嵌入不断电系统功能之微型气涡轮发电系统换流器设计

利用换流器动作强制调整原仅由整流器单独决定的直流电压值，并使其关连至高频发电机的输出功率，则本文所拟研制的系统即可进行系统发电控制。至于换流器的内外回路控制方块图则如图4(a)所示，由该图可看出在直流电容电压控制方面，其采分压电路得到回授电压Vdcfb，并应用一比例积分控制器调整电容器电压Vdcfb与预设值Vdr间的误差，其中肇因于直流链电压常含涟波电压成分，因此电路设计上须将直流链回授电压，经电阻分压后先送进带拒滤波器，避免涟波电压影响到后级电路的运作。另经由一参考电压设定及比较电路后，定电压控制电路可自动计算直流链实际电压与预设值的误差，并将该误差值经比例积分器调整，得到直流链电压误差的参考电压命令，该参考电压与同相位于市电电压的正弦讯号相乘后即可得到参考电流命令值。在电流调整器部分，使用电流调整器的目的，乃在于使比流器回授电流值能与控制器参考电流命令值相同，并产生弦式脉冲宽度调变器所需的调变讯号。因此在该电路中，其系连接到比流器，并将比流器测得的电流讯号经一连串电流电压讯号转换后，送至误差放大电路，以修正参考电流命令与实际电流间的差异。值得注意的是，由于回授电流讯号系取自于市电电流，且控制器参考电流命令已被设计锁相于市电电压，因此当电流调整器完成回授讯号追随参考命令，此即代表系统的市电电流可受控保持与市电电压同相位，进而达到功率因数矫正的功能。基于上述，内回路控制转移方程式可表示为：

其中iL为市电电流、iref为参考命令、Lf为电感值、rf为电感内电阻、kCR为误差放大器增益。观察(1)式可看出，其右边第二项可藉由提高误差放大器增益kCR降低其影响，此时市电电流即仅与参考命令有关，此时若能慎选系统控制参数，则控制器回授讯号将可准确追踪其参考电流命令，因此只要再利用功率控制回路产生适当的电流参考命令，则可藉由电流调整器调整输出电流波形，达到高功因、低谐波电流输出的目的。

        2．备用电源模式

在备用电源模式中，市电因并联断路器开路而与气涡轮机隔离，此时在图4的控制方块图中，可忽略市电电压补偿讯号，现由该图可推得：

 
　　其中，在(2)-(4)式中，Hv(S)为稳压回路的系统转移函数，由该式可看出负载电压vo与所设定的正弦参考信号voref相关，因此可藉由系统增益参数的选定，使系统输出电压稳定在预设值。

系统模拟与验证

为验证本文所提方法可行性，本文已利用电磁暂态模拟程式(Electro Magnetic Transient Program，EMTP)进行电脑分析，系统参数如表1，讯号处理部分则以TACS(Transients Analysis of ControlSystem)完成。在此模拟测试中，首先进行市电并联供电模式下的发电输出实功率控制试验，其中发电控制命令起始设定为10kW，并分别在300ms、600ms变换设定，增加为20kw及30kw(满载)，测试波形如图5所示。由图中可看出本文所拟系统确可有效控制涡轮机发电功率，并快速追踪控制命令，达到市电并联运转的功能。此外图6则绘出本文所提系统在并联供电模式下进行负载瞬间加载的测试波形，以测验系统电压稳定度及其暂态响应。其中系统起始为无载，并在100ms瞬间投入大量的电阻性负载，由该图可看出，系统功率控制在负载投入瞬间并无明显的暂态变化，因此可以证实本文所提系统在本模式下运转的可靠度。至于图7则为系统不断电功能测试波形图，由图中波形变化可说明市电瞬间中断暂态的响应结果，也即市电中断后，发电系统仍可输出一稳定的备用电源持续对负载供电，且由控制器单一内回路设计结果，负载端电压在模式切换时无中断问题发生。

另一方面，本文所提方法也已进行实验室硬体雏形电路测试，其中测试电路组态由图3所示系统的单相等效电路组成。图8(a)为市电并联供电模式下，系统外接功率因数0.91的电感性负载的实测波形图，由图中可看出，由于连接电感性负载，如未经适当补偿，其可能导致整体系统市电端的功率因数低落，但如利用微气涡轮机同时进行负载虚功率补偿，则如图8(b)所示，市电电流与市电电压仍可控制近同相位，另由图8也可看出在本试验中部分负载实功功率系由发电机提供，负载功率不足额部分再由市电端供应，以协助装机用户减少电费支出，同时协助电力公司降低发电负担。

再者为实际验证本文所提系统在备用电源模式下对于负载电压的控制成效，本雏形系统也设计在市电隔离的状况下，加入不同负载进行测试。实验结果如图9所示，其中图9(a)为系统工作在电感性负载下的实测波形图，图