电压控制型互动式不断电电源系统

電壓控制型互動式不斷電電源系統吳晉昌*周宏亮**蔡文蔭***彭鎮隆**蔡新輝***私立高苑技術學院電機工程系**國立高雄應用科技大學電機工程系電力電子研究室***台達電子通訊電源事業群一、摘要本文將探討電壓控制型互動式不斷電電源系統(line-interactiveUPS)，此不斷電電源系統只包含一個電力轉換級，它的實功可雙向流動,當市電正常時，它可操作成一個充電機對蓄電池充電，並且具有主動電力濾波器的功能，濾除非線性負載產生之諧波電流，而當市電故障後，此電力轉換器操作成換流器(Inverter)，將儲存在電池的電能補償負載虛功，使輸入功率因數趨近於單位功因並轉換成交流電能繼續供應負載使用。二、簡介由於非線性負載快速的增加，再加上新電源開發不易，造成電力品質正快速惡化，然而近年來高科技產業蓬勃發展，許多精密儀器設備被使用在製程上，這些精密儀器設備需要仰賴高品質的電力才能正常運轉【1-4】，因此不斷電電源源系統就被廣泛的使用來提供高品質的電力。傳統的不斷電電源系統包含在線式與離線式【5-7】，它們均包含兩個電力轉換級，一級作交流/直流轉換；一級作直流/交流轉換，在線式不斷電電源系統中，交流/直流轉換級主要將市電之交流電能轉到直流電能對蓄電池充電並提供給直流/交流轉換級再轉換成高品質交流電力供給負載，由於負載所需電力須經兩次電能轉換，所以效率較差；而離線式不斷電電源系統中，交流/直流轉換級只用來對蓄電池充電，而直流/交流轉換級在市電正常時空轉，當市電故障才將蓄電池直流電能轉換成交流電能供給負載，在離線式不斷電電能系統中，負載所需電力在市電正常時由市電直接供給，而市電故障後才由直流/交流轉換級供應，因此它的效率較在線式不斷電電源系統高【8.9】，但它的缺點在於負載電力品質直接受制於市電，而且市電故障瞬間有一較長的切換暫態。由於全橋式及半橋式架構電力轉換器，它的能量可雙向流動，因此，近年來有只含單一級電力轉換器之不斷電系統技術被開發出來，它被稱為在線互動式或並聯處理式不斷電電源系統，它又可被分為電壓控制式【10】與電流控制式【11.12】，它的架構稍異如圖一所示，電流控制在線互動式不斷電電源系統中，電力轉換級在市電正常時類似電流源來補償負載之諧波與虛功，使電源電流為一單位功因之弦波電流。而在市電故障後，此電力轉換器操作成一電壓源，繼續對負載供電，它的缺點在於市電正常時負載之電力品質受制於市電。電壓控制在線互動式不斷電電源系統之電力轉換器【13】，不論市電故障與否均操作成一電壓源，市電正常時它亦可補償負載之諧波及虛功，使市電電流為一單位功因之正弦波，此外它亦可過濾市電之突波電壓，使負載能有較佳之電力品質，它的缺點是必須多加一連結電感於市電之迴路。本文將介紹一種電壓控制在線式不斷電電源系統之控制方法，它具有控制電路簡單，不須電流檢出器及響應快速等優點。三、基本原理由圖一(b)所示之電壓控制在線式不斷電電源系統中，在市電正常時，電力轉換器將被控制產生一相位與振幅均可控之弦波電壓，因此電壓控制在線式不斷電電源系統在市電正常時為一雙電壓源系統，中間夾一個連結電感。若市電電壓可表示成()()tVtvSSωsin=(1)電力轉換器產生之電壓可表示成()()δω+=tVtvccsin(2)則市電電流可表示成()()()[]∫−=tCSSSdttVtVLti01()dcSItI+−=θωsin(3)其中()()22cossin1PCCSSVVVLI−+=δδω(4)()()−+−=−221cossincossinPCCPCVVVVVδδδθ(5)式(3)中之直流項為暫態值，它將隨著時間而消失，由式(3)可發現介於兩弦波電壓源間之電流亦為一弦波，不受負載影響，因此在市電電壓為弦波下，電壓控制之在線互動式不斷電電源系統亦能使市電電流為一弦波，而濾除負載之諧波電流成份。圖二中，我們亦可擭得市電所送出之實功與虛功分別為(upXVVPSCSS.sinδ=)(6)()upVVXVQCSSSS.cosδ−=()(7)當市電正常時，負載所需實功直接由市電經連結電感來供應，不須經過任何電力轉換，因此與在線式不斷電電源系統比較，它的損失將可大大減小，另外，市電亦必須提供一實功經連結電感及電力轉換器對蓄電池充電，由式(5)及(7)中可看出藉由控制電力轉換器之電壓亦可使功因角θ或虛功QS為零，因此，在市電正常時市電電流為一單位功因之弦波電流，因此它具有主動式電力濾波器及蓄電池充電器之功能。當市電故障，電力轉換器操作成一反流器將蓄電池的儲能轉換成一固定頻率、固定振幅之弦波電壓繼續供應負載所需，因此不致於使負載斷電。四、控制原理由上述分析可看出電壓控制在線互動式不斷電電源系統中之控制參數為力轉換器輸出電壓之振幅VC及其相位δ，由式(6)與(7)中經分析可發現在相位δ小時，實功受相位δ之影響較大，而虛功受振幅VC影響較大，因此傳統的控制方法是以控制相位δ來控制實功，以控制振幅VC來控制虛功，亦即分成實功與虛功兩控制迴路分別計算相位δ與振幅VC，因此控制電路複雜，且為了防止此兩控制迴路相互作用，因此其中一控制迴路之響應必須變慢，而使得整體響應變差。本文所使用電壓控制在線互動式不斷電電源系統其控制方法只使用一控制迴路即可決定電力轉換器輸出電壓，因為我們期望在市電正常時市電電流為單位功因之弦波，因此式(3)之市電電流可改寫成()()tItiSSωsin=(8)從圖二可推得為了得到此電流之電力轉換器輸出電壓為()()()tiZtVtVSLSC−=(9)其中ZL為連結電感之電抗，圖三所示為其相量圖，由於市電電流與市電電壓同相位，因此跨在連結電感之電壓降將垂直於市電電壓，由圖中可發現電力轉換器輸出電壓為市電電壓與負的連結電感電壓之和，亦即市電電壓與其垂直相量之和，因為ZL為定值，因此，此垂直相量之振幅將正比於市電電流之振幅，而由於市電壓與市電電流同相位，所以市電所供應之實功正比於市電電流，由以上分析我們可推得此垂直相量之大小將決定市電所供應之實功，因此我們可藉由系統實功之控制來決定此垂直向量之振幅。五、系統架構與控制方塊圖四所示為本文所提單相在線互動式不斷電電源系統之架構，其包含連結電感、電力轉換器、蓄電池及三個靜態開關。市電正常時，靜態開關S1與S2閉合，電力轉換器操作成主動電力濾波器及充電機。而當市電故障時，靜態開關S1打開，電力轉換器操作成直流/交流換流器提供備用電力，若電力轉換器維修或過電流時，則靜態開關S1與S2均打開，此時負載電力將直接由市電經靜態開關S3供給。圖五所示為控制方塊，當市電正常時，開關S2放在c點，而當市電故障後則放在d點。當市電正常時，由圖三可知電力轉換器輸出電壓為市電電壓與其垂直向量之和，此垂直向量振幅為可控制的。在工業配電系統上，市電電壓常常因為非線性負載的使用而失真，所以市電電壓經檢出後送到一帶通濾波器I以濾除市電電壓的失真，帶通濾波器I輸出再送到一相移電路以產生一與市電電壓垂直之信號。此垂直信號之振幅可由蓄電池充電電壓/電流之控制迴路來決定，一般蓄電池充電電路可分為均充與浮充，均充為定電流對蓄電池充電，而浮充則為定電壓對蓄電池充電，因此在均/浮充時其分別檢出蓄電池之電流/電壓，為了濾除蓄電池電壓/電流之漣波，所以它們分別被送到低通濾波器1及2，低通濾波器1及2之輸出送到開關S1之a點與b點，開關之選擇由蓄電池電壓決定，蓄電池電壓達到一設定之臨界值，則會改變充電狀態，開關S1輸出與其設定值作比較，比較結果送到一比例積分控制器，比例積分控制器輸出即為垂直信號之振幅，將比例積分控制器與相移電路輸出送到一乘法器相乘即可得到垂直向量，此垂直向量即等效為連結電感電壓，將此垂直向量與帶通濾波器I輸出(市電電壓之基本波)相加即可得到電力轉換器輸出電壓，將此信號送到開關S2之c點作為市電正常時電力轉換器之參考信號。當市電故障時，電力轉換器輸出電壓將由鎖相迴路(PLL)輸出經一帶通濾波器2得到此信號，此信號為一固定振幅固定頻率之弦波，此信號將接到開關S2之d點，當市電故障瞬間開關S2將立刻由c切換到d，而當市電復電後,則必須進行鎖相過程,當鎖相完成後，開關S2才由d點切回c點，最後開關S2輸出送到脈寬調變電路以產生電力轉換器開關模組之切換信號。六、實驗結果為了驗證電壓控制之在線互動式不斷電系統之功能，將建立一單相雛型，主要電路參數如表一。圖六所示為市電正常時之實測結果，負載為單相整流器，由圖中可看出在市電正常時，市電輸入電流為一弦波，且功率因數接近1，因此由此圖可看出電壓控制之在線互動式不斷電系統，在市電正常時具有主動電力濾波器之功能，圖七所示為市電故障後之實測結果，由圖中可看出在市電故障後，電壓控制之在線互動式不斷電電源系統可以將儲存在蓄電池之電能轉換成高品質交流電力繼續供應負載使用。圖八所式為市電故障瞬間之實測結果，由圖中可看出在市電故障發生之暫態響應良好，可以使負載不致斷電。圖九所示為市電復電暫態之實測結果，由圖中可看出在市電復電時，由於有經過鎖相過程所以相當平順。圖十、圖十一為市電電壓失真及市電凹陷與突波下之實測結果，由圖中可知在市電電壓嚴重失真下，亦能有效使負載電壓維持弦波。圖十二、圖十三分別為負載加載與減載暫態之實測結果，由圖中可發現負載端電壓大小於加載或減載暫態時間內能維持穩定輸出，其暫態特性相當良好。七、結論電力品質日益惡化，因此電力品質的改善技術需求非常重要，不斷電電源系統是解決電力品質最有效的方法之一，本文所提之電壓控制在線互動式不斷電電源系統只含有一個電力轉換級，在市電正常時具有主動電力濾波器及蓄電池充電之功能，而在市電故障時能操作成反流器繼續提供備用電源給負載持續使用，且控制電路中不含電流檢出器，且控制電路只含一個迴路所以控制電路簡單，且響應速度可獲得改善。八、致謝感謝台達電子文教基金會之贊助，使得本研究計畫能順利完成。表一電壓控制在線互動式不斷電電源系統之參數。MainsVsLoadConverter電池組FilterInductorFilterCapacitor(a)MainsVsLoadConverter電池組LinkInductorFilterInductorFilterCapacitor(b)圖一電壓控制在線互動式不斷電電源系統，(a)電流模式，(b)電壓模式。圖二電壓控制在線互動式不斷電電源系統等效電路。圖三電壓控制在線互動式不斷電電源系統輸出電壓向量圖。圖四電壓控制在線互動式不斷電電源系統之架構圖。IGBTIGBTIGBTIGBTLoadbatterysetpowerconverterS1S2S3mainslinkinductorvoltagedetectorvoltagedetectorvoltagedetectorcurrentdetectorlow-passfilter2low-passfilter1band-passfilter1PLLcircuitphaseshiftcircuitband-passfilter2PIcontrollerdcbusvoltagechargingcurrentmainsvoltageconverteroutputvoltage++w1w2abcdsettingvalueVC*(t)PWMmodulatorwaveformcontroller圖五電壓控制在線互動式不斷電電源系統之控制方塊圖。圖六市電正常時電壓控制在線互動式不斷電電源系統之實測結果，(a)市電電壓，(b)負載電壓，(c)市電電流，(d)負載電流。圖七市電故障後電壓控制在線互動式不斷電電源系統之實測結果，(a)負載電壓，(b)負載電流。圖八電壓控制在線互動式不斷電電源系統斷電瞬間之實測結果，(a)市電電壓，(b)負載電壓，(c)負載電流。圖九電壓控制在線互動式不斷電電源系統復電暫態之實測結果，(a)負載電壓，(b)市電電流。圖十市電失真下電壓控制在線互動式不斷電電源系統之實測結果，(a)市電電壓，(b)負載電流，(c)負載電壓。圖十一市電突波下電壓控制在線互動式不斷電電源系統之實測結果，(a)市電電壓，(b