嵌入不斷電系統(tǒng)功能之微型氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)換流器設(shè)計(jì)

　　前言

　　隨著世界電業(yè)自由化的潮流發(fā)展，電力公司不再專屬于國(guó)營(yíng)事業(yè)，開放民營(yíng)電廠加入電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)及允許用戶裝設(shè)小型發(fā)電機(jī)組并聯(lián)售電的市場(chǎng)交易模式，已成為未來電業(yè)發(fā)展的主要方向。在分散式小型發(fā)電系統(tǒng)中，微型氣渦輪機(jī)具高效率、低污染及燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)，其容量從數(shù)十千瓦到數(shù)萬瓦，適合安裝于大電力用戶或小型工廠中。微型氣渦輪機(jī)組態(tài)包含氣渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及電能轉(zhuǎn)換器三大部分(圖1)，其中氣渦輪機(jī)組包括進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、壓縮機(jī)、復(fù)進(jìn)機(jī)、燃燒室及渦輪機(jī)等子系統(tǒng)，空氣進(jìn)氣經(jīng)壓縮后，首先在燃燒室與燃料混和，燃燒后產(chǎn)生高壓氧氣體送入渦輪機(jī)。此時(shí)高壓氣體將在渦輪機(jī)內(nèi)膨脹并生成機(jī)械功，最后帶動(dòng)渦輪葉片，經(jīng)齒輪組換成適當(dāng)轉(zhuǎn)速后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輪子。在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)部分，微型氣渦輪機(jī)常采永磁式輪子設(shè)計(jì)，先進(jìn)的微型氣渦輪機(jī)系統(tǒng)中渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)常被安裝在同一承軸上，藉以簡(jiǎn)化包括變速齒輪組等機(jī)械結(jié)構(gòu)，然而受到微型機(jī)組的尺寸限制，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速常高達(dá)每分鐘數(shù)十萬轉(zhuǎn)，此時(shí)若將渦輪機(jī)直接耦合至發(fā)電機(jī)，則發(fā)電機(jī)勢(shì)必采高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，而此舉也會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出電頻率可能高達(dá)數(shù)千赫茲，因此微型氣渦輪機(jī)系統(tǒng)尚須于發(fā)電機(jī)的輸出端加入一級(jí)電能轉(zhuǎn)換器以將高頻電壓經(jīng)整流器(rectifier)整成直流后，再利用換流器(inverter)轉(zhuǎn)換成商用頻率的電力輸出。另外如在該發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的換流器運(yùn)用不同的控制策略，更可使其運(yùn)轉(zhuǎn)為穩(wěn)壓器，主動(dòng)濾波器等工作模式，提高其配合電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)策略應(yīng)用的彈性，因此該系統(tǒng)未來應(yīng)具備高度之發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　另一方面，近年來電腦、通訊和各型精密儀器已被廣泛應(yīng)用，由于這些設(shè)備對(duì)電源的電力質(zhì)量要求普遍較高，因此不斷電系統(tǒng)(Uninterruptible PowerSupply System，UPS)已被廣泛應(yīng)用在用戶端以解決用戶可能面臨的輸入電源異常問題。不斷電系統(tǒng)的操作原理為市電正常時(shí)先將電能儲(chǔ)存于蓄電池，市電中斷后再自蓄電池內(nèi)取出供負(fù)載使用。如進(jìn)一步以不斷電系統(tǒng)的電路架構(gòu)區(qū)分，其可分成在線型(on-line)、電源互動(dòng)型(line-interactive)及離線型(off-line)三種。各類型不斷電系統(tǒng)皆有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合，其中離線型不斷電系統(tǒng)常見為單相低容量設(shè)計(jì)，此類系統(tǒng)所具備的功能較少，較普遍應(yīng)用于個(gè)人電腦與其周邊設(shè)備上，然而該類系統(tǒng)屬熱機(jī)待命型，因此當(dāng)市電中斷時(shí)，不斷電系統(tǒng)需經(jīng)過偵測(cè)、決定及動(dòng)作三個(gè)控制步驟，方能將電池電量經(jīng)換流器作用投入負(fù)載使用，換言之，市電瞬斷時(shí)，負(fù)載須承受因系統(tǒng)轉(zhuǎn)換所造成的斷電時(shí)間。電源互動(dòng)型不斷電系統(tǒng)系以換流器的市電并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其換流器同時(shí)負(fù)責(zé)電池充電及放電的電能轉(zhuǎn)換工作。此類系統(tǒng)由于電能轉(zhuǎn)換器平常即與市電并聯(lián)運(yùn)作，因此可減少系統(tǒng)從斷電到電池釋能所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在線型不斷電系統(tǒng)則先將市電電壓整流成直流型式，并將直流電壓與備用電池連結(jié)，再由換流器二次轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定可靠的交流電源輸出給負(fù)載使用。使用在線型不斷電系統(tǒng)，負(fù)載將完全不會(huì)感受到市電電壓的變化，故可提供負(fù)載設(shè)備最佳的電力防護(hù)方案，在實(shí)際應(yīng)用中，較常用于保護(hù)通訊設(shè)備或?qū)﹄娫雌焚|(zhì)要求較高的儀器設(shè)備上。

　　今如從技術(shù)層面加以思考，微渦輪發(fā)電系統(tǒng)與不斷電系統(tǒng)內(nèi)均見性能相近的換流器，因此如能在該發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)上融入不斷電系統(tǒng)功能，并使其在所并聯(lián)的市電網(wǎng)路發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)與市電系統(tǒng)解聯(lián)，轉(zhuǎn)而充當(dāng)用戶端的不斷電系統(tǒng)使用，則應(yīng)可大幅提高本系統(tǒng)的實(shí)用參考價(jià)值。近年來由于市電電力品質(zhì)不佳，且用電戶使用的設(shè)備儀器愈見精密，因此用戶端對(duì)于不斷電電源供應(yīng)系統(tǒng)的需求益趨強(qiáng)勁，此時(shí)如能妥善設(shè)計(jì)本發(fā)電系統(tǒng)，則此類整合型系統(tǒng)應(yīng)可帶來龐大商機(jī)。臺(tái)灣身為全球電力電子的供應(yīng)重鎮(zhèn)，其在電力電子技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)也適合發(fā)展該項(xiàng)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品，因此實(shí)有必要對(duì)此發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究。

　　由相關(guān)文獻(xiàn)可看出，嵌入不斷電系統(tǒng)功能的微型氣渦輪機(jī)可分為并聯(lián)供電模式及備用電源模式，前者指微型氣渦輪機(jī)與市電并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于氣渦輪機(jī)可透過整流線路，維持其電能轉(zhuǎn)換器內(nèi)的直流電壓值準(zhǔn)位，因此只要再利用電流控制手法驅(qū)動(dòng)換流器，即可將渦輪機(jī)發(fā)電量由直流側(cè)抽出，并以單位功因、低諧波失真方式輸出至電力系統(tǒng)。在文獻(xiàn)上P.G..Barbosa及A.Al-Amoudi等人利用瞬時(shí)虛功定理將功率訊號(hào)轉(zhuǎn)換成d-q軸域電流參考命令，再回授換流器輸出電流進(jìn)行閉回路設(shè)計(jì)，此法雖有頗佳的系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)，但控制步驟稍嫌復(fù)雜，需耗費(fèi)大量硬件資源進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算。S.J.Huang及C.Y.Jeong等人則舍瞬時(shí)虛功定理，改采時(shí)域控制，以基本的電容能量守恒設(shè)計(jì)電路，再利用前、后饋補(bǔ)償技巧消除控制擾動(dòng)項(xiàng)(disturbance)。D.C.Mario等人則采滑差控制法改善系統(tǒng)響應(yīng)，至于備用電源模式系指市電網(wǎng)路故障或供電品質(zhì)不佳時(shí)，發(fā)電機(jī)與市電系統(tǒng)解聯(lián)，轉(zhuǎn)而充當(dāng)用戶端的緊急電源使用，此功能猶如用戶裝設(shè)不斷電系統(tǒng)，可確保其用電品質(zhì)。從控制理論來看，如欲使發(fā)電系統(tǒng)具備用電源機(jī)功能，即須使其可控制輸出電壓準(zhǔn)位。今若就換流器控制意涵僅在實(shí)現(xiàn)電壓源來看，則系統(tǒng)應(yīng)可采電壓回授控制法，相關(guān)文獻(xiàn)也已報(bào)道該法具高度準(zhǔn)確性。另外J.E.Quaicoe等人也曾從事以電流控制手法進(jìn)行換流器穩(wěn)壓的研究，包括回授換流器輸出電流、濾波電容電流或負(fù)載電流等。當(dāng)進(jìn)一步考慮本計(jì)劃所擬系統(tǒng)須相容于并聯(lián)供電及備用電源兩種不同模式，如在并聯(lián)供電負(fù)載時(shí)采電流控制法，備用電源模式時(shí)采電壓 控制法，勢(shì)必因兩種控制手法迥異，導(dǎo)致控制線路復(fù)雜度增加，而不同模式間的切換暫態(tài)也有待予以審慎評(píng)估，因此如何整合換流器的控制線路，實(shí)為設(shè)計(jì)嵌入不斷電系統(tǒng)功能的微型氣渦輪機(jī)電氣系統(tǒng)的重要關(guān)鍵。為克服上述問題，國(guó)內(nèi)W.L.Wu等人曾提出以回授電流手法完成等效電壓源及電流源的研究報(bào)告，但該法須回授換流器電流及負(fù)載電流供控制電路使用，因此系統(tǒng)同時(shí)需求多組電流檢測(cè)回路。

　　有鑒于此，本文及在研究適用于微型氣渦輪機(jī)組的電能轉(zhuǎn)換器控制整合架構(gòu)，并聯(lián)用不同的 控制策略將發(fā)電機(jī)組并入市電運(yùn)轉(zhuǎn)，以延伸該機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)功能，配合配電系統(tǒng)不同時(shí)段的特性變化，給予適當(dāng)補(bǔ)償。本文提出以單一電流回授路徑完成所有模式的運(yùn)轉(zhuǎn)控制的方法外，所提方法具備下列幾種特性：

　　(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)融入負(fù)載管理概念，可增加氣渦輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)價(jià)值。

　　(2)完成控制線路整合，大幅減少電路的復(fù)雜性。

　　(3)換流器控制系統(tǒng)僅需求一組電流偵測(cè)器，可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)程序，降低電路制作成本。

　　本文共分為五節(jié)，其內(nèi)容綱要如下所述：第二節(jié)說明本文所提系統(tǒng)架構(gòu)；第三節(jié)則描述控制電路設(shè)計(jì)流程；第四節(jié)為計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果；最后則針對(duì)本文所提方法的特點(diǎn)作一結(jié)論。

　　系統(tǒng)架構(gòu)

　　·電力架構(gòu)

　　圖2繪出本文所研究的線路架構(gòu)圖。如圖所示，高頻發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)整流線路可在電容器上建立直流電壓，再經(jīng)換流器切換后轉(zhuǎn)換成市電頻率之交流電壓輸出。另外一輸出斷路器被連接在換流器輸出側(cè)，該斷路器設(shè)計(jì)于系統(tǒng)故障或維修保養(yǎng)時(shí)啟閉使用。圖2同時(shí)繪出本文所提系統(tǒng)的控制組態(tài)，該控制器功能除電壓電流訊號(hào)擷取電路與核心控制電子電路外，尚包括保護(hù)電驛電路、使用者介面電路等，其中電壓電流訊號(hào)擷取電路負(fù)責(zé)主電路回授訊號(hào)的前處理，如濾波、訊號(hào)隔離等，保護(hù)電驛電路則含發(fā)電系統(tǒng)與市電的故障檢測(cè)回路，如系統(tǒng)過載、分散式電源的獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)偵測(cè)等。

　　在換流器設(shè)計(jì)方面，圖3(a)繪出本文所提系統(tǒng)操作于并聯(lián)供電模式的單項(xiàng)等效電路圖，此時(shí)氣渦輪機(jī)充作電流源使用。由于發(fā)電機(jī)組內(nèi)的換流器采脈波寬度調(diào)變控制，因此輸出電壓須使用電感、電容組成的二階濾波器，以濾除高次諧波，然而觀察圖2可知，濾波電容器、比流器及重要負(fù)載輸出塊在電路分析上實(shí)屬同一節(jié)點(diǎn)，因此可藉由相關(guān)器具安裝位置的重新思考，達(dá)到不同模式控制整合的目的。在本研究中，輸出電感器先與重要負(fù)載輸出塊連結(jié)，連接線接續(xù)貫穿比流器，再與濾波電容器并接及市電連接塊串接，此時(shí)比流器所取樣的訊號(hào)為機(jī)組輸出的市電電流及換流器切換產(chǎn)生的諧波電流，其中該諧波電流屬高頻雜訊，可藉由濾波電路予以排除。市電電流則恰可供換流器設(shè)計(jì)閉回路控制系統(tǒng)使用，以利換流器將汲取自氣渦輪機(jī)的發(fā)電功率送至電力網(wǎng)路。另一方面，當(dāng)市電異常，氣渦輪發(fā)電機(jī)充作用戶的備用電源，如圖3(b)所示，由于缺乏市電挹注，比流器回授訊號(hào)將由并聯(lián)模式的市電電流變成電容電流。由于該電容電流訊號(hào)與輸出電壓準(zhǔn)位相關(guān)，故可供換流器設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)壓回路，達(dá)到備用電源的目的?；谏鲜稣{(diào)整，再配合控制器的整合設(shè)計(jì)，則本文所提系統(tǒng)即可利用單一回授路徑完成所有模式控制，進(jìn)而達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路復(fù)雜度及提高系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠度的目的。

　　控制方法

　　1．市電并聯(lián)供電模式

　　所謂市電并聯(lián)供電模式系指微型氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)欲將所收集的能量透過系統(tǒng)控制，以單位功因形式送至電力網(wǎng)路。本模式控制原理以維持系統(tǒng)內(nèi)直流電容定電壓為核心，其中利用能量守恒觀點(diǎn)可看出，當(dāng)系統(tǒng)功率不平衡時(shí)，直流電容器即會(huì)進(jìn)行儲(chǔ)能或釋能動(dòng)作，并使電容器電壓改變，因此如以功率控制第三回路設(shè)計(jì)在直流外電壓控制回路的前端，該線路將產(chǎn)生正確的抵補(bǔ)訊號(hào)，并與預(yù)設(shè)值合成，利用換流器動(dòng)作強(qiáng)制調(diào)整原僅由整流器單獨(dú)決定的直流電壓值，并使其關(guān)連至高頻發(fā)電機(jī)的輸出功率，則本文所擬研制的系統(tǒng)即可進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)電控制。至于換流器的內(nèi)外回路控制方塊圖則如圖4(a)所示，由該圖可看出在直流電容電壓控制方面，其采分壓電路得到回授電壓Vdcfb，并應(yīng)用一比例積分控制器調(diào)整電容器電壓Vdcfb與預(yù)設(shè)值Vdr間的誤差，其中肇因于直流鏈電壓常含漣波電壓成分，因此電路設(shè)計(jì)上須將直流鏈回授電壓，經(jīng)電阻分壓后先送進(jìn)帶拒濾波器，避免漣波電壓影響到后級(jí)電路的運(yùn)作。另經(jīng)由一參考電壓設(shè)定及比較電路后，定電壓控制電路可自動(dòng)計(jì)算直流鏈實(shí)際電壓與預(yù)設(shè)值的誤差，并將該誤差值經(jīng)比例積分器調(diào)整，得到直流鏈電壓誤差的參考電壓命令，該參考電壓與同相位于市電電壓的正弦訊號(hào)相乘后即可得到參考電流命令值。在電流調(diào)整器部分，使用電流調(diào)整器的目的，乃在于使比流器回授電流值能與控制器參考電流命令值相同，并產(chǎn)生弦式脈沖寬度調(diào)變器所需的調(diào)變訊號(hào)。因此在該電路中，其系連接到比流器，并將比流器測(cè)得的電流訊號(hào)經(jīng)一連串電流電壓訊號(hào)轉(zhuǎn)換后，送至誤差放大電路，以修正參考電流命令與實(shí)際電流間的差異。值得注意的是，由于回授電流訊號(hào)系取自于市電電流，且控制器參考電流命令已被設(shè)計(jì)鎖相于市電電壓，因此當(dāng)電流調(diào)整器完成回授訊號(hào)追隨參考命令，此即代表系統(tǒng)的市電電流可受控保持與市電電壓同相位，進(jìn)而達(dá)到功率因數(shù)矯正的功能。基于上述，內(nèi)回路控制轉(zhuǎn)移方程式可表示為：

　　其中iL為市電電流、iref為參考命令、Lf為電感值、rf為電感內(nèi)電阻、kCR為誤差放大器增益。觀察(1)式可看出，其右邊第二項(xiàng)可藉由提高誤差放大器增益kCR降低其影響，此時(shí)市電電流即僅與參考命令有關(guān)，此時(shí)若能慎選系統(tǒng)控制參數(shù)，則控制器回授訊號(hào)將可準(zhǔn)確追蹤其參考電流命令，因此只要再利用功率控制回路產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娏鲄⒖济?，則可藉由電流調(diào)整器調(diào)整輸出電流波形，達(dá)到高功因、低諧波電流輸出的目的。

        2．備用電源模式

　　在備用電源模式中，市電因并聯(lián)斷路器開路而與氣渦輪機(jī)隔離，此時(shí)在圖4的控制方塊圖中，可忽略市電電壓補(bǔ)償訊號(hào)，現(xiàn)由該圖可推得：

 
　　其中，在(2)-(4)式中，Hv(S)為穩(wěn)壓回路的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)，由該式可看出負(fù)載電壓vo與所設(shè)定的正弦參考信號(hào)voref相關(guān)，因此可藉由系統(tǒng)增益參數(shù)的選定，使系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。

　　系統(tǒng)模擬與驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證本文所提方法可行性，本文已利用電磁暫態(tài)模擬程式(Electro Magnetic Transient Program，EMTP)進(jìn)行電腦分析，系統(tǒng)參數(shù)如表1，訊號(hào)處理部分則以TACS(Transients Analysis of ControlSystem)完成。在此模擬測(cè)試中，首先進(jìn)行市電并聯(lián)供電模式下的發(fā)電輸出實(shí)功率控制試驗(yàn)，其中發(fā)電控制命令起始設(shè)定為10kW，并分別在300ms、600ms變換設(shè)定，增加為20kw及30kw(滿載)，測(cè)試波形如圖5所示。由圖中可看出本文所擬系統(tǒng)確可有效控制渦輪機(jī)發(fā)電功率，并快速追蹤控制命令，達(dá)到市電并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的功能。此外圖6則繪出本文所提系統(tǒng)在并聯(lián)供電模式下進(jìn)行負(fù)載瞬間加載的測(cè)試波形，以測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定度及其暫態(tài)響應(yīng)。其中系統(tǒng)起始為無載，并在100ms瞬間投入大量的電阻性負(fù)載，由該圖可看出，系統(tǒng)功率控制在負(fù)載投入瞬間并無明顯的暫態(tài)變化，因此可以證實(shí)本文所提系統(tǒng)在本模式下運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠度。至于圖7則為系統(tǒng)不斷電功能測(cè)試波形圖，由圖中波形變化可說明市電瞬間中斷暫態(tài)的響應(yīng)結(jié)果，也即市電中斷后，發(fā)電系統(tǒng)仍可輸出一穩(wěn)定的備用電源持續(xù)對(duì)負(fù)載供電，且由控制器單一內(nèi)回路設(shè)計(jì)結(jié)果，負(fù)載端電壓在模式切換時(shí)無中斷問題發(fā)生。

　　另一方面，本文所提方法也已進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室硬體雛形電路測(cè)試，其中測(cè)試電路組態(tài)由圖3所示系統(tǒng)的單相等效電路組成。圖8(a)為市電并聯(lián)供電模式下，系統(tǒng)外接功率因數(shù)0.91的電感性負(fù)載的實(shí)測(cè)波形圖，由圖中可看出，由于連接電感性負(fù)載，如未經(jīng)適當(dāng)補(bǔ)償，其可能導(dǎo)致整體系統(tǒng)市電端的功率因數(shù)低落，但如利用微氣渦輪機(jī)同時(shí)進(jìn)行負(fù)載虛功率補(bǔ)償，則如圖8(b)所示，市電電流與市電電壓仍可控制近同相位，另由圖8也可看出在本試驗(yàn)中部分負(fù)載實(shí)功功率系由發(fā)電機(jī)提供，負(fù)載功率不足額部分再由市電端供應(yīng)，以協(xié)助裝機(jī)用戶減少電費(fèi)支出，同時(shí)協(xié)助電力公司降低發(fā)電負(fù)擔(dān)。

　　再者為實(shí)際驗(yàn)證本文所提系統(tǒng)在備用電源模式下對(duì)于負(fù)載電壓的控制成效，本雛形系統(tǒng)也設(shè)計(jì)在市電隔離的狀況下，加入不同負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，其中圖9(a)為系統(tǒng)工作在電感性負(fù)載下的實(shí)測(cè)波形圖，圖9(b)則為非線性負(fù)載的實(shí)測(cè)波形圖。由該圖可看出無論系統(tǒng)處于何種負(fù)載，經(jīng)由換流器控制，輸出電壓均可維持一穩(wěn)定的60Hz正弦波，且兩個(gè)測(cè)試案例負(fù)載電壓總諧波失真量低于3％。

　　結(jié)語

　　本文提出一微型氣渦輪機(jī)電氣系統(tǒng)的控制整合策略，即以單一電流回授路徑配合內(nèi)控制回路共用設(shè)計(jì)，完成發(fā)電機(jī)并聯(lián)及獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)所有模式的控制作業(yè)，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路的目的。由理論分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，本文所提系統(tǒng)確具可行性，其除可協(xié)助市電網(wǎng)路進(jìn)行負(fù)載管理，也可提供用戶重要負(fù)載的不斷電系統(tǒng)功能，進(jìn)而有效提高微型氣渦輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)用參考價(jià)值。