嵌入不断电系统功能之微型气涡轮发电系统换流器设计

　　前言

随着世界电业自由化的潮流发展，电力公司不再专属于国营事业，开放民营电厂加入电力系统运转及允许用户装设小型发电机组并联售电的市场交易模式，已成为未来电业发展的主要方向。在分散式小型发电系统中，微型气涡轮机具高效率、低污染及燃料多样化等优点，其容量从数十千瓦到数万瓦，适合安装于大电力用户或小型工厂中。微型气涡轮机组态包含气涡轮机、发电机及电能转换器三大部分(图1)，其中气涡轮机组包括进气系统、排气系统、压缩机、复进机、燃烧室及涡轮机等子系统，空气进气经压缩后，首先在燃烧室与燃料混和，燃烧后产生高压氧气体送入涡轮机。此时高压气体将在涡轮机内膨胀并生成机械功，最后带动涡轮叶片，经齿轮组换成适当转速后驱动发电机轮子。在发电机设计部分，微型气涡轮机常采永磁式轮子设计，先进的微型气涡轮机系统中涡轮机与发电机常被安装在同一承轴上，藉以简化包括变速齿轮组等机械结构，然而受到微型机组的尺寸限制，涡轮机转速常高达每分钟数十万转，此时若将涡轮机直接耦合至发电机，则发电机势必采高转速设计，而此举也会导致发电机的输出电频率可能高达数千赫兹，因此微型气涡轮机系统尚须于发电机的输出端加入一级电能转换器以将高频电压经整流器(rectifier)整成直流后，再利用换流器(inverter)转换成商用频率的电力输出。另外如在该发电系统内的换流器运用不同的控制策略，更可使其运转为稳压器，主动滤波器等工作模式，提高其配合电力系统运转策略应用的弹性，因此该系统未来应具备高度之发展潜力。

另一方面，近年来电脑、通讯和各型精密仪器已被广泛应用，由于这些设备对电源的电力质量要求普遍较高，因此不断电系统(Uninterruptible PowerSupply System，UPS)已被广泛应用在用户端以解决用户可能面临的输入电源异常问题。不断电系统的操作原理为市电正常时先将电能储存于蓄电池，市电中断后再自蓄电池内取出供负载使用。如进一步以不断电系统的电路架构区分，其可分成在线型(on-line)、电源互动型(line-interactive)及离线型(off-line)三种。各类型不断电系统皆有其优缺点及适用场合，其中离线型不断电系统常见为单相低容量设计，此类系统所具备的功能较少，较普遍应用于个人电脑与其周边设备上，然而该类系统属热机待命型，因此当市电中断时，不断电系统需经过侦测、决定及动作三个控制步骤，方能将电池电量经换流器作用投入负载使用，换言之，市电瞬断时，负载须承受因系统转换所造成的断电时间。电源互动型不断电系统系以换流器的市电并联运转技术为基础进行设计，其换流器同时负责电池充电及放电的电能转换工作。此类系统由于电能转换器平常即与市电并联运作，因此可减少系统从断电到电池释能所需的转换时间。在线型不断电系统则先将市电电压整流成直流型式，并将直流电压与备用电池连结，再由换流器二次转换为稳定可靠的交流电源输出给负载使用。使用在线型不断电系统，负载将完全不会感受到市电电压的变化，故可提供负载设备最佳的电力防护方案，在实际应用中，较常用于保护通讯设备或对电源品质要求较高的仪器设备上。

今如从技术层面加以思考，微涡轮发电系统与不断电系统内均见性能相近的换流器，因此如能在该发电系统设计上融入不断电系统功能，并使其在所并联的市电网路发生故障时，自动与市电系统解联，转而充当用户端的不断电系统使用，则应可大幅提高本系统的实用参考价值。近年来由于市电电力品质不佳，且用电户使用的设备仪器愈见精密，因此用户端对于不断电电源供应系统的需求益趋强劲，此时如能妥善设计本发电系统，则此类整合型系统应可带来庞大商机。台湾身为全球电力电子的供应重镇，其在电力电子技术上的优势也适合发展该项发电系统产品，因此实有必要对此发电系统进行研究。

由相关文献可看出，嵌入不断电系统功能的微型气涡轮机可分为并联供电模式及备用电源模式，前者指微型气涡轮机与市电并联运转。由于气涡轮机可透过整流线路，维持其电能转换器内的直流电压值准位，因此只要再利用电流控制手法驱动换流器，即可将涡轮机发电量由直流侧抽出，并以单位功因、低谐波失真方式输出至电力系统。在文献上P.G..Barbosa及A.Al-Amoudi等人利用瞬时虚功定理将功率讯号转换成d-q轴域电流参考命令，再回授换流器输出电流进行闭回路设计，此法虽有颇佳的系统响应表现，但控制步骤稍嫌复杂，需耗费大量硬件资源进行数值运算。S.J.Huang及C.Y.Jeong等人则舍瞬时虚功定理，改采时域控制，以基本的电容能量守恒