嵌入不断电系统功能之微型气涡轮发电系统换流器设计

设计电路，再利用前、后馈补偿技巧消除控制扰动项(disturbance)。D.C.Mario等人则采滑差控制法改善系统响应，至于备用电源模式系指市电网路故障或供电品质不佳时，发电机与市电系统解联，转而充当用户端的紧急电源使用，此功能犹如用户装设不断电系统，可确保其用电品质。从控制理论来看，如欲使发电系统具备用电源机功能，即须使其可控制输出电压准位。今若就换流器控制意涵仅在实现电压源来看，则系统应可采电压回授控制法，相关文献也已报道该法具高度准确性。另外J.E.Quaicoe等人也曾从事以电流控制手法进行换流器稳压的研究，包括回授换流器输出电流、滤波电容电流或负载电流等。当进一步考虑本计划所拟系统须相容于并联供电及备用电源两种不同模式，如在并联供电负载时采电流控制法，备用电源模式时采电压 控制法，势必因两种控制手法迥异，导致控制线路复杂度增加，而不同模式间的切换暂态也有待予以审慎评估，因此如何整合换流器的控制线路，实为设计嵌入不断电系统功能的微型气涡轮机电气系统的重要关键。为克服上述问题，国内W.L.Wu等人曾提出以回授电流手法完成等效电压源及电流源的研究报告，但该法须回授换流器电流及负载电流供控制电路使用，因此系统同时需求多组电流检测回路。

有鉴于此，本文及在研究适用于微型气涡轮机组的电能转换器控制整合架构，并联用不同的 控制策略将发电机组并入市电运转，以延伸该机组的运转功能，配合配电系统不同时段的特性变化，给予适当补偿。本文提出以单一电流回授路径完成所有模式的运转控制的方法外，所提方法具备下列几种特性：

(1)系统设计融入负载管理概念，可增加气涡轮发电机组的经济运转价值。

(2)完成控制线路整合，大幅减少电路的复杂性。

(3)换流器控制系统仅需求一组电流侦测器，可简化电路设计程序，降低电路制作成本。

本文共分为五节，其内容纲要如下所述：第二节说明本文所提系统架构；第三节则描述控制电路设计流程；第四节为计算机模拟与实测结果；最后则针对本文所提方法的特点作一结论。

系统架构

　　·电力架构

图2绘出本文所研究的线路架构图。如图所示，高频发电机输出电压经整流线路可在电容器上建立直流电压，再经换流器切换后转换成市电频率之交流电压输出。另外一输出断路器被连接在换流器输出侧，该断路器设计于系统故障或维修保养时启闭使用。图2同时绘出本文所提系统的控制组态，该控制器功能除电压电流讯号撷取电路与核心控制电子电路外，尚包括保护电驿电路、使用者介面电路等，其中电压电流讯号撷取电路负责主电路回授讯号的前处理，如滤波、讯号隔离等，保护电驿电路则含发电系统与市电的故障检测回路，如系统过载、分散式电源的独立运转侦测等。

在换流器设计方面，图3(a)绘出本文所提系统操作于并联供电模式的单项等效电路图，此时气涡轮机充作电流源使用。由于发电机组内的换流器采脉波宽度调变控制，因此输出电压须使用电感、电容组成的二阶滤波器，以滤除高次谐波，然而观察图2可知，滤波电容器、比流器及重要负载输出块在电路分析上实属同一节点，因此可藉由相关器具安装位置的重新思考，达到不同模式控制整合的目的。在本研究中，输出电感器先与重要负载输出块连结，连接线接续贯穿比流器，再与滤波电容器并接及市电连接块串接，此时比流器所取样的讯号为机组输出的市电电流及换流器切换产生的谐波电流，其中该谐波电流属高频杂讯，可藉由滤波电路予以排除。市电电流则恰可供换流器设计闭回路控制系统使用，以利换流器将汲取自气涡轮机的发电功率送至电力网路。另一方面，当市电异常，气涡轮发电机充作用户的备用电源，如图3(b)所示，由于缺乏市电挹注，比流器回授讯号将由并联模式的市电电流变成电容电流。由于该电容电流讯号与输出电压准位相关，故可供换流器设计发电机输出稳压回路，达到备用电源的目的。基于上述调整，再配合控制器的整合设计，则本文所提系统即可利用单一回授路径完成所有模式控制，进而达到简化系统电路复杂度及提高系统运转可靠度的目的。

　　控制方法

　　1．市电并联供电模式

所谓市电并联供电模式系指微型气涡轮发电系统欲将所收集的能量透过系统控制，以单位功因形式送至电力网路。本模式控制原理以维持系统内直流电容定电压为核心，其中利用能量守恒观点可看出，当系统功率不平衡时，直流电容器即会进行储能或释能动作，并使电容器电压改变，因此如以功率控制第三回路设计在直流外电压控制回路的前端，该线路将产生正确的抵补讯号，并与预设值合成，