嵌入不斷電系統功能之微型氣渦輪發電系統換流器設計

　　前言

　　隨著世界電業自由化的潮流發展，電力公司不再專屬于國營事業，開放民營電廠加入電力系統運轉及允許用戶裝設小型發電機組并聯售電的市場交易模式，已成為未來電業發展的主要方向。在分散式小型發電系統中，微型氣渦輪機具高效率、低污染及燃料多樣化等優點，其容量從數十千瓦到數萬瓦，適合安裝于大電力用戶或小型工廠中。微型氣渦輪機組態包含氣渦輪機、發電機及電能轉換器三大部分(圖1)，其中氣渦輪機組包括進氣系統、排氣系統、壓縮機、復進機、燃燒室及渦輪機等子系統，空氣進氣經壓縮后，首先在燃燒室與燃料混和，燃燒后產生高壓氧氣體送入渦輪機。此時高壓氣體將在渦輪機內膨脹并生成機械功，最后帶動渦輪葉片，經齒輪組換成適當轉速后驅動發電機輪子。在發電機設計部分，微型氣渦輪機常采永磁式輪子設計，先進的微型氣渦輪機系統中渦輪機與發電機常被安裝在同一承軸上，藉以簡化包括變速齒輪組等機械結構，然而受到微型機組的尺寸限制，渦輪機轉速常高達每分鐘數十萬轉，此時若將渦輪機直接耦合至發電機，則發電機勢必采高轉速設計，而此舉也會導致發電機的輸出電頻率可能高達數千赫茲，因此微型氣渦輪機系統尚須于發電機的輸出端加入一級電能轉換器以將高頻電壓經整流器(rectifier)整成直流后，再利用換流器(inverter)轉換成商用頻率的電力輸出。另外如在該發電系統內的換流器運用不同的控制策略，更可使其運轉為穩壓器，主動濾波器等工作模式，提高其配合電力系統運轉策略應用的彈性，因此該系統未來應具備高度之發展潛力。

　　另一方面，近年來電腦、通訊和各型精密儀器已被廣泛應用，由于這些設備對電源的電力質量要求普遍較高，因此不斷電系統(Uninterruptible PowerSupply System，UPS)已被廣泛應用在用戶端以解決用戶可能面臨的輸入電源異常問題。不斷電系統的操作原理為市電正常時先將電能儲存于蓄電池，市電中斷后再自蓄電池內取出供負載使用。如進一步以不斷電系統的電路架構區分，其可分成在線型(on-line)、電源互動型(line-interactive)及離線型(off-line)三種。各類型不斷電系統皆有其優缺點及適用場合，其中離線型不斷電系統常見為單相低容量設計，此類系統所具備的功能較少，較普遍應用于個人電腦與其周邊設備上，然而該類系統屬熱機待命型，因此當市電中斷時，不斷電系統需經過偵測、決定及動作三個控制步驟，方能將電池電量經換流器作用投入負載使用，換言之，市電瞬斷時，負載須承受因系統轉換所造成的斷電時間。電源互動型不斷電系統系以換流器的市電并聯運轉技術為基礎進行設計，其換流器同時負責電池充電及放電的電能轉換工作。此類系統由于電能轉換器平常即與市電并聯運作，因此可減少系統從斷電到電池釋能所需的轉換時間。在線型不斷電系統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，再由換流器二次轉換為穩定可靠的交流電源輸出給負載使用。使用在線型不斷電系統，負載將完全不會感受到市電電壓的變化，故可提供負載設備最佳的電力防護方案，在實際應用中，較常用于保護通訊設備或對電源品質要求較高的儀器設備上。

　　今如從技術層面加以思考，微渦輪發電系統與不斷電系統內均見性能相近的換流器，因此如能在該發電系統設計上融入不斷電系統功能，并使其在所并聯的市電網路發生故障時，自動與市電系統解聯，轉而充當用戶端的不斷電系統使用，則應可大幅提高本系統的實用參考價值。近年來由于市電電力品質不佳，且用電戶使用的設備儀器愈見精密，因此用戶端對于不斷電電源供應系統的需求益趨強勁，此時如能妥善設計本發電系統，則此類整合型系統應可帶來龐大商機。臺灣身為全球電力電子的供應重鎮，其在電力電子技術上的優勢也適合發展該項發電系統產品，因此實有必要對此發電系統進行研究。

　　由相關文獻可看出，嵌入不斷電系統功能的微型氣渦輪機可分為并聯供電模式及備用電源模式，前者指微型氣渦輪機與市電并聯運轉。由于氣渦輪機可透過整流線路，維持其電能轉換器內的直流電壓值準位，因此只要再利用電流控制手法驅動換流器，即可將渦輪機發電量由直流側抽出，并以單位功因、低諧波失真方式輸出至電力系統。在文獻上P.G..Barbosa及A.Al-Amoudi等人利用瞬時虛功定理將功率訊號轉換成d-q軸域電流參考命令，再回授換流器輸出電流進行閉回路設計，此法雖有頗佳的系統響應表現，但控制步驟稍嫌復雜，需耗費大量硬件資源進行數值運算。S.J.Huang及C.Y.Jeong等人則舍瞬時虛功定理，改采時域控制，以基本的電容能量守恒設計電路，再利用前、后饋補償技巧消除控制擾動項(disturbance)。D.C.Mario等人則采滑差控制法改善系統響應，至于備用電源模式系指市電網路故障或供電品質不佳時，發電機與市電系統解聯，轉而充當用戶端的緊急電源使用，此功能猶如用戶裝設不斷電系統，可確保其用電品質。從控制理論來看，如欲使發電系統具備用電源機功能，即須使其可控制輸出電壓準位。今若就換流器控制意涵僅在實現電壓源來看，則系統應可采電壓回授控制法，相關文獻也已報道該法具高度準確性。另外J.E.Quaicoe等人也曾從事以電流控制手法進行換流器穩壓的研究，包括回授換流器輸出電流、濾波電容電流或負載電流等。當進一步考慮本計劃所擬系統須相容于并聯供電及備用電源兩種不同模式，如在并聯供電負載時采電流控制法，備用電源模式時采電壓 控制法，勢必因兩種控制手法迥異，導致控制線路復雜度增加，而不同模式間的切換暫態也有待予以審慎評估，因此如何整合換流器的控制線路，實為設計嵌入不斷電系統功能的微型氣渦輪機電氣系統的重要關鍵。為克服上述問題，國內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告，但該法須回授換流器電流及負載電流供控制電路使用，因此系統同時需求多組電流檢測回路。

　　有鑒于此，本文及在研究適用于微型氣渦輪機組的電能轉換器控制整合架構，并聯用不同的 控制策略將發電機組并入市電運轉，以延伸該機組的運轉功能，配合配電系統不同時段的特性變化，給予適當補償。本文提出以單一電流回授路徑完成所有模式的運轉控制的方法外，所提方法具備下列幾種特性：

　　(1)系統設計融入負載管理概念，可增加氣渦輪發電機組的經濟運轉價值。

　　(2)完成控制線路整合，大幅減少電路的復雜性。

　　(3)換流器控制系統僅需求一組電流偵測器，可簡化電路設計程序，降低電路制作成本。

　　本文共分為五節，其內容綱要如下所述：第二節說明本文所提系統架構；第三節則描述控制電路設計流程；第四節為計算機模擬與實測結果；最后則針對本文所提方法的特點作一結論。

　　系統架構

　　·電力架構

　　圖2繪出本文所研究的線路架構圖。如圖所示，高頻發電機輸出電壓經整流線路可在電容器上建立直流電壓，再經換流器切換后轉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，該斷路器設計于系統故障或維修保養時啟閉使用。圖2同時繪出本文所提系統的控制組態，該控制器功能除電壓電流訊號擷取電路與核心控制電子電路外，尚包括保護電驛電路、使用者介面電路等，其中電壓電流訊號擷取電路負責主電路回授訊號的前處理，如濾波、訊號隔離等，保護電驛電路則含發電系統與市電的故障檢測回路，如系統過載、分散式電源的獨立運轉偵測等。

　　在換流器設計方面，圖3(a)繪出本文所提系統操作于并聯供電模式的單項等效電路圖，此時氣渦輪機充作電流源使用。由于發電機組內的換流器采脈波寬度調變控制，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、比流器及重要負載輸出塊在電路分析上實屬同一節點，因此可藉由相關器具安裝位置的重新思考，達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載輸出塊連結，連接線接續貫穿比流器，再與濾波電容器并接及市電連接塊串接，此時比流器所取樣的訊號為機組輸出的市電電流及換流器切換產生的諧波電流，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計閉回路控制系統使用，以利換流器將汲取自氣渦輪機的發電功率送至電力網路。另一方面，當市電異常，氣渦輪發電機充作用戶的備用電源，如圖3(b)所示，由于缺乏市電挹注，比流器回授訊號將由并聯模式的市電電流變成電容電流。由于該電容電流訊號與輸出電壓準位相關，故可供換流器設計發電機輸出穩壓回路，達到備用電源的目的。基于上述調整，再配合控制器的整合設計，則本文所提系統即可利用單一回授路徑完成所有模式控制，進而達到簡化系統電路復雜度及提高系統運轉可靠度的目的。

　　控制方法

　　1．市電并聯供電模式

　　所謂市電并聯供電模式系指微型氣渦輪發電系統欲將所收集的能量透過系統控制，以單位功因形式送至電力網路。本模式控制原理以維持系統內直流電容定電壓為核心，其中利用能量守恒觀點可看出，當系統功率不平衡時，直流電容器即會進行儲能或釋能動作，并使電容器電壓改變，因此如以功率控制第三回路設計在直流外電壓控制回路的前端，該線路將產生正確的抵補訊號，并與預設值合成，利用換流器動作強制調整原僅由整流器單獨決定的直流電壓值，并使其關連至高頻發電機的輸出功率，則本文所擬研制的系統即可進行系統發電控制。至于換流器的內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，并應用一比例積分控制器調整電容器電壓Vdcfb與預設值Vdr間的誤差，其中肇因于直流鏈電壓常含漣波電壓成分，因此電路設計上須將直流鏈回授電壓，經電阻分壓后先送進帶拒濾波器，避免漣波電壓影響到后級電路的運作。另經由一參考電壓設定及比較電路后，定電壓控制電路可自動計算直流鏈實際電壓與預設值的誤差，并將該誤差值經比例積分器調整，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相乘后即可得到參考電流命令值。在電流調整器部分，使用電流調整器的目的，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，并產生弦式脈沖寬度調變器所需的調變訊號。因此在該電路中，其系連接到比流器，并將比流器測得的電流訊號經一連串電流電壓訊號轉換后，送至誤差放大電路，以修正參考電流命令與實際電流間的差異。值得注意的是，由于回授電流訊號系取自于市電電流，且控制器參考電流命令已被設計鎖相于市電電壓，因此當電流調整器完成回授訊號追隨參考命令，此即代表系統的市電電流可受控保持與市電電壓同相位，進而達到功率因數矯正的功能。基于上述，內回路控制轉移方程式可表示為：

　　其中iL為市電電流、iref為參考命令、Lf為電感值、rf為電感內電阻、kCR為誤差放大器增益。觀察(1)式可看出，其右邊第二項可藉由提高誤差放大器增益kCR降低其影響，此時市電電流即僅與參考命令有關，此時若能慎選系統控制參數，則控制器回授訊號將可準確追蹤其參考電流命令，因此只要再利用功率控制回路產生適當的電流參考命令，則可藉由電流調整器調整輸出電流波形，達到高功因、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，市電因并聯斷路器開路而與氣渦輪機隔離，此時在圖4的控制方塊圖中，可忽略市電電壓補償訊號，現由該圖可推得：

 
　　其中，在(2)-(4)式中，Hv(S)為穩壓回路的系統轉移函數，由該式可看出負載電壓vo與所設定的正弦參考信號voref相關，因此可藉由系統增益參數的選定，使系統輸出電壓穩定在預設值。

　　系統模擬與驗證

　　為驗證本文所提方法可行性，本文已利用電磁暫態模擬程式(Electro Magnetic Transient Program，EMTP)進行電腦分析，系統參數如表1，訊號處理部分則以TACS(Transients Analysis of ControlSystem)完成。在此模擬測試中，首先進行市電并聯供電模式下的發電輸出實功率控制試驗，其中發電控制命令起始設定為10kW，并分別在300ms、600ms變換設定，增加為20kw及30kw(滿載)，測試波形如圖5所示。由圖中可看出本文所擬系統確可有效控制渦輪機發電功率，并快速追蹤控制命令，達到市電并聯運轉的功能。此外圖6則繪出本文所提系統在并聯供電模式下進行負載瞬間加載的測試波形，以測驗系統電壓穩定度及其暫態響應。其中系統起始為無載，并在100ms瞬間投入大量的電阻性負載，由該圖可看出，系統功率控制在負載投入瞬間并無明顯的暫態變化，因此可以證實本文所提系統在本模式下運轉的可靠度。至于圖7則為系統不斷電功能測試波形圖，由圖中波形變化可說明市電瞬間中斷暫態的響應結果，也即市電中斷后，發電系統仍可輸出一穩定的備用電源持續對負載供電，且由控制器單一內回路設計結果，負載端電壓在模式切換時無中斷問題發生。

　　另一方面，本文所提方法也已進行實驗室硬體雛形電路測試，其中測試電路組態由圖3所示系統的單相等效電路組成。圖8(a)為市電并聯供電模式下，系統外接功率因數0.91的電感性負載的實測波形圖，由圖中可看出，由于連接電感性負載，如未經適當補償，其可能導致整體系統市電端的功率因數低落，但如利用微氣渦輪機同時進行負載虛功率補償，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也可看出在本試驗中部分負載實功功率系由發電機提供，負載功率不足額部分再由市電端供應，以協助裝機用戶減少電費支出，同時協助電力公司降低發電負擔。

　　再者為實際驗證本文所提系統在備用電源模式下對于負載電壓的控制成效，本雛形系統也設計在市電隔離的狀況下，加入不同負載進行測試。實驗結果如圖9所示，其中圖9(a)為系統工作在電感性負載下的實測波形圖，圖9(b)則為非線性負載的實測波形圖。由該圖可看出無論系統處于何種負載，經由換流器控制，輸出電壓均可維持一穩定的60Hz正弦波，且兩個測試案例負載電壓總諧波失真量低于3％。

　　結語

　　本文提出一微型氣渦輪機電氣系統的控制整合策略，即以單一電流回授路徑配合內控制回路共用設計，完成發電機并聯及獨立運轉所有模式的控制作業，達到簡化系統電路的目的。由理論分析及實驗測試結果可知，本文所提系統確具可行性，其除可協助市電網路進行負載管理，也可提供用戶重要負載的不斷電系統功能，進而有效提高微型氣渦輪機經濟運轉的實用參考價值。