臺灣博碩士論文加值系統

在科技發達的社會裡，許多場合需要嚴格的電源供應，而由於電源端電壓的變動，及其電力電子設備廣泛的使用所產生的電流諧波污染，將會嚴重損壞系統設備和影響電力品質，所以如何改善電源端電壓的變動和負載電流諧波源對系統的影響，是一直長期被討論的問題。而為了解決上述的問題，本文提出多階中性點箝位電力轉換器(Multi-Level Neutral Point Clamped Power Converter)，其具有開關元件所需耐壓較低、低電壓諧波、雙向功率傳輸、重量輕等優點，並且再利用疊接(Cascade)的方式，再次降低開關元件和儲能元件的耐壓，使得成本的降低及其更有能力往高壓應用範圍的推廣。

在針對於負載電流諧波或電源端電壓的變動方面，本文所提出的電路架構可應用於主動式電力濾波器(Active Power Filter)、動態電壓調整器(Dynamic Voltage Regulator)來加以改善。文中所提出的電路架構將利用Matlab/Simulink來分析、模擬；並以TMS320C32搭配周邊硬體電路來完成實作量測，經實驗結果證實此電力轉換器具有達成優良電力品質之特性。

In the technology developing society, the supply of the power source is needed in many different situations. How to improve the voltage variation and harmonic current in the ac system will be discussed in this thesis. In order to solve these problems, the multi level PWM technology. Which lower voltage stress components, and lower voltage harmonic characteristic, is presented. The cascade circuit can reduce voltage stress components.

The current harmonic distortion and voltage variation are very important in the power quality problem. In this thesis, the multi-level neutral point clamped power converter is used to improve the current harmonic and variation voltage. First the Matlab/Simulink tool is used to simulate the proposed control scheme. Finally, the experimental results based on TI DSP (TMS320C32) controller are provided to verity the effectiveness of the control algorithm.

目 錄


中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 ix
圖目錄 xi
符號說明 xxi
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 2
1.3 論文綱要 4
第二章 電力品質概論 5
2.1 不良電力品質之分類 5
2.1.1 諧波 5
2.1.2 電壓閃爍 6
2.1.3 電壓突波與電流突波 7
2.1.4 電壓驟降與欠電壓 7
2.1.5 電壓驟升與過電壓 8
2.1.6 電力中斷 9
2.2 電力品質改善設備 10
2.2.1 靜態電容器 10
2.2.2 串聯電抗器 10
2.2.3 主動功率因數補償器或功率因數控制器 10
2.2.4 LC濾波器或單通濾波器 11
2.2.5 閘流體控制電容器 11
2.2.6 閘流體控制電抗器 12
2.2.7 閘控虛功率補償器 12
2.2.8 靜態頻率控制器 12
2.2.9 被動式電力濾波器 13
2.2.10 主動式功率因數修正器 14
2.2.10.1 單方向性主動式功率因數修正器 14
2.2.10.2 雙方向性主動式功率因數修正器 15
2.2.11 主動式電力濾波器 16
2.2.12 配電靜態同步補償器 18
2.2.13 動態電壓調整器 19
2.2.14 交流電壓調整器 19
2.2.15 不斷電系統 20
第三章 主動式濾波器與動態電壓調整器之原理 23
3.1 並聯式主動電力濾波器 23
3.2 動態電壓調整器 26
第四章 多階轉換器之概論 30
4.1 轉換器階數之定義 30
4.2 多階轉換器之原理 31
4.3 傳統與多階轉換器之比較 33
第五章 疊接半橋式中性點箝位轉換器 37
5.1 主動式電力濾波器之等效數學模型 38
5.2 主動式電力濾波器切換狀態之電路分析 40
5.2.1 vab = Vdc / 2 40
5.2.2 vab = Vdc 42
5.2.3 vab = 0 44
5.2.4 vab = －Vdc / 2 46
5.2.5 vab = －Vdc 48
5.3 主動式電力濾波器之控制系統架構 50
5.4 動態電壓調整器之等效數學模型 55
5.5 動態電壓調整器切換狀態之電路分析 57
5.5.1 vab = Vdc / 2 57
5.5.2 vab = Vdc 58
5.5.3 vab = 0 59
5.5.4 vab = －Vdc / 2 60
5.5.5 vab = －Vdc 61
5.6 動態電壓調整器之控制系統架構 62
第六章 疊接全橋式中性點箝位轉換器 64
6.1 主動式電力濾波器之等效數學模型 65
6.2 主動式電力濾波器切換狀態之電路分析 67
6.2.1 vab = Vdc × 1 / 6 67
6.2.2 vab = Vdc × 2 / 6 69
6.2.3 vab = Vdc × 3 / 6 72
6.2.4 vab = Vdc × 4 / 6 76
6.2.5 vab = Vdc × 5 / 6 79
6.2.6 vab = Vdc 81
6.2.7 vab = 0 83
6.2.8 vab = －Vdc × 1 / 6 85
6.2.9 vab = －Vdc × 2 / 6 87
6.2.10 vab = －Vdc × 3 / 6 90
6.2.11 vab = －Vdc × 4 / 6 94
6.2.12 vab = －Vdc × 5 / 6 97
6.2.13 vab = －Vdc 99
6.3 主動式電力濾波器之控制系統架構 101
6.4 動態電壓調整器之等效數學模型 105
6.5 動態電壓調整器切換狀態之電路分析 107
6.5.1 vab = Vdc × 1 / 6 107
6.5.2 vab = Vdc × 2 / 6 108
6.5.3 vab = Vdc × 3 / 6 109
6.5.4 vab = Vdc × 4 / 6 110
6.5.5 vab = Vdc × 5 / 6 111
6.5.6 vab = Vdc 112
6.5.7 vab = 0 113
6.5.8 vab = －Vdc × 1 / 6 114
6.5.9 vab = －Vdc × 2 / 6 115
6.5.10 vab = －Vdc × 3 / 6 116
6.5.11 vab = －Vdc × 4 / 6 117
6.5.12 vab = －Vdc × 5 / 6 118
6.5.13 vab = －Vdc 119
6.6 動態電壓調整器之控制系統架構 120
第七章 模擬軟體與實驗室設備介紹 123
7.1 模擬軟體之簡介 123
7.2 DSP之概述 125
7.3 週邊硬體介紹 128
7.3.1 ADC部份 128
7.3.2 DAC部份 129
7.3.3 I/O部份 130
7.3.4 PWM部份 131
7.3.5 磁滯控制器 133
7.3.6 電壓與電流回授 133
7.3.7 相位鎖定迴路 134
7.3.8 真值表部份 135
7.3.9 Dead time與Gate driver部份 136
7.4 系統整合 137
7.4.1 硬體規劃 137
7.4.2 軟體流程 141
第八章 模擬結果 143
8.1 疊接半橋式中性點箝位之主動式電力濾波器 144
8.2 疊接全橋式中性點箝位之主動式電力濾波器 149
8.3 疊接半橋式中性點箝位之動態電壓調整器 154
8.3.1 欠電壓 155
8.3.2 過電壓 160
8.4 疊接全橋式中性點箝位之動態電壓調整器 165
8.4.1 欠電壓 166
8.4.2 過電壓 171
第九章 實驗結果 176
9.1 疊接半橋式中性點箝位之主動式電力濾波器 176
9.2 疊接全橋式中性點箝位之主動式電力濾波器 181
9.3 疊接半橋式中性點箝位之動態電壓調整器 186
9.3.1 欠電壓 186
9.3.2 過電壓 190
9.3.3 瞬間電壓變動 194
9.3.4 電壓諧波 195
9.4 疊接全橋式中性點箝位之動態電壓調整器 196
9.4.1 欠電壓 196
9.4.2 過電壓 202
9.4.3 瞬間電壓變動 208
9.4.4 電壓諧波 210
第十章 結論與展望 211
參考文獻 212
附錄A 5階APF切換真值表 215
附錄B 13階APF切換真值表 216
附錄C 13階DVR切換真值表 228
附錄D 相關硬體電路實體照片 229
自傳 240

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