元及模糊類神經網路單元進行電壓驟降前補償，產生正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號。通過模糊類神經網路來線上調整網路模型參數，使得比例積分單元在動態響應上能更為準確的控制，並加快補償系統的速度，提升補償效率。
通過補償電路16運算後，再通過轉換電路17將將正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號轉換成正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號。轉換電路17可包括直流/交流轉換器，其連接直流電源18，且轉換電路17可通過輸出線路19傳送至負載32，通過電壓補償訊號對實際電壓進行補償，讓負載能維持穩定的電力供應，提升電力品質。
請參閱第3圖，其係為本發明實施例之動態電壓補償器控制方法之流程圖。配合前述實施例的動態電壓補償器，其控制方法可包含以下步驟(S1~S6)：
步驟S1：藉由動態電壓補償器的輸入端連接交流電壓源，使動態電壓補償器的濾波器接收輸入電壓。動態電壓補償器串聯於交流電壓源，將交流電壓源提供的實際電壓轉為輸入電壓導入動態電壓補償器的濾波器當中。
步驟S2：藉由電壓訊號偵測器將輸入電壓轉換成三相交流電壓訊號，並將三相交流電壓訊號分為正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均 交流電壓訊號。輸入電壓通過電壓訊號偵測器進行轉換，例如使用二階廣義積分器將三相交流電壓訊號分為正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號。
步驟S3：藉由交流/直流轉換器將正向交流電壓訊號、負向交流電壓訊號及平均交流電壓訊號分別轉換成正向直流電壓訊號、負向直流電壓訊號及平均直流電壓訊號。為快速計算以進行補償，將交流電壓訊號分別轉換成直流電壓訊號。
步驟S4：藉由補償控制器將正向直流電壓訊號、負向直流電壓訊號及平均直流電壓訊號進行電壓驟降前補償，產生正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號。補償控制器通過比例積分單元及模糊類神經網路單元進行電壓驟降前補償，詳細的補償方式於以下實施例進一步說明。
步驟S5：藉由直流/交流轉換器將正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號轉換成正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號。通過補償電路運算後，再通過轉換電路將將直流補償訊號轉換成交流補償訊號。
步驟S6：藉由動態電壓補償器的輸出端連接濾波器，接收正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號以產生電壓補償訊號。輸出端擷取上述的交流補償訊號，產生電壓補償訊號，這裡所述的輸出端可連接於負載，對於負載所接收的實際電壓進行補償，讓負載能維持穩定的電力供應。
請參閱第4圖，其係為本發明實施例之濾波器之示意圖。如圖所示，濾波器包括電壓訊號偵測器、交流/直流轉換器、補償控制器以及直流/交流轉換器。電壓訊號偵測器接收輸入電壓，其包含正向訊號擷取器41A、負向訊號 擷取器41B及平均訊號擷取器41C。輸入電壓為三相的交流電壓訊號Vabc，通過正向訊號擷取器41A取得正向交流電壓訊號Vabc+，通過負向訊號擷取器41B取得負向交流電壓訊號Vabc-，而平均訊號擷取器41C則分別擷取三相電壓訊號Va、Vb、Vc進行加總，再將其平均取得平均交流電壓訊號。電壓訊號偵測器可包括二階廣義積分器(second order generalized integrator,SOGI)來取得正向序、負向序及零向序，即正向、負向及三相的交流電壓訊號。
交流/直流轉換器42分別將正向交流電壓訊號Vabc轉換成振福及相位的直流電壓訊號Vd、Vq，即將正向交流電壓訊號Vabc+、負向交流電壓訊號Vabc-及平均交流電壓訊號分別轉換成正向直流電壓訊號Vd+、Vq+、負向直流電壓訊號Vd-、Vq-及平均直流電壓訊號。補償控制器43可包括比例積分單元(Proportional Integration,PI)及模糊類神經網路單元((Fuzzy-Neural Network,FNN)，通過比例積分單元及模糊類神經網路單元進行電壓驟降前補償，產生正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號。直流/交流轉換器44將正向直流補償訊號、負向直流補償訊號及平均直流電壓訊號轉換成正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號。經過加總，由輸出端的脈波寬度調變(Pulse-width modulation,PWM)單元45接收正向交流補償訊號、負向交流補償訊號及平均交流電壓訊號以產生電壓補償訊號。脈波寬度調變單元45可連接於電子裝置的負載，對負載電壓進行調變，達到供電穩定的效果。
請參閱第5圖，其係為本發明實施例之模糊類神經網路之示意圖。通過比例積分單元的控制器進行補償雖然有結構簡單且容易實行的優點，現實系統中往往存在許多不確定因素，比例積分單元的控制器動態響應較差，可能造成系統較不穩定，因此本實施例中進一步使用模糊類神經網路來改善上 述缺點，模糊類神經網路不僅能夠線上調整參數，也能達到較精準的控制，加快系統的響應速度。
如圖所示，模糊類神經網路架構圖由輸入層(Input Layer)L1、歸屬層(Membership Layer)L2、規則層(Rule Layer)L3及輸出層(Output Layer)L4構成。輸入層L1有兩個神經元，各代表一個輸入變數，此層不進行任何運算，直接將輸入訊號傳入下一層，本實施例中的第一個輸入e為動態電壓補償器輸出電壓經過正負零相序分析後的dq0值和補償命令電壓的dq0值之間的誤差，第二個輸入é為第一個輸入e的變化量，這兩個神經元的輸入以及輸出表示如下列公式(1)及(2)所示：
Figure 109134904-A0305-02-0012-1
Figure 109134904-A0305-02-0012-2
歸屬層L2從輸入層L1的兩個神經元e和é個別分出3個歸屬函數，此層每一個輸入訊號對應一個歸屬函數值，本實施例使用歸屬函數為高斯函數，但本揭露不侷限於此。歸屬層L2的輸出公式如(3)及(4)所示。
Figure 109134904-A0305-02-0012-3
Figure 109134904-A0305-02-0012-4
其中
Figure 109134904-A0305-02-0012-5
代表歸屬層L2第j個神經元的輸出值，m ij 代表第j個高斯函數的中心值，σ ij 代表第j個高斯函數的標準差。
規則層L3將歸屬層L2的輸出經過模糊規則運算，並兩兩相乘，其運算如下式(5)及(6)：
Figure 109134904-A0305-02-0013-6
Figure 109134904-A0305-02-0013-7
其中
Figure 109134904-A0305-02-0013-8
為歸屬層L2的輸出，
Figure 109134904-A0305-02-0013-9
為規則層L3與輸出層L4之間的連結權重值。
在輸出層L4中進行解模糊運算，其函數可以表示如以下公式(7)及(8)。
Figure 109134904-A0305-02-0013-10
Figure 109134904-A0305-02-0013-11
其中
Figure 109134904-A0305-02-0013-12
為模糊類神經網路的輸出，
Figure 109134904-A0305-02-0013-13
為規則層L3與輸出層L4之間的連結權重值。
模糊類神經網路的線上學習法則是在每一筆訓練的值輸入模糊類神經網路後，接著用倒傳遞法(Back Propagation)，對類神經網路架構內的連結權重值與參數進行訓練。定義能量誤差函數如公式(9)。
Figure 109134904-A0305-02-0013-14
其中y o 為實際的輸出值，
Figure 109134904-A0305-02-0013-16
為希望得到的輸出，有了誤差函數E，就可以利用倒傳遞演算法推導網路加權值的修正公式。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
10:動態電壓補償器
11:輸入端
12:濾波器
13:輸出端
21:交流電壓源
31:負載

Claims (10)

  1. 一種動態電壓補償器，其包含：一輸入端，係連接一交流電壓源，接收一輸入電壓；一濾波器，其包含：一電壓訊號偵測器，係接收該輸入電壓，並將該輸入電壓轉換成三相交流電壓訊號，並將該三相交流電壓訊號分為一正向交流電壓訊號、一負向交流電壓訊號及一平均交流電壓訊號；一交流/直流轉換器，連接該電壓訊號偵測器，將該正向交流電壓訊號、該負向交流電壓訊號及該平均交流電壓訊號分別轉換成一正向直流電壓訊號、一負向直流電壓訊號及一平均直流電壓訊號；一補償控制器，連接於該交流/直流轉換器，將該正向直流電壓訊號、該負向直流電壓訊號及該平均直流電壓訊號進行一電壓驟降前補償，產生一正向直流補償訊號、一負向直流補償訊號及一平均直流電壓訊號；以及一直流/交流轉換器，連接於該補償控制器，將該正向直流補償訊號、該負向直流補償訊號及該平均直流電壓訊號轉換成一正向交流補償訊號、一負向交流補償訊號及一平均交流電壓訊號；以及一輸出端，係連接該濾波器，接收該正向交流補償訊號、該負向交流補償訊號及該平均交流電壓訊號以產生一電壓補償訊號。
  2. 如請求項1所述之動態電壓補償器，其中該電壓訊號偵測器包含二階廣義積分器。
  3. 如請求項1所述之動態電壓補償器，其中該補償控制器包含一比例積分單元及一模糊類神經網路單元，通過該比例積分單元及該模糊類神經網路單元進行該電壓驟降前補償。
  4. 如請求項3所述之動態電壓補償器，其中該模糊類神經網路單元包含一輸入層、一歸屬層、一規則層及一輸出層。
  5. 如請求項4所述之動態電壓補償器，其中該模糊類神經網路單元包含以一倒傳遞法對該輸出層、該規則層及該歸屬層進行訓練以修正當中的網路加權值。
  6. 如請求項1所述之動態電壓補償器，其中該輸出端連接至一負載，該負載連接該交流電壓源，接收由該交流電壓源所傳送的一實際電壓，並通過該電壓補償訊號對該實際電壓進行補償。
  7. 一種動態電壓補償器的控制方法，其包含以下步驟：藉由一動態電壓補償器的一輸入端連接一交流電壓源，使該動態電壓補償器的一濾波器接收一輸入電壓；藉由一電壓訊號偵測器將該輸入電壓轉換成三相交流電壓訊號，並將該三相交流電壓訊號分為一正向交流電壓訊號、一負向交流電壓訊號及一平均交流電壓訊號；藉由一交流/直流轉換器將該正向交流電壓訊號、該負向交流電壓訊號及該平均交流電壓訊號分別轉換成一正向直流電壓訊號、一負向直流電壓訊號及一平均直流電壓訊號； 藉由一補償控制器將該正向直流電壓訊號、該負向直流電壓訊號及該平均直流電壓訊號進行一電壓驟降前補償，產生一正向直流補償訊號、一負向直流補償訊號及一平均直流電壓訊號；藉由一直流/交流轉換器將該正向直流補償訊號、該負向直流補償訊號及該平均直流電壓訊號轉換成一正向交流補償訊號、一負向交流補償訊號及一平均交流電壓訊號；以及藉由該動態電壓補償器的一輸出端連接該濾波器，接收該正向交流補償訊號、該負向交流補償訊號及該平均交流電壓訊號以產生一電壓補償訊號。
  8. 如請求項7所述之動態電壓補償器的控制方法，其中該電壓訊號偵測器藉由二階廣義積分器將該三相交流電壓訊號分為一正向交流電壓訊號、一負向交流電壓訊號及一平均交流電壓訊號。
  9. 如請求項7所述之動態電壓補償器的控制方法，其中該補償控制器通過一比例積分單元及一模糊類神經網路單元進行該電壓驟降前補償。
  10. 如請求項7所述之動態電壓補償器的控制方法，其中該輸出端連接至一負載，該負載連接該交流電壓源，接收由該交流電壓源所傳送的一實際電壓，並通過該電壓補償訊號對該實際電壓進行補償。
TW109134904A 2020-10-08 2020-10-08 動態電壓補償器及其控制方法 TWI760882B (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104052062A (zh) * 2014-06-10 2014-09-17 江苏大学 基于最小有功功率注入的动态电压恢复器补偿控制方法
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