结合小容量电力转换器之自动功因修正系统之研制

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統之研製※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※計畫類別：▓個別型計畫□整合型計畫計畫編號：NSC90－2626－E－244－001－執行期間：90年8月1日至91年7月31日計畫主持人：吳晉昌共同主持人：計畫參與人員:蘇鈞立陳智義本成果報告包括以下應繳交之附件：□赴國外出差或研習心得報告一份□赴大陸地區出差或研習心得報告一份□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份□國際合作研究計畫國外研究報告書一份執行單位：高苑技術學院電機工程系中華民國91年8月16日1結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統之研製AutomaticPowerFactorRegulatorwithaSmallCapacityPowerConverter計畫編號：NSC90－2626－E－244－001－執行期間：90年8月1日至91年7月31日主持人:吳晉昌高苑技術學院電機工程系計畫參與人員:蘇鈞立陳智義一、中文摘要目前工業界為了提高功率因數，因此大量使用並聯電容器組，包含固定電容器組及自動功因修正系統，它們均無法線性調整補償虛功量，且由於電力系統諧波汙染日益惡化，造成電容器常常遭受諧波破壞，因此本計畫提出一套結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統，小容量電力轉換器主要是用來作補償虛功量之微調，使得功因均能維持接近單位功因，另一個目的在於防止電容器組遭受諧波破壞。本年度計畫為先期研究計畫，針對一些虛功補償技術及本計畫所擬實現之結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統進行研究、分析，並作電腦模擬以驗證其可行性及功能。關鍵詞：虛功,電力轉換器AbstractThepowercapacitorbanksarewidelyusedforimprovingpowerfactorinindustrialpowersystem.Itincludesfixedcapacitorbankandautomaticpowerfactorregulator(APFR).Recently,theharmonicpollutionhasbecomeserious.Thepowercapacitordestructionduetoharmonicpollutionwasoccurredfrequently.Itmayresultintheindustrysafetyevents.Inthisproject,anovelAPFRsystem,consistedofasmallpowerconverterandpowercapacitor,willbeproposed.Thepowerconverterinthissystemcanbeusedtomaintainthepowerfactortobenearlyunityandprotectthepowercapacitorfromharmonicdestruction.Theprojectoffirstyearispre-study.Inthisyear,theconventionalmethodforreactivepowercompensationwillbesurveyedandanalyzed,andthecomputersimulationofproposedmethodwillbemade.Keywords：reactivepower,powerconverter二、緣由與目的目前工業界的負載多為電感性負載，它將產生低的落後性功率因數，而低的功率因數將降低輸電系統的輸電效率及容量，並造成較大的線路壓降，所以台電公司的“營業規則”中規定功率因數以百分之八十為基準，低於百分之八十則每低百分之一，該月分電費增加千分之三，所以工業用戶為了滿足台電公司的規定，以降低電費，均會裝置虛功補償系統，目前虛功補償系統包含電容器組及同步調相機等，在成本考量下，工業界大多採用以電容器組為主的虛功補償技術，根據研究，電力系統中使用電容器的數量約為電力系統容量的25%〜35%[4]。若採用固定電容器組來補償虛功，因為補償的虛功量無法隨負載變動，將造成在輕載時過補償，而使功率因數反而降低且造成過電壓；為了使補償虛功量能隨負載變化，所以自動功因修正系統乃結合電磁開關及電容器組，它可依負載所需之虛功量來投入或切離電容，它的虛功補償量是分段調整的；另外又有將電容器組或電感器配合閘流體(thyristor)來作為虛功補償量之調整稱之為靜態虛功補償器，其中包含閘流體切換電容器(thyristor-switchedcapacitorTSC)、閘流體控制電抗器(thyristor-controlledreactorTCR)、固定電容閘流體控制電抗器(FixedCapacitor,Thyristor-ControlledReactorsFC-TCR)及閘流體切換電容閘流體控制電抗器(TSC-TCR)等如圖一所示[1-3]，閘流體切換電容器是使用多組電容器利用閘流體來決定投入之電容器數目，它的虛功補償量也是分段調整的；而閘流23體控制電抗器、固定電容閘流體控制電抗器及閘流體切換電容閘流體控制電抗器雖可線性調整其補償之虛功量，但卻由於控制電抗器之閘流體沒有導通整個週期而將產生諧波電流，造成諧波污染。近年來，另外一種靜態虛功補償技術被發展出來，它是利用電力電子元件組成之電力轉換器(powerconverter)來產生所需之虛功[7,8]，其架構如圖二所示，它可依據負載而隨時調整虛功補償量。由於工業用負載大都為落後性功因，因此為了有良好的電壓調整率及較低的用電成本，虛功補償技術之發展非常重要。本計畫第一年為先期研究，首先收集一些虛功補償技術加以研究，其次針對本計畫所欲提出之結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統加以研究，並進行電腦模擬及分析以驗證所提方法之功能及可行性。三、虛功補償電容器無論使用固定電容器、自動功因修正系統或靜態虛功補償器均使用電容器並接於配電系統來提供補償之虛功，然而近年來由於非線性負載大量的使用，造成電力系統諧波汙染日益嚴重，因此虛功補償電容器所在之配電系統電壓常因為鄰近的非線性負載而失真，而電容器之阻抗隨著頻率增加而下降，因此失真的匯流排電壓可能造成大量的諧波電流注入電容器組，這可能造成電容器組的過載而燒毀。另一方面，虛功補償電容器可能與系統電抗產生諧振問題，對於配電系統之諧波電壓而言它們可能產生串聯諧振；而對於非線性負載所產生之諧波電流而言，它們可能產生並聯諧振。無論串、並聯諧振，電容器上之電壓及電流都將被放大數倍，甚至數十倍，這將造成電容器之過壓及過流之破壞。因此目前在工業配電系統上，電容器遭受諧波破壞的事件時有所聞，因此電容器的裝設必須非常小心，以免造成嚴重的破壞。四、以電力轉換器為基礎之虛功補償以電力轉換器為基礎之虛功補償技術它是藉由控制器來控制電力轉換器以產生所需之補償虛功，它可隨負載產生超前或落後之虛功，使輸入功因達到單位功因，且無被動式電容器所可能產生與系統電抗諧振之缺點，電力轉換器的控制方式可為電壓控制及電流控制兩種；但它卻受限於電力轉換器之容量及損失，且價格昂貴，而限制其實用性。五、結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統，其系統架構如圖三所示，它利用一較小容量的電力轉換器與電容器串聯再與電容器組組成之自動功因修正系統並聯運轉，電容器組組成之自動功因修正系統作為虛功補償之粗調，而電力轉換器與電容器串聯支路則作為虛功補償之微調並對電容器組作適當保護。在結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統中，電力轉換器操作成一個電壓源，它是一具有與電源電壓同相位之基本波電壓，若電源電壓表示為)tsin(V)t(vssω=(1)則電力轉換器輸出電壓為)tsin(V)t(vccω=(2)因此，電力轉換器與電容器串聯支路所提供之基本波虛功為ccsscX2)VV(VQ−=(3)由上式可發現此支路之基本波虛功正比於跨於支路電容器上面的基波電壓，因此藉由控制電力轉換器所產生之基波電壓便能使得補償之虛功量在一定範圍內作線性調整，例如若電力轉換器輸出電壓為0.5倍4的電源電壓，則可控範圍為原電容器所能提供之虛功之0.5到1.5倍，因此若再配合自動功因修正系統，此電力轉換器與電容器串聯支路作為自動功因修正系統之一段，則只要利用一個較小容量的電力轉換器便能控制較大範圍之補償虛功量。由以上分析，若將自動功因修正系統中電容器組的電容量分配適當，則只須要結合一小容量之電力轉換器便能使傳統自動功因修正系統補償功因達到單位功因。若以六段式自動功因修正系統為例，則電力轉換器之容量只須總補償虛功量之百分之十即可。另一方面，為了進一步抑制電容器組與系統電抗諧振造成之諧波放大效應，本電力轉換器亦用來提供自動功因修正系統之阻尼，若在電容器上並聯一電阻則可做為整個自動功因修正系統之阻尼，諧振電路若有阻尼存在，則可有效抑制其諧振放大現象，因此電力轉換器在自動功因修正系統中亦將完成虛擬諧波電組之作用，亦即它只有在諧波頻率時操作成一電阻，基波時則不作用，如此可避免電力轉換器消耗太多的電力，以減小電力轉換器容量，此外，此虛擬諧波電阻消耗之電力亦可藉由在基頻時反饋回系統，以避免電力損耗。若電力轉換器要操作成一虛擬諧波電阻，只要使電力轉換器產生與匯流排電壓諧波成分同波形之電流，即可等效成一諧波電阻作用，電壓諧波成分與產生電流諧波成分之比為此諧波電阻之量。六、模擬結果為了驗證本計劃所提結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統，我們進行電腦模擬，為了更清楚看出加入電力轉換器之效果，所以使電容器與系統電抗之諧振頻率接近七次諧波頻率，圖四所示為市電電壓失真下電容器之電流及頻譜，圖中市電壓含有5%的七次諧波，由圖中可發現電容器電流之七諧波由於接近系統諧振頻率所以被放大，圖五所示相同條件下加入電力轉換器後之模擬結果，由圖中可看出電容器電流幾乎為正弦波；圖六所示為非線性負載下電容器之電流及頻譜，由圖中可發現負載的諧波電流有一大部分會入電容器，圖七所示為相同條件下加入電力轉換器之模擬結果，由圖中可看出電容器電流回復為弦波，而阻隔諧波電流之注入；圖八所示為自動功因修正系統在非線性負載下之電流及頻譜，由圖中可發現自動功因修正系統之電流在五次諧波頻率產生諧振放大現象，圖九所示相同條件下加入電力轉換器之模擬結果，圖中可發現五次諧波頻率之諧振放大現象被有效抑制。七、結果與討論由以上之原理介紹及模擬結果可發現本計畫所提結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統確實能有效抑制虛功補償電容器與系統電抗產生之諧振，降低流入虛功補償電容器之諧波電流，使虛功補償電容器在諧波污染下亦能正常操作而不致破壞。八、計畫成果自評由於電力系統諧波污染日益惡化，而自動功因修正系統廣泛的被使用在工業界以補償虛功，而自動功因修正系統內之電容器易因諧振產生過載而破壞，本計畫所提結合小容量電力轉換器之自動功因修正系統可預防自動功因修正系統因諧振過載產生的破壞，以增加配電系統的穩定性。九、參考資料1.R.S.KemererandL.E.Berkebile,“DirectlyConnectedStaticVARCompensationinDistributionSystemApplications,”IEEETransactionsonIndustryApplications,Vol.35,No.1,1999,pp.176-182.2.N.GarciaandA.Medina,“FastPeriodicSteadyStateSolutionofSystemsContainingThyristorSwitchedCapacitors,”IEEEPESC,2000,pp.51127-1132.3.B.LockleyandG.Philpott,“StaticVARCompensators,ASolutiontotheBigMotor/WeakSystemProblem,”IEEEIAS