結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因修正系統(tǒng)之研制

1、行政院國家科學(xué)委員會補(bǔ)助專題研究計畫成果報告結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因修正系統(tǒng)之研製計畫類別：個別型計畫整合型計畫計畫編號： nsc90 2626e 244001執(zhí)行期間： 90 年 8 月 1 日至91 年 7 月 31 日計畫主持人：吳晉昌共同主持人：計畫參與人員 :蘇鈞立陳智義本成果報告包括以下應(yīng)繳交之附件：赴國外出差或研習(xí)心得報告一份赴大陸地區(qū)出差或研習(xí)心得報告一份出席國際學(xué)術(shù)會議心得報告及發(fā)表之論文各一份國際合作研究計畫國外研究報告書一份執(zhí)行單位：高苑技術(shù)學(xué)院電機(jī)工程系中華民國91年8月16 日1結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因修正系統(tǒng)之研製automatic power fact

2、or regulator with a small capacity power converter計畫編號： nsc902626e244001執(zhí)行期間： 90 年 8 月 1 日至91 年 7 月 31 日主持人: 吳晉昌高苑技術(shù)學(xué)院 電機(jī)工程系計畫參與人員: 蘇鈞立 陳智義一、中文摘要目前工業(yè)界為了提高功率因數(shù)，因此大量使用並聯(lián)電容器組 ，包含固定電容器組及自動功因修正系統(tǒng) ，它們均無法線性調(diào)整補(bǔ)償虛功量 ，且由於電力系統(tǒng)諧波汙染日益惡化，造成電容器常常遭受諧波破壞，因此本計畫提出一套結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因修正系統(tǒng) ，小容量電力轉(zhuǎn)換器主要是用來作補(bǔ)償虛功量之微調(diào)，使得功因均能維持接

3、近單位功因，另一個目的在於防止電容器組遭受諧波破壞。本年度計畫為先期研究計畫，針對一些虛功補(bǔ)償技術(shù)及本計畫所擬實現(xiàn)之結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因修正系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析，並作電腦模擬以驗證其可行性及功能。關(guān)鍵詞：虛功, 電力轉(zhuǎn)換器abstractthe power capacitor banks are widely used for improving power factor in industrial power system. it includes fixed capacitor bank and automatic power factor regulator (apfr). re

4、cently, the harmonic pollution has become serious. the power capacitor destruction due to harmonic pollution was occurred frequently. it may result in the industry safety events. in this project, a novel apfr system, consisted of a small power converter and power capacitor, will be proposed. the pow

5、er converter in this system can be used to maintain the power factor to be nearly unity and protect the power capacitor from harmonic destruction. the project of first year is pre-study. in this year, the conventional method for reactive power compensation will be surveyed and analyzed, and the comp

6、uter simulation of proposed method will be made.keywords：reactive power, power converter二、緣由與目的目前工業(yè)界的負(fù)載多為電感性負(fù)載，它將產(chǎn)生低的落後性功率因數(shù)，而低的功率因數(shù)將降低輸電系統(tǒng)的輸電效率及容量，並造成較大的線路壓降，所以臺電公司的“營業(yè)規(guī)則”中規(guī)定功率因數(shù)以百分之八十為基準(zhǔn)，低於百分之八十則每低百分之一，該月分電費增加千分之三，所以工業(yè)用戶為了滿足臺電公司的規(guī)定，以降低電費，均會裝置虛功補(bǔ)償系統(tǒng)，目前虛功補(bǔ)償系統(tǒng)包含電容器組及同步調(diào)相機(jī)等，在成本考量下，工業(yè)界大多採用以電容器組為主的虛功補(bǔ)償技

7、術(shù)，根據(jù)研究，電力系統(tǒng)中使用電容器的數(shù)量約為電力系統(tǒng)容量的 25%?35%4。若採用固定電容器組來補(bǔ)償虛功，因為補(bǔ)償?shù)奶摴α繜o法隨負(fù)載變動，將造成在輕載時過補(bǔ)償，而使功率因數(shù)反而降低且造成過電壓；為了使補(bǔ)償虛功量能隨負(fù)載變化，所以自動功因修正系統(tǒng)乃結(jié)合電磁開關(guān)及電容器組，它可依負(fù)載所需之虛功量來投入或切離電容，它的虛功補(bǔ)償量是分段調(diào)整的；另外又有 將電 容器組或電 感器 配合閘流體 (thyristor) 來作為虛功補(bǔ)償量之調(diào)整稱之為靜態(tài)虛功補(bǔ)償器，其中包含閘流體切換電容器 (thyristor-switched capacitor tsc)、閘 流 體 控 制 電 抗 器 (thyristo

8、r-controlled reactor tcr)、固定電容閘流體控制電抗器(fixed capacitor, thyristor-controlled reactors fc-tcr)及閘流體切換電容閘流體控制電抗器 (tsc-tcr) 等如圖一所示 1-3 ，閘流體切換電容器是使用多組電容器利用閘流體來決定投入之電容器數(shù)目，它的虛功補(bǔ)償量也是分段調(diào)整的；而閘流2體控制電抗器、固定電容閘流體控制電抗器的裝設(shè)必須非常小心，以免造成嚴(yán)重的器及閘流體切換電容閘流體控制電抗器雖破壞。可線性調(diào)整其補(bǔ)償之虛功量，但卻由於控四、以電力轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)之虛功補(bǔ)償制電抗器之閘流體沒有導(dǎo)通整個週期而將以電力轉(zhuǎn)換器為

9、基礎(chǔ)之虛功補(bǔ)償技術(shù)產(chǎn)生諧波電流，造成諧波污染。近年來，它是藉由控制器來控制電力轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生另外一種靜態(tài)虛功補(bǔ)償技術(shù)被發(fā)展出來，所需之補(bǔ)償虛功，它可隨負(fù)載產(chǎn)生超前或它是利用電力電子元件組成之電力轉(zhuǎn)換器落後之虛功，使輸入功因達(dá)到單位功因，(power converter) 來產(chǎn) 生所 需之 虛功且無被動式電容器所可能產(chǎn)生與系統(tǒng)電抗7,8 ，其架構(gòu)如圖二所示 ，它可依據(jù)負(fù)載諧振之缺點，電力轉(zhuǎn)換器的控制方式可為而隨時調(diào)整虛功補(bǔ)償量。電壓控制及電流控制兩種；但它卻受限於由於工業(yè)用負(fù)載大都為落後性功因，電力轉(zhuǎn)換器之容量及損失，且價格昂貴，因此為了有良好的電壓調(diào)整率及較低的用而限制其實用性。電成本，虛功補(bǔ)償

10、技術(shù)之發(fā)展非常重要。五、結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因本計畫第一年為先期研究，首先收集一些修正系統(tǒng)虛功補(bǔ)償技術(shù)加以研究，其次針對本計畫結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因修所欲提出之結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動正系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖三所示，它利用功因修正系統(tǒng)加以研究，並進(jìn)行電腦模擬一較小容量的電力轉(zhuǎn)換器與電容器串聯(lián)再及分析以驗證所提方法之功能及可行性。與電容器組組成之自動功因修正系統(tǒng)並聯(lián)三、虛功補(bǔ)償電容器運轉(zhuǎn)， 電容器組組成之自動功因修正系統(tǒng)無論使用固定電容器、自動功因修正作為虛功補(bǔ)償之粗調(diào) ， 而電力轉(zhuǎn)換器與電系統(tǒng)或靜態(tài)虛功補(bǔ)償器均使用電容器並接容器串聯(lián)支路則作為虛功補(bǔ)償之微調(diào)並對於配電系統(tǒng)來提供補(bǔ)

11、償之虛功，然而近年電容器組作適當(dāng)保護(hù)。來由於非線性負(fù)載大量的使用，造成電力在結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因系統(tǒng)諧波汙染日益嚴(yán)重，因此虛功補(bǔ)償電修正系統(tǒng)中，電力轉(zhuǎn)換器操作成一個電壓容器所在之配電系統(tǒng)電壓常因為鄰近的非源，它是一具有與電源電壓同相位之基本線性負(fù)載而失真，而電容器之阻抗隨著頻波電壓，若電源電壓表示為率增加而下降，因此失真的匯流排電壓可v s ( t) = vs sin(t )(1)能造成大量的諧波電流注入電容器組，這則電力轉(zhuǎn)換器輸出電壓為可能造成電容器組的過載而燒毀。另一方v c ( t) = vc sin(t )(2)面，虛功補(bǔ)償電容器可能與系統(tǒng)電抗產(chǎn)生因此，電力轉(zhuǎn)換器與電容器串聯(lián)

12、支路所提諧振問題，對於配電系統(tǒng)之諧波電壓而言供之基本波虛功為它們可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振；而對於非線性負(fù)vs (vs - vc )(3)載所產(chǎn)生之諧波電流而言，它們可能產(chǎn)生qc =2x c並聯(lián)諧振。無論串、並聯(lián)諧振，電容器上由上式可發(fā)現(xiàn)此支路之基本波虛功正比於之電壓及電流都將被放大數(shù)倍，甚至數(shù)十跨於支路電容器上面的基波電壓，因此藉倍，這將造成電容器之過壓及過流之破由控制電力轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生之基波電壓便能壞。因此目前在工業(yè)配電系統(tǒng)上，電容器使得補(bǔ)償之虛功量在一定範(fàn)圍內(nèi)作線性調(diào)遭受諧波破壞的事件時有所聞，因此電容整，例如若電力轉(zhuǎn)換器輸出電壓為 0.5倍3的電源電壓，則可控範(fàn)圍為原電容器所能容器電流之七諧波由於

13、接近系統(tǒng)諧振頻率提供之虛功之 0.5 到 1.5 倍，因此若再配所以被放大，圖五所示相同條件下加入電合自動功因修正系統(tǒng)，此電力轉(zhuǎn)換器與電力轉(zhuǎn)換器後之模擬結(jié)果，由圖中可看出電容器串聯(lián)支路作為自動功因修正系統(tǒng)之一容器電流幾乎為正弦波；圖六所示為非線段，則只要利用一個較小容量的電力轉(zhuǎn)換性負(fù)載下電容器之電流及頻譜，由圖中可器便能控制較大範(fàn)圍之補(bǔ)償虛功量。由以發(fā)現(xiàn)負(fù)載的諧波電流有一大部分會入電容上分析，若將自動功因修正系統(tǒng)中電容器器，圖七所示為相同條件下加入電力轉(zhuǎn)換組的電容量分配適當(dāng)，則只須要結(jié)合一小器之模擬結(jié)果，由圖中可看出電容器電流容量之電力轉(zhuǎn)換器便能使傳統(tǒng)自動功因修回復(fù)為弦波，而阻隔諧波電流之注入

14、；圖正系統(tǒng)補(bǔ)償功因達(dá)到單位功因。若以六段八所示為自動功因修正系統(tǒng)在非線性負(fù)載式自動功因修正系統(tǒng)為例，則電力轉(zhuǎn)換器下之電流及頻譜，由圖中可發(fā)現(xiàn)自動功因之容量只須總補(bǔ)償虛功量之百分之十即修正系統(tǒng)之電流在五次諧波頻率產(chǎn)生諧振可。另一方面，為了進(jìn)一步抑制電容器組放大現(xiàn)象，圖九所示相同條件下加入電力與系統(tǒng)電抗諧振造成之諧波放大效應(yīng)，本轉(zhuǎn)換器之模擬結(jié)果，圖中可發(fā)現(xiàn)五次諧波電力轉(zhuǎn)換器亦用來提供自動功因修正系統(tǒng)頻率之諧振放大現(xiàn)象被有效抑制。之阻尼，若在電容器上並聯(lián)一電阻則可做七、結(jié)果與討論為整個自動功因修正系統(tǒng)之阻尼，諧振電由以上之原理介紹及模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn)路若有阻尼存在，則可有效抑制其諧振放本計畫所提結(jié)合小容

15、量電力轉(zhuǎn)換器之自動大現(xiàn)象，因此電力轉(zhuǎn)換器在自動功因修正功因修正系統(tǒng)確實能有效抑制虛功補(bǔ)償電系統(tǒng)中亦將完成虛擬諧波電組之作用，亦容器與系統(tǒng)電抗產(chǎn)生之諧振，降低流入虛即它只有在諧波頻率時操作成一電阻，基功補(bǔ)償電容器之諧波電流，使虛功補(bǔ)償電波時則不作用，如此可避免電力轉(zhuǎn)換器消容器在諧波污染下亦能正常操作而不致破耗太多的電力，以減小電力轉(zhuǎn)換器容量，壞。此外，此虛擬諧波電阻消耗之電力亦可藉八、計畫成果自評由在基頻時反饋回系統(tǒng)，以避免電力損由於電力系統(tǒng)諧波污染日益惡化，而耗。若電力轉(zhuǎn)換器要操作成一虛擬諧波電自動功因修正系統(tǒng)廣泛的被使用在工業(yè)界阻，只要使電力轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與匯流排電壓以補(bǔ)償虛功，而自動功因修正系

16、統(tǒng)內(nèi)之電諧波成分同波形之電流，即可等效成一諧容器易因諧振產(chǎn)生過載而破壞，本計畫所波電阻作用，電壓諧波成分與產(chǎn)生電流諧提結(jié)合小容量電力轉(zhuǎn)換器之自動功因修正波成分之比為此諧波電阻之量。系統(tǒng)可預(yù)防自動功因修正系統(tǒng)因諧振過載六、模擬結(jié)果產(chǎn)生的破壞，以增加配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了驗證本計劃所提結(jié)合小容量電力九、參考資料轉(zhuǎn)換器之自動功因修正系統(tǒng)，我們進(jìn)行電1. r. s. kemerer and l. e. berkebile,腦模擬，為了更清楚看出加入電力轉(zhuǎn)換器“ directly connected static varcompensation in distribution system之效果，所以使

17、電容器與系統(tǒng)電抗之諧振applications,” ieee transactions on頻率接近七次諧波頻率，圖四所示為市電industry applications, v ol. 35, no. 1,1999, pp. 176-182.電壓失真下電容器之電流及頻譜，圖中市2. n. garcia and a. medina,“ fast periodic電壓含有 5%的七次諧波 ，由圖中可發(fā)現(xiàn)電steady state solution of systemscontaining thyristor switchedcapacitors,” ieee pesc, 2000, pp.4112

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