臺灣博碩士論文加值系統

隨著人們對於用電量需求日益增加，目前各國均致力於發展再生能源發電，因應其使用所需，本文研製一三相雙向架構，且具備三種工作模式之雙向換流器，其包含市電併聯之換流器模式、功率因數校正之轉換器模式，及當電網發生故障時所需之不斷電系統。另外，本文亦考慮到當系統操作於市電併聯模式下，電網突然發生不可預期故障時，將導致孤島現象的產生，故本文加入了被動式孤島偵測，能夠即時檢測出故障並即時關閉市電併聯輸出。
本論文採用雙向架構可減少電路體積及成本，並使用瑞薩電子的微控制器RX62T 實現數位控制，藉由微控制器讀取當下各感測點之電壓電流值及市電零交越訊號，進行演算並輸出相對應之開關訊號。市電併聯模式及功率因數校正模式均採用分切合整控制法，而不斷電系統採用正弦脈波寬度調變搭配比例積分控制器進行控制。
本文將電路之動作原理、演算法推導、硬體設計及軟體設計流程分別進行說明，最後實作出一10kW之三相四線半橋式雙向換流器，經由實驗結果驗證本文之軟硬體設計可正常工作。

Due to the demand of power consumption is increasing, renewable energy technology is developed in every country. A three phase bidirectional structure is developed in this paper, which includes three modes: one is a grid connected inverter, another is a power factor corrector converter, and the last is an uninterruptible power system. Moreover, the paper also considers the situation when this system operates in grid connected mode but the sudden grid fault, the passive island detection method is developed to detect the island phenomenon. This method is able to discover grid fault and turn off the grid-connected output immediately.
The paper use bidirectional structure to reduce the circuit size and cost, and adopted Renesas Electronics' microcontroller RX62T for digital control. The MCU is used to detector the zero crossing point of grid and sense the voltage and current, then calculate and output the suitable switching control signals. Grid connected and power factor corrections are performed by the division-summation control method; Uninterruptible power system is implemented with sinusoidal pulse width modulation and a PI controller.
The operating principle of circuit, algorithm derivation, hardware and software are detailed in this paper. And, a 10kW three-phase four-wire half-bridge bidirectional inverter is implemented, the experimental results show the hardware and software design of this paper is workable.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻探討 3
1.3系統架構 6
1.4 論文大綱 7
第2章 三相四線雙向換流器系統架構與控制原理 9
2.1雙向換流器架構 9
2.2上下臂電容平衡電路之電路時序圖分析 14
2.2.1上下臂電容平衡電路架構 14
2.2.2上下臂電容平衡電路動作分析 15
2. 3換流器之動作時序與控制法推導 17
2.3.1雙極性電壓調變 17
2.3.2市電併聯控制法介紹 18
2. 4轉換器之動作時序與控制法推導 24
2.5小結 30
第3章 三相四線換流器孤島偵測與不斷電系統 31
3.1孤島現象簡介 31
3.2 孤島偵測的不感測地帶(Non-Detection Zone, NDZ) 32
3.3孤島偵測 34
3.4孤島偵測相關規範 34
3.5不斷電系統[24][32][33] 35
3.5.1 離線式UPS 35
3.5.2 在線互動式UPS 36
3.5.3 在線式UPS (On-Line UPS) 37
3.5.4 Delta轉換在線式UPS 38
3.6不斷電系統之控制原理介紹 39
3.7小結 41
第4章 雙向換流器電路設計與程式規劃 42
4.1系統規格 42
4.2電力級電路設計 43
4.2.1開關與蕭特基選用 44
4.2.2直流鏈電容 45
4.2.3 LCL濾波器 46
4.2.3.1濾波器設計 46
4.2.3.2電感衰減補償 50
4.2.3.3濾波器相位補償 51
4.3周邊電路設計 55
4.3.1差動電壓偵測電路 55
4.3.2市電電壓精密整流電路與零交越偵測電路 56
4.3.3直流鏈電壓回授電路 58
4.3.4電感電流偵測電路 58
4.3.5硬體保護電路 60
4.3.6返馳式轉換器 60
4.3.7開關驅動電路與上下臂開關互鎖電路 62
4.3.8預充電阻設計 64
4.4程式規劃 65
4.4.1微控制器簡介 65
4.4.2微控制器周邊功能簡介與程式流程圖 65
4.4.3市電併聯控制流程 68
4.4.4功率因數校正控制流程 69
4.4.5上下臂電容電壓平衡控制 69
4.4.6不斷電系統控制流程 70
4.5小結 71
第5章 實驗結果與分析 72
5.1 上下臂電容電壓平衡之實測結果 73
5.2 市電併聯模式之實測結果 74
5.3 功率因數校正模式之實測結果 80
5.4 孤島偵測之實測結果 90
5.5 不斷電系統之實測結果 92
5.6 小結 98
第6章 結論與未來展望 99
6.1結論 99
6.2未來展望 99
參考文獻 101

[1] 台灣電力公司，資訊揭露，再生能源發展概況，網址：http://www.taipower.com.tw/ content/new_info/new_info-b31.aspx?LinkID=8，2017年3月7日。
[2] 吳森博，“綠色能源現況及優缺點分析”，財團法人台灣綜合研究院，2013年9月17日。
[3]陳冠良，“分散式電源併入市電運轉之研究”，南台科技大學電機工程系碩士論文，民國96年。
[4]章至正，“三相四線式不斷電系統之研究”，國立高雄應用科技大學電機工程系研究所碩士論文，民國100年。
[5] 台灣電力公司，用戶資訊，電價專區。網址：http://www.taipower.com.tw/ content/new_info/new_info-d15.aspx?LinkID=14。
[6] 台灣電力公司，“時間電價與季節電價”，民國104年。
[7]Saravana Prakash P, R. Kalpana, “High performance three-phase PFC rectifiers for telecom power supply”, 2016 IEEE 6th International Conference on Power Systems (ICPS), New Delhi, 2016, pp. 1-6.
[8]M. Narimani, G. Moschopoulos, “A new interleaved three-phase single-stage PFC AC-DC converter with flying capacitor”, 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC 2014, Fort Worth, TX, 2014, pp. 894-899.
[9]Qingrong Zeng, Liuchen Chang, “Novel SVPWM-based predictive current controller for three-phase grid-connected inverters”, Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2005., Saskatoon, Sask., 2005, pp. 1262-1265.
[10]T. F. Wu, Y. Y. Chang, C. H. Chang, T. C. Zou, Y. R. Chang, “Current improvement for D -Σ digital controlled three-phase bi-directional inverter with wide inductance variation”, 2015 IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference (IFEEC), Taipei, 2015, pp. 1-6.
[11]T. F. Wu, C. H. Chang, L. C. Lin, “D-Σ digital control for three-phase Bi-directional inverters”, 2014 International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE ASIA), Hiroshima, 2014, pp. 2050-2057.
[12] S. H. Hosseini, S. Danyali, A. Y. Goharrizi, M. Sarhangzadeh, “Three-phase four-wire grid-connected PV power supply with accurate MPPT for unbalanced nonlinear load compensation”, 2009 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Seoul, 2009, pp. 1099-1104.
[13]A. L. Julian, G. Oriti, T. A. Lipo, “Elimination of common-mode voltage in three-phase sinusoidal power converters”, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 14, no. 5, pp. 982-989, Sep 1999.
[14] A. Kumar, R. Gupta, “Capacitors voltage balancing in half bridge inverter for low switching frequency applications”, 2010 Joint International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems & 2010 Power India, New Delhi, 2010, pp. 1-7.
[15]W. Zhao, X. Ruan, D. Yang, X. Chen, L. Jia, “Neutral Point Voltage Ripple Suppression for a Three-Phase Four-Wire Inverter With an Independently Controlled Neutral Module”, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 4, pp. 2608-2619, April 2017.
[16]J. Liang, T. C. Green, C. Feng, G. Weiss, “Increasing Voltage Utilization in Split-Link, Four-Wire Inverters”, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 6, pp. 1562-1569, June 2009.
[17]Tint Soe Win, Y. Baba, E. Hiraki, T. Tanaka, M. Okamoto, “A half-bridge inverter based Active Power Quality Compensator using a constant DC capacitor voltage control for electrified railways”, Proceedings of The 7th International Power Electronics and Motion Control Conference, Harbin, China, 2012, pp. 314-320.
[18] G. Ye, M. Babar, J. F. G. Cobben, “Performance comparison of different filter applications in three-phase PFC rectifier”, 2014 14th International Conference on Environment and Electrical Engineering, Krakow, 2014, pp. 437-442.
[19] L. Jiang, Q. Chen, X. Ren, “Analysis of a novel coupled inductor for LCL filter in grid-connected inverter”, 2016 IEEE 2nd Annual Southern Power Electronics Conference (SPEC), Auckland, 2016, pp. 1-6.
[20]王志業，杜坤坤，“LCL 濾波器在三相 PWM 整流器中的應用”，中國礦業大學信息與電器工程學院，江蘇徐州。
[21]程坤偉，“以正回授法進行微電網之孤島偵測”，國立清華大學電機工程學系碩士論文，民國103年。
[22]鍾秉學，“單相及三相市電併聯之功率轉換器研製”，國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國100年。
[23]張鴻鈞，“不平衡負載之三相不斷電系統研製”， 國立台灣科技大學電機工程研究所碩士論文，民國91年。
[24]曾國棟，“以數位訊號處理器為基礎之不斷電並聯運轉系統”，國立中山大學電機工程學系碩士論文，民國91年。
[25]林庭世，“三相三線式雙向換流器研製”， 國立清華大學電機工程學系碩士論文，民國99年。
[26]廖仁詮，郭朝龍，“三相UPS電路架構及效率提升”，台達電子工業股份有限公司。
[27]阮新波，嚴仰光，“四橋臂三相逆變器的控制策略”，南京航空航天大學。
[28]孫馳，魯軍勇，馬偉明，“一種新的三相四橋臂逆變器控制方法”，海軍工程大學電力電子技術研究所。
[29]翁育仁，“能源系統之雙向換流器研製”，國立雲林科技大學電機工程所碩士論文，民國104年。
[30]張智豪，“允許寬廣電感值之三相雙向換流器分切合整數位控制”，國立中正大學電機工程研究所博士論文，民國102年。
[31]IEEE Std 929-2000, “IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems”, IEEE Standards Coordinating Committee 21 on Fuel Cells, Photovoltaics, Dispersed Generation, and Energy Storage, January 2000.
[32]Neil Rasmussen，“不同類型的UPS系統”，第1號白皮書，版本7。
[33]宋建凱，“高容量三相在線式不斷電系統之研究”，國立高雄應用科技大學電機工程系研究所碩士論文，民國100年。
[34]王仕元，“三相換流器之IGBT功率損失估測及溫度量測”，國立台灣大學電機工程學研究所碩士論文，民國89年。
[35]邱俊傑，“混和式控制可變輸出之移相全橋轉換器”，國立雲林科技大學電機工程所碩士論文，民國101年。
[36]Infineon Technologies, “Datasheet of IGW60T120”, Infineon Technologies, Jan. 1997.
[37]Cree, “Datasheet of C2D20120D”, Cree, 2013.
[38]吳煒毅，“具零電壓轉移之交錯式功率因數修正器之研製”，國立雲林科技大學電機工程所碩士論文，民國101年。
[39]M. A. Mosa, A. A. Elsyed, A. M. A. Amin, A. M. A. Ghany, “Modified design of an LCL filter for grid-connected, Pulse-Width-Modulated Voltage Source Converter”, 2016 Eighteenth International Middle East Power Systems Conference (MEPCON), Cairo, 2016, pp. 89-94.
[40]Chang Sung Corporation, “Magnetic Powder Cores”, Chang Sung Corporation.
[41]侯俊禮，陳暐鈞，洪君維，“沒有負載效應的精密全波整流器電路”，先進工程學刊，第六卷，第二期
[42]Texas Instruments, “Datasheet of LM311”, Texas Instruments, Sep.1973.
[43]LEM, “Datasheet of LAX 100-NP”, LEM.
[44]Power Integrations, “Datasheet of TNY280”, Power Integrations, Jan.2009.
[45]Toshiba, “Datasheet of TLP352”, Toshiba, May.2011.
[46]瑞薩電子，微控制器與微處理機，RX Family，RX62T，網站：https://www.renesas. com/en-eu/products/microcontrollers-microprocessors/rx/rx600/rx62t.html
[47]Renesas, “Datasheet of RX62T/62G Group”, Renesas, Jan.2014.