CN105207552B - 多相发电机电源转换系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相发电机电源转换系统及其操作方法，对外部驱动的一多相发电机提供功率因素校正控制。该多相发电机电源转换系统包含一多相电源转换单元与一控制单元。该多相电源转换单元接收该多相发电机所产生多个发电机电压与多个发电机电流，并转换该些发电机电压以输出一直流电压与一直流电流。该控制单元控制该些发电机电流追随该些发电机电压线性变化，以达到对该多相发电机输出功率的功率因素校正。本发明能提高系统控制的强韧性。

Description

多相发电机电源转换系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种发电机电源转换系统及其操作方法，尤其涉及一种具有功率因素校正功能的多相发电机电源转换系统及其操作方法。

背景技术

目前市售常见的发电系统控制，其能源转换器大略可分为无源整流(passiverectification)与有源整流(active rectification)两种系统架构。请参阅图1，为现有技术的具无源整流转换器的发电系统的电路示意图。该发电系统具有一无源全桥式整流器10A，该无源全桥式整流器10A电性耦接一永磁发电机(permanent magnet generator,PMG)20A。该无源全桥式整流器10A将该永磁发电机20A所输出的一三相交流电压转换为一单相直流电压，并且再透过一电感元件Lmp与一开关元件Swp作动，达到能量转换的功效。因此，对于具有无源整流转器架构的发电系统而言，因为只使用单一驱动开关切换即可达到能量转换，因此该系统能量转换功耗极小，故此，用于小功率发电机或在低风速时整体效率最高，此乃为无源整流系统架构的最大优点。然而，由于无源整流系统架构因为无法有源控制交流功率因素，并且该无源全桥式整流器10A仅能取得三相电压峰值位置的能量，因此，使得该永磁发电机20A输出涟波电流而耦合出的涟波转矩将产生振动与噪音。

请参阅图2，为现有技术的具有源整流转换器的发电系统的电路示意图。该有源整流系统架构利用电源侧转换器70A的六个有源开关与三个无源电感器，透过装置于发电机60A上的转子位置检测器取得瞬时的转速与不固定的频率与相位，用来达到瞬时转速控制与空间向量脉波宽度调变(SVPWM)控制所需与发电机电压的同频同相的频率跟随基本波，使其完成能量转换。该有源整流系统架构所使用的控制器，因为可跟随三相交流电压同步变化转换能源，所以能够达到全电压能源转换。惟，由于有源整流系统因需要同时驱动六个有源开关使得控制复杂度提高，功耗也增大，并且搭配永磁发电机需要精准的参数估测与微调，如此将导致控制器不利于各式各样的永磁发电机能源转换。

值得一提，相较于电网所产生的稳定电源，由于风力和风向的时常变动，因此风力发电属于不稳定的供电来源。再者，要对不稳定性的发电机电源提供功率因素校正的控制，更是相当地困难。

因此，如何设计出一种多相发电机电源转换系统及其操作方法，兼具低功耗与控制单纯的设计，并且克服以风力做为发电来源的功率因素校正控制的困难，并且提高系统控制的强韧性，乃为本发明创作人所欲行克服并加以解决的一大课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种多相发电机电源转换系统，对外部驱动的一多相发电机提供功率因素校正控制。该多相发电机电源转换系统包含一多相电源转换单元与一控制单元。该多相电源转换单元接收该多相发电机所产生多个发电机电压与多个发电机电流，并转换该些发电机电压以输出一直流电压与一直流电流。该控制单元包含一外回路控制、一不连续电流限制器以及一内回路控制。该外回路控制接收该直流电压与其中一该发电机电压，以输出至少一电流命令。该不连续电流限制器接收该至少一电流命令，以限制该至少一电流命令的最大值，并输出其中一该电流命令为一电流限制命令。该内回路控制接收该直流电流与该电流限制命令，以控制该多相电源转换单元。透过该不连续电流限制器输出该电流限制命令，控制该些发电机电流追随该些发电机电压线性变化，以达到对该多相发电机输出功率的功率因素校正。

本发明的另一目的在于提供一种发电机电源转换系统的操作方法，对外部驱动的一多相发电机提供功率因素校正控制。该操作方法包含下列步骤：(a)提供一多相电源转换单元，接收该多相发电机所产生多个发电机电压与多个发电机电流，并转换该些发电机电压以输出一直流电压与一直流电流；(b)提供一控制单元，该控制单元包含一外回路控制、一不连续电流限制器以及一内回路控制；(c)该外回路控制接收该直流电压与其中一该发电机电压，以输出至少一电流命令；该不连续电流限制器接收该至少一电流命令，以限制该至少一电流命令的最大值，并输出其中一该电流命令为一电流限制命令；该内回路控制接收该直流电流与该电流限制命令，以控制该多相电源转换单元；以及(d)透过该不连续电流限制器输出该电流限制命令，控制该些发电机电流追随该些发电机电压线性变化，以达到对该多相发电机输出功率的功率因素校正。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为现有技术的具无源整流转换器的发电系统的电路示意图；

图2为现有技术的具有源整流转换器的发电系统的电路示意图；

图3为本发明多相发电机电源转换系统的电路方框图；

图4为本发明多相发电机电源转换系统的控制单元的方框示意图；

图5A为本发明多相发电机电源转换系统的发电机电压与发电机电流的波形图；

图5B为本发明多相发电机电源转换系统的发电机电流的局部放大图；及

图6为本发明发电机电源转换系统操作方法的流程图。

其中，附图标记说明如下：

﹝现有技术﹞

10A 无源全桥式整流器

20A 永磁发电机

60A 发电机

Lmp 电感元件

Swp 开关元件

Tm 转矩参考信号

Vdcm 直流电压命令

﹝本发明﹞

10 多相电源转换单元

20 控制单元

30 电压感测单元

40 电流感测单元

50 输入电压感测单元

60 多相发电机

70 负载或电网

202 外回路控制

204 不连续电流限制器

206 内回路控制

2022 输出功率曲线查表

2024 电压控制回路

2062 电流控制回路

Sw 开关单元

Va,Vb,Vc…Vn 发电机电压

Ia,Ib,Ic…In 发电机电流

Vdc 直流电压

Idc 直流电流

Sc 控制信号

I1* 第一电流命令

I2* 第二电流命令

I* 电流限制命令

V* 电压命令

ton 导通时间

toff 截止时间

S10～S40 步骤

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参阅图3，为本发明多相发电机电源转换系统的电路方框图。该多相发电机电源转换系统，对外部驱动的一多相发电机60提供功率因素校正控制。值得一提，该多相发电机60为一多相永磁发电机(permanent magnet generator,PMG)。其中，上述所谓多相意指不限定该发电机为三相发电机，超过三相的发电机所输出的多相电源更是为本发明与电网所产生的三相交流电源最大差异之处。并且，上述所谓外部驱动指该多相发电机透过外力所驱动，其中，该外力可为风力、水力、水蒸气，甚至人力，因此，不限定该驱动外力来源。只是为了方便说明，在本发明中以风力作为范例说明。此外，在本发明中所使用的控制器以提供一种可达成耦合机电能量至发电机的定子线圈的电源转换系统，并且该控制器可装设在发电机里面。

该多相发电机电源转换系统包含一多相电源转换单元10与一控制单元20。该多相电源转换单元10接收该多相发电机60所产生多个发电机电压Va,Vb,Vc…Vn与多个发电机电流Ia,Ib,Ic…In，并转换该些发电机电压Va,Vb,Vc…Vn以输出一直流电压Vdc与一直流电流Idc，进而一负载70供电或可传送至电网40，使该多相发电机电源转换系统与电网并联运转。上述元件标号a表示a相电压或电流、标号b表示b相电压或电流、标号n表示n相电压或电流，其中，n大于或等于3。

值得一提，该多相电源转换单元10主要透过电源侧的多相电感达到能源转换，并且经过一整流电路整流后，利用开关单元实现该些电感的储能与释能。更具体而言，当该些电感在无初始能量并且被单一固定周期短路储能或释能时，该些电感上的电流将与电压的正负大小形成线性关系。换言之，在每个周期内使得该些电感电流完全放电后进入下个周期作动，如此将使得该些电感电流随着交流电压的正负大小等比例变动。

不连续的电感电流经由一滤波电路阻隔，使得发电机电流平缓，无须直接供应不连续的电感电流，避免发电机产生高涟波转矩。再者，多相不连续的交流电感电流经过该整流电路后，产生一单相不连续直流电流，将此不连续直流电流经由信号滤波或微控制器内部数位滤波后，可得到一连续的直流电流。并且，该连续的直流电流大小为发电机输出电流的峰值，故取此电流作为内回路控制，来控制发电机电流。

该控制单元20包含一外回路控制202、一不连续电流限制器204以及一内回路控制206。该外回路控制202接收该直流电压Vdc与其中一该发电机电压Va,Vb,Vc…Vn，以输出至少一电流命令。该不连续电流限制器204接收该至少一电流命令，以限制该至少一电流命令的最大值，并输出其中一该电流命令为一电流限制命令I*。该内回路控制206接收该直流电流Idc与该电流限制命令I*，以控制该多相电源转换单元10。其中，透过该不连续电流限制器204输出该电流限制命令I*，控制该些发电机电流Ia,Ib,Ic…In追随该些发电机电压Va,Vb,Vc…Vn线性变化，以达到对该多相发电机60输出功率的功率因素校正。至于该多相发电机电源转换系统的操作说明，将于后文有详细的阐述。

复请参阅图3，为了方便说明该多相发电机电源转换系统的操作，因此，在本实施例中是以三相发电机为例加以说明，换言之，该多相电源转换单元10接收该多相发电机60所产生三相发电机电压Va,Vb,Vc与三相发电机电流Ia,Ib,Ic，并转换该三相发电机电压Va,Vb,Vc以输出该直流电压Vdc与该直流电流Idc。该多相发电机电源转换系统更包含一电压感测单元30、一电流感测单元40以及一输入电压感测单元50。该输入电压感测单元50连接该三相发电机60的功率输出端与该控制单元20的间，以检测该三相发电机60所产生的三相发电机电压Va,Vb,Vc，并将所检测到的三相发电机电压Va,Vb,Vc传送至该控制单元20。该电压感测单元30连接该多相电源转换单元10与该控制单元20之间，以检测该多相电源转换单元10所转换并输出的该直流电压Vdc，并将所检测到的该直流电压Vdc传送至该控制单元20。该电流感测单元40连接该多相电源转换单元10与该控制单元20之间，以检测该多相电源转换单元10所转换并输出的该直流电流Idc，并将所检测到的该直流电流Idc传送至该控制单元20。

请参阅图4，为本发明多相发电机电源转换系统的控制单元的方框示意图。如上所述，该控制单元20包含该外回路控制202、该不连续电流限制器204以及该内回路控制206。外回路控制202包含一输出功率曲线查表2022与一电压控制回路2024。该输出功率曲线查表2022接收该其中一该三相发电机电压Va,Vb,Vc，以输出一第一电流命令I1*。该电压控制回路2024接收该直流电压Vdc与一电压命令V*，并且比较该直流电压Vdc与该电压命令V*，以输出一第二电流命令I2*。更具体而言，该电压控制回路2024系放大该电压命令V*与该直流电压Vdc之间的一电压误差(V*-Vdc)，以输出该第二电流命令I2*。

该不连续电流限制器204接收该第一电流命令I1*与该第二电流命令I2*，以限制该第一电流命令I1*与该第二电流命令I2*的最大值，并输出第一电流命令I1*或该第二电流命令I2*的其中一个电流命令为该电流限制命令I*。该内回路控制206包含一电流控制回路2062。该电流控制回路2062接收该直流电流Idc与该电流限制命令I*，并且比较该直流电流Idc与该电流限制命令I*，以输出一控制信号Sc，进而控制该多相电源转换单元10。更具体而言，该电流控制回路2062放大该电流限制命令I*与该直流电流Idc之间的一电流误差(I*-Idc)，以输出该控制信号Sc。其中，该控制信号Sc为一脉波宽度调变信号(pulse widthmodulation signal,PWM signal)。因此，该多相发电机电源转换系统更包含一脉波宽度调变信号驱动单元，再者，该多相电源转换单元10更包含一开关单元Sw，并且该电流控制回路2062所输出该控制信号Sc以控制该开关单元Sw，进而控制该多相发电机60为抽载操作或制动操作。更具体而言，当该控制信号Sc为高电平导通该开关单元Sw时，短路制动该多相发电机60。反之，当该控制信号Sc高频切换该开关单元Sw时，控制该多相发电机60根据电压-电流曲线特性，实现最大功率点追踪(maximum power point tracking,MPPT)的抽载操作。

请参阅图5A，为本发明多相发电机电源转换系统的发电机电压与发电机电流的波形图。以三相发电机为例，图5A由上而下分别为a相发电机电压Va与a相发电机电流Ia、b相发电机电压Vb与b相发电机电流Ib以及c相发电机电压Vc与c相发电机电流Ic。透过该控制单元20的该不连续电流限制器204输出一最大值受到限制的该电流限制命令I*，以控制该多相电源转换单元10操作在一不连续导通模式(discontinuous conduction mode,DCM)，使得每一相发电机电流Ia,Ib,Ic以对应追随同相的该发电机电压Va,Vb,Vc线性变化，以达到对该多相发电机60输出功率的功率因素校正。再者，由图5B为本发明多相发电机电源转换系统的发电机电流的局部放大图(对应于图5A中a相发电机电压Va与a相发电机电流Ia的A处放大)可看出，该多相电源转换单元10操作在不连续导通模式下，其中，ton为该开关单元Sw的导通时间，而toff为该开关单元Sw的截止时间。

请参阅图6，为本发明发电机电源转换系统操作方法的流程图。该发电机电源转换系统操作方法包含下列步骤：

S10：提供一多相电源转换单元，接收该多相发电机所产生多个发电机电压与多个发电机电流，并转换该些发电机电压以输出一直流电压与一直流电流；

S20：提供一控制单元，该控制单元包含一外回路控制、一不连续电流限制器以及一内回路控制；

S30：该外回路控制接收该直流电压与其中一该发电机电压，以输出至少一电流命令；该不连续电流限制器接收该至少一电流命令，以限制该至少一电流命令的最大值，并输出其中一该电流命令为一电流限制命令；该内回路控制接收该直流电流与该电流限制命令，以控制该多相电源转换单元；及

S40：透过该不连续电流限制器输出该电流限制命令，控制该些发电机电流追随该些发电机电压线性变化，以达到对该多相发电机输出功率的功率因素校正。

例如，在步骤S30中，该外回路控制包含：一输出功率曲线查表，接收该其中一该发电机电压，以输出一第一电流命令；及一电压控制回路，接收该直流电压与一电压命令，并且比较该直流电压与该电压命令，以输出一第二电流命令。

例如，在步骤S30中，该内回路控制包含：一电流控制回路，接收该直流电流与该电流限制命令，并且比较该直流电流与该电流限制命令，以输出一控制信号，进而控制该多相电源转换单元。

例如，该多相电源转换单元更包含一开关单元；该控制信号控制该开关单元，进而控制该多相发电机为抽载操作或制动操作。

例如，该电压控制回路放大该电压命令与该直流电压之间的一电压误差，以输出该第二电流命令。

例如，该电流控制回路放大该电流限制命令与该直流电流之间的一电流误差，以输出该控制信号。

例如，该控制信号为一脉波宽度调变信号，并且该多相发电机电源转换系统更包含一脉波宽度调变信号驱动单元，以提供该控制信号控制该开关单元。

例如，该多相发电机电源转换系统提供达成耦合机电能量至多相发电机的定子线圈的电源转换系统。

例如，该外部驱动为由外部的风力、水力、水蒸气或人力所驱动。

综上所述，本发明是具有以下的特征与优点：

1、兼具低功耗与控制单纯的设计，且无关相位频率大小的无源式功率因素校正的电源转换系统；

2、提出多相(有别于电网所产生的三相交流电源)发电机电源转换系统及其操作方法，可应用于超过三相的发电机60所输出的多相电源，以增加更广、更具弹性的应用；及

3、控制该多相电源转换单元10操作在一不连续导通模式(DCM)，使得每一相发电机电流以对应追随同相的该发电机电压线性变化，以达到对该多相发电机60输出功率的功率因素校正，以克服不稳定的风力做为发电来源(相较于电网所产生的稳定电源)的功率因素校正控制的困难度，并且提高系统控制的强韧性(robustness)。

惟，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本发明的专利范围。

Claims (18)

1.一种多相发电机电源转换系统，对外部驱动的一多相发电机提供功率因素校正控制，该多相发电机电源转换系统包含：

一多相电源转换单元，接收该多相发电机所产生多个发电机电压与多个发电机电流，并转换该些发电机电压以输出一直流电压与一直流电流；及

一控制单元，包含：

一外回路控制，接收该直流电压与其中一该发电机电压，以输出至少一电流命令；

一不连续电流限制器，接收该至少一电流命令，以限制该至少一电流命令的最大值，并输出其中一该电流命令为一电流限制命令；及

一内回路控制，接收该直流电流与该电流限制命令，以控制该多相电源转换单元；

其中透过该不连续电流限制器输出该电流限制命令，控制该些发电机电流追随该些发电机电压线性变化，以达到对该多相发电机输出功率的功率因素校正。

2.如权利要求1的多相发电机电源转换系统，其中该外回路控制包含：

一输出功率曲线查表，接收该其中一该发电机电压，以输出一第一电流命令；及

一电压控制回路，接收该直流电压与一电压命令，并且比较该直流电压与该电压命令，以输出一第二电流命令。

3.如权利要求1的多相发电机电源转换系统，其中该内回路控制包含：

一电流控制回路，接收该直流电流与该电流限制命令，并且比较该直流电流与该电流限制命令，以输出一控制信号，进而控制该多相电源转换单元。

4.如权利要求3的多相发电机电源转换系统，其中该多相电源转换单元更包含一开关单元；该控制信号控制该开关单元，进而控制该多相发电机为抽载操作或制动操作。

5.如权利要求2的多相发电机电源转换系统，其中该电压控制回路放大该电压命令与该直流电压之间的一电压误差，以输出该第二电流命令。

6.如权利要求3的多相发电机电源转换系统，其中该电流控制回路系放大该电流限制命令与该直流电流之间的一电流误差，以输出该控制信号。

7.如权利要求4的多相发电机电源转换系统，其中该控制信号为一脉波宽度调变信号，并且该多相发电机电源转换系统更包含一脉波宽度调变信号驱动单元，以提供该控制信号控制该开关单元。

8.如权利要求1的多相发电机电源转换系统，其中该多相发电机电源转换系统提供达成耦合机电能量至多相发电机的定子线圈的电源转换系统。

9.如权利要求1的多相发电机电源转换系统，其中该外部驱动为由外部的风力、水力、水蒸气或人力所驱动。

10.一种多相发电机电源转换系统的操作方法，对外部驱动的一多相发电机提供功率因素校正控制，该操作方法包含下列步骤：

(a)提供一多相电源转换单元，接收该多相发电机所产生多个发电机电压与多个发电机电流，并转换该些发电机电压以输出一直流电压与一直流电流；

(b)提供一控制单元，该控制单元包含一外回路控制、一不连续电流限制器以及一内回路控制；

(c)该外回路控制接收该直流电压与其中一该发电机电压，以输出至少一电流命令；该不连续电流限制器接收该至少一电流命令，以限制该至少一电流命令的最大值，并输出其中一该电流命令为一电流限制命令；该内回路控制接收该直流电流与该电流限制命令，以控制该多相电源转换单元；及

(d)透过该不连续电流限制器输出该电流限制命令，控制该些发电机电流追随该些发电机电压线性变化，以达到对该多相发电机输出功率的功率因素校正。

11.如权利要求10的多相发电机电源转换系统操作方法，其中在步骤(c)中，该外回路控制包含：

一输出功率曲线查表，接收该其中一该发电机电压，以输出一第一电流命令；及

一电压控制回路，接收该直流电压与一电压命令，并且比较该直流电压与该电压命令，以输出一第二电流命令。

12.如权利要求10的多相发电机电源转换系统操作方法，其中在步骤(c)中，该内回路控制包含：

一电流控制回路，接收该直流电流与该电流限制命令，并且比较该直流电流与该电流限制命令，以输出一控制信号，进而控制该多相电源转换单元。

13.如权利要求12的多相发电机电源转换系统操作方法，其中该多相电源转换单元更包含一开关单元；该控制信号控制该开关单元，进而控制该多相发电机为抽载操作或制动操作。

14.如权利要求11的多相发电机电源转换系统操作方法，其中该电压控制回路放大该电压命令与该直流电压之间的一电压误差，以输出该第二电流命令。

15.如权利要求12的多相发电机电源转换系统操作方法，其中该电流控制回路放大该电流限制命令与该直流电流之间的一电流误差，以输出该控制信号。

16.如权利要求12的多相发电机电源转换系统操作方法，其中该控制信号为一脉波宽度调变信号，并且该多相发电机电源转换系统更包含一脉波宽度调变信号驱动单元，以提供该控制信号控制开关单元。

17.如权利要求10的多相发电机电源转换系统操作方法，其中该多相发电机电源转换系统提供达成耦合机电能量至多相发电机的定子线圈的电源转换系统。

18.如权利要求10的多相发电机电源转换系统操作方法，其中该外部驱动为由外部的风力、水力、水蒸气或人力所驱动。