TWI394340B - Three - phase hybrid power filter device - Google Patents

Description

三相混合式電力濾波裝置

本發明係關於一種三相混合式電力濾波裝置之電力轉換器，其特別有關於應用於濾除三相三線式配電系統諧波電流之混合式電力濾波裝置之電力轉換器，該電力轉換器由採用二極體箝位式多階電力轉換器，其可提高整體混合式電力濾波裝置之效率，降低電力電子開關之耐受電壓及電磁干擾。

近年來配電系統中由於非線性負載快速增加，產生大量諧波電流，該諧波電流導致嚴重影響電力品質，並導致配電系統諸多問題，如變壓器過熱現象、旋轉電機之擾動、電壓失真、破壞電力元件及機器故障等。傳統上解決諧波問題的方法係採用被動式電力濾波器，該被動式電力濾波器由電感及電容器組成，然而被動式電力濾波器會造成諧振問題，且會引起鄰近諧波電流注入問題，而造成被動式電力濾波器之破壞。另外，其濾波特性易受系統電抗影響，而難以獲得良好的濾波效果。

另一解決諧波問題的方法係如美國專利US5,977,660及US5,321,598等採用主動式電力濾波器，請參照第一圖所示，其揭示習用主動式電力濾波器之電路示意圖。該主動式電力濾波器8包含一濾波電感80，一橋式電力轉換器81及一儲能電容器82。該主動式電力濾波器8將產生一補償電流注入一電力饋線，以濾除負載所產生之諧波電流。雖然該主動式電力濾波器8具有良好的濾波特性，然而，該主動式電力濾波器8容量必須等於負載諧波電流與電源電壓之乘積，因此該主動式電力濾波器8容量很大造成其價格昂貴，因而限制其實用性。

為了解決被動式電力濾波器諧振、鄰近諧波電流注入所造成過載問題及主動式電力 濾波器容量大所造成之價格昂貴問題，而有混合式電力濾波裝置被發展出來，如美國專利US5,567,994及US5,731,965等，請參照第二圖所示，其揭示該混合式電力濾波裝置9由一被動式電力濾波器90結合主動式電力濾波器91而成。該被動式電力濾波器90用以降低該主動式電力濾波器91之容量，而該主動式電力濾波器91則用以改善被動式電力濾波器90之濾波效果，並避免諧振及鄰近諧波電流注入等問題，因此，該混合式電力濾波裝置可應用於較大電力容量之非線性負載作為諧波濾除。但其整體混合式電力濾波裝置之效率仍屬有限。

有鑑於混合式電力濾波裝置具有被動式電力濾波器及主動式電力濾波器之優點，在專利US5,567,994及US5,731,965等混合式電力濾波裝置應用在三相三線式配電系統時，該主動電力濾波器中之電力轉換器均採用三相橋式架構，該三相橋式架構使用之電力電子開關元件之耐壓為直流側電壓，所導致整體混合式電力濾波裝置之效率仍屬有限，本發明人為進一步提高整體混合式電力濾波裝置之效率，降低電力電子開關之耐受電壓及電磁干擾，特發展出一種以二極體箝位式多階電力轉換器為基礎之混合式電力濾波裝置，其除了具有提高整體混合式電力濾波裝置之效率外、更可以降低電力電子開關之耐受電壓及減少電磁干擾之優點。

本發明所使用之技術手段在於設計一種三相混合式電力濾波裝置，該混合式電力濾波裝置並聯至一電源系統及一負載；該混合式電力濾波裝置包含：一被動式電力濾波器；一二極體箝位式多階電力轉換器，與該被動式電力濾波器串聯；一零序電流迴路，與該二極體箝位式多階電力轉換器電性連接；該混合式電力濾波裝置產生一補償電流注入該電源系統，抵銷該負載所產生諧波電流，使該電源系統電流趨於正弦波。

1‧‧‧電源

2‧‧‧混合式電力濾波裝置

20‧‧‧被動式電力濾波器

21‧‧‧二極體箝位式多階電力轉換器

210‧‧‧電力電子開關組

211‧‧‧直流電容

212‧‧‧直流電容

22‧‧‧零序電流迴路

221‧‧‧三相端

222‧‧‧中性端

223‧‧‧三相電感器

3‧‧‧負載

40‧‧‧諧波抑制迴路

400‧‧‧三相電流檢出器

401‧‧‧三相帶拒濾波器

402‧‧‧三相放大器

41‧‧‧直流穩壓控制迴路

410‧‧‧電壓檢出器

411‧‧‧減法器

412‧‧‧比例積分控制器

413‧‧‧三相電壓檢出器

414‧‧‧三相相移電路

415‧‧‧三相乘法器

42‧‧‧直流均壓控制迴路

420‧‧‧比例積分控制器

43‧‧‧三相加法器

44‧‧‧三相脈寬調變電路

45‧‧‧三相驅動電路

8‧‧‧主動式電力濾波器

80‧‧‧濾波電感

81‧‧‧橋式電力轉換器

82‧‧‧儲能電容器

9‧‧‧混合式電力濾波裝置

90‧‧‧被動式電力濾波器

91‧‧‧主動式電力濾波器

第一圖係傳統主動式電力濾波器之電路架構。

第二圖係傳統混合式電力濾波裝置之電路架構。

第三圖係本發明三相混合式電力濾波裝置之較佳實施例之電路架構。

第四圖係本發明三相混合式電力濾波裝置之較佳實施例之電力轉換器之控制方塊。

為了讓本發明之上述和其他目的，特徵及優點能更明確被了解，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：

請參考第三圖所示，其揭示本發明之三相混合式電力濾波裝置之較佳實施例，該電源1供應一三相電力給負載3，該混合式電力濾波裝置2與該負載3並聯，用以濾除該負載3所產生之諧波電流。

請再參考第三圖所示三相混合式電力濾波裝置之較佳實施例，該混合式電力濾波裝置2包括一被動式電力濾波器20與一二極體箝位式多階電力轉換器21串聯連接及電性連接一零序電流迴路22，該被動式電力濾波器20為由電感器與電容器組成之一組或多組三相單調諧式電力濾波器組成，該單調諧式電力濾波器選擇調諧在負載主要諧波頻率，大部分該電源1之電壓之基本波成分均降在該被動式電力濾波器20，因此該被動式電力濾波器20可以減少該二極體箝位式多階電力轉換器21之電力容量。

該二極體箝位式多階電力轉換器21由一電力電子開關組210及兩個直流電容211、212，該電力電子開關組210包含三個直流端(+、N及-)、一三臂式電力電子開關組及三個交流端(A,B,C)，該二極體箝位式多階電力轉換器21為一習知之二極體箝位式多階電力轉換器，該三臂式電力電子開關組含有三個電力電子開關臂，每一臂電力電子開關包含四個電力電子開關組及兩個箝位二極體，該四個電力電子開 關組串聯連接，每一個電力電子開關組由一電力電子開關及一二極體並聯連接，該兩個直流電容211、212串聯，該兩個直流電容211、212具相同電容值，該兩個直流電容211、212串聯之兩端及其串聯接點分別連接至該電力電子開關組210之三個直流端(+、-及N)，該電力電子開關組210之三個交流端(A,B,C)連接至該被動式電力濾波器20。

該零序電流迴路22包含一組三相端(221)及一個中性端(222)及一三相電感器(223)，該三相端(221)包含三個端點，該三相端(221)之三個端點分別連接至該二極體箝位式多階電力轉換器21中該電力電子開關組210之三個交流端(A,B,C)，而該零序電流迴路22之中性端(222)則連接至該兩個直流電容211、212串聯接點及該電力電子開關組210之直流端N。

該三相電感器(223)包含三個電感器，該三個電感器之一端構成該零序電流迴路22之三相端221，而該三個電感器之另一端互相連接在一起構成該零序電流迴路22之中性端222。該兩個直流電容211、212建立兩個直流電壓，該兩個直流電壓遠小於該電源1之電壓之峰值，而該電力電子開關組210切換該兩個直流電容211、212建立之直流電壓以產生一補償電壓，該二極體箝位式多階電力轉換器21產生之補償電壓用以提升該被動式電力濾波器20之濾波效果，並保護該被動式電力濾波器20免於諧振及鄰近諧波電流注入之破壞；該二極體箝位式多階電力轉換器21之正常操作有賴於該兩個直流電容211、212產生兩相等之直流電壓，然而由於該兩個直流電容211、212，因製造之誤差，其電容值不可能完全相同，或由於負載3變化之暫態，其均可能造成該兩個直流電容211、212產生之直流電壓不均等，而二極體箝位式多階電力轉換器21應用在混合式電力濾波裝置2時，由於該被動式電力濾波器20為單調諧式電力濾波器，其每一相單調諧式電力濾波器由一個電感器與一個電容器串接組成，因此該被動式電力濾波器20在每一相均包含一個電容器，而該電容器將阻隔直流電流，造成該二極體箝位式多階電力轉換器21無法利用一微小直流電流 來達到該兩個直流電容211、212之均壓，因此該二極體箝位式多階電力轉換器21需一零序電流迴路22，該零序電流迴路22用以流過一微小的直流電流以達到該兩個直流電容211、212之均壓，由於該零序電流迴路22只流過一微小直流電流，且其端電壓為該兩個直流電容211、212之電壓，其遠小於該電源1之電壓之峰值，因此其體積非常小。經由該二極體箝位式多階電力轉換器21之控制，該混合式電力濾波裝置2產生一三相補償電流，該三相補償電流注入該電源1之電力饋線後可使得該電源1所提供之三相電流均趨於正弦波。

請參考第四圖所示三相混合式電力濾波裝置之較佳實施例之電力轉換器之控制方塊，該二極體箝位式多階電力轉換器21採電壓控制式，由以上分析得知，該二極體箝位式多階電力轉換器21之控制方塊包含三個控制迴路，分別為一諧波抑制迴路40用來產生諧波控制信號、一直流穩壓控制迴路41用來產生直流穩壓控制信號及一直流均壓控制迴路42用來產生直流均壓控制信號。該諧波抑制迴路40包含了一三相電流檢出器400、一三相帶拒濾波器401與一三相放大器402，該三相電流檢出器400用以檢出該電源1之三相電流送至該三相帶拒濾波器401，而三相帶拒濾波器401是60Hz帶拒濾波器，用以取出該電源1三相電流之諧波成份，而此諧波成份再經由該三相放大器402放大，可獲得該諧波控制信號。該直流穩壓控制迴路41包含了電壓檢出器410、一減法器411、一比例積分控制器412、一三相電壓檢出器413、一三相相移電路414及一三相乘法器415，該電壓檢出器410檢出該二極體箝位式多階電力轉換器21之兩個直流電容211、212之電壓，該電壓檢出器410內部並計算以輸出一兩個直流電容211、212之電壓和及一兩個直流電容211、212之電壓差，將該兩個直流電容211、212之電壓和與其設定值以該減法器411做相減，相減結果再透過該比例積分控制器412，該三相電壓檢出器413檢出該電源1之三相電壓，再經該三相相移電路414產生超前90度之相移，將該比例積分控制器412與該三相相移電路414之輸出利用該三相乘法器415相乘便可得到該直流穩壓控制訊號。該直流均壓控制迴路42包含一比例積分控制器420，將該電壓檢出器410輸出之該兩個直流電容211 、212之電壓差經由該比例積分控制器420即可產生直流均壓控制訊號。最後將該諧波控制信號、該直流穩壓控制信號及該直流均壓控制信號經一三相加法器43相加即可得到一三相電壓控制信號，將該三相電壓控制信號送至一三相脈寬調變電路44，該三相脈寬調變電路44之輸出送至一三相驅動電路45以產生該二極體箝位式多階電力轉換器21中各電力電子開關元件之驅動信號。

本發明之三相混合式電力濾波裝置中電力轉換器採用該二極體箝位式多階電力轉換器21，相較於傳統兩階式電力轉換器其可提高整體混合式電力濾波裝置之效率，降低電力電子開關之耐受電壓及電磁干擾，並利用該零序電流迴路22可有效解決該二極體箝位式多階電力轉換器21之該兩個直流電容211、212之均壓問題。

雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧電源

2‧‧‧混合式電力濾波裝置

20‧‧‧被動式電力濾波器

21‧‧‧二極體箝位式多階電力轉換器

210‧‧‧電力電子開關組

211‧‧‧直流電容

212‧‧‧直流電容

22‧‧‧零序電流迴路

221‧‧‧三相端

222‧‧‧中性端

223‧‧‧三相電感器

3‧‧‧負載

Claims (10)

1. 一種三相混合式電力濾波裝置，該混合式電力濾波裝置並聯至一電源系統及一負載；該混合式電力濾波裝置包含：一被動式電力濾波器；一二極體箝位式多階電力轉換器，與該被動式電力濾波器串聯；一零序電流迴路，與該二極體箝位式多階電力轉換器電性連接；該混合式電力濾波裝置產生一補償電流注入該電源系統，抵銷該負載所產生諧波電流，使該電源系統電流趨於正弦波。
2. 依申請專利範圍第1項所述之三相混合式電力濾波裝置，該二極體箝位式多階電力轉換器包含：一電力電子開關組，其包含三個直流端、一三臂式電力電子開關組及三個交流端，該三個交流端連接至該被動式電力濾波器，該三個直流端分別為+、-及N端；兩個直流電容，其具相同電容值，該兩個直流電容串聯連接，其串聯連接之兩端及其串聯接點分別連接至該電力電子開關組之三個直流端之+、-及N端，該兩個直流電容用以提供兩個穩定直流電壓供應該電力電子開關組。
3. 依申請專利範圍第1項所述之三相混合式電力濾波裝置，該零序電流迴路，其包含一組三相端及一個中性端，該三相端包含三個端點，該三相端之三個端點分別連接至該二極體箝位式多階電力轉換器中該電力電子開關組之三個交流端，而該中性端則連接至該二極體箝位式多階電力轉換器中該兩個直流電容之串聯接點及該三個直流端之N端，該零序電流迴路用以提供一零序電流之路徑以使該二極體箝位式多階電力轉換器中之該兩個直流電容之直流電壓相等。
4. 依申請專利範圍第1項所述之三相混合式電力濾波裝置，該被動式電力濾波器為由電感器與電容器組成之一組或多組三相單調諧式電力濾波器，該單調諧式電力濾波器選擇調諧在該負載主要諧波頻率。
5. 依申請專利範圍第2項所述之三相混合式電力濾波裝置，該電力電子開關組之每一臂電力電子開關包含四個電力電子開關及兩個箝位二極體。
6. 依申請專利範圍第3項所述之三相混合式電力濾波裝置，該零序電流迴路之由一三相電感器組成，該三相電感器包含三個電感器，該三個電感之一端構成該零序電流迴路之三相端，而該三個電感之另一端互相連接在一起構成該零序電流迴路之中性端。
7. 依申請專利範圍第1項所述之三相混合式電力濾波裝置，該二極體箝位式多階電力轉換器採用電壓控制式，其控制方塊包含一諧波抑制迴路用來產生諧波控制信號、一直流穩壓控制迴路用來產生直流穩壓控制信號及一直流均壓控制迴路用來產生直流均壓控制信號。
8. 依申請專利範圍第7項所述之三相混合式電力濾波裝置，該諧波抑制迴路包含了一三相電流檢出器、一三相帶拒濾波器與一三相放大器，該三相電流檢出器檢出該電源之三相電流送至該三相帶拒濾波器，而三相帶拒濾波器是60Hz帶拒濾波器，用以取出該電源三相電流之諧波成份，而此諧波成份再經由該三相放大器放大，可獲得該諧波控制信號。
9. 依申請專利範圍第7項所述之三相混合式電力濾波裝置，該直流均壓控制迴路包含一比例積分控制器，將該諧波抑制迴路中電壓檢出器輸出之該兩個直流電容之電壓差經由該比例積分控制器即可產生直流均壓控制訊號。
10. 依申請專利範圍第7項所述之三相混合式電力濾波裝置，該諧波控制信號、該直流穩壓控制信號及該直流均壓控制信號經一三相加法器相加即可得到一組電壓控制信號，將該組電壓控制信號送至一三相脈寬度調變電路後再經一三相驅動電路以產生該二極體箝位式多階電力轉換器中各電力電子開關元件之驅動信號。