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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王國龍
研究生(外文):Kuo-Lung Wang
論文名稱:主動式電力品質之研究與分析
論文名稱(外文):A Study and Analysis of Active Filters for Power Quality Improvement
指導教授:林伯仁
指導教授(外文):Bor-Ren Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:電機工程系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:110
中文關鍵詞:混合式濾波器並聯主動式濾波器串並聯主動式濾波器主動式濾波器補償虛功率抑制諧波
外文關鍵詞:nonlinear loadsunified power quality conditionersactive filtershybrid filtersshunt filtersharmonic power compensationreactive power compensation
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對於含有非線性負載之單相兩線式、三相三線式及三相四線式交流電力網路而言,以主動式濾波器來抑制諧波及補償虛功率以改善電力品質之技術已經成熟。本文介紹各種類之主動式濾波器包含並聯主動式濾波器、混合式濾波器及串並聯主動式濾波器(UPQC),此外其系統架構、操作原理及控制策略亦於本文中被詳細之分析,最後並以 Matlab / Simulink 之模擬結果來驗證本文所作研究與分析之正確性。
Active filtering of electric power has now become a mature technology for harmonic and reactive power compensation in two-wire (single phase), three-wire (three phase without neutral), and four-wire (three phase with neutral) ac power networks with nonlinear loads. This paper presents all kinds of active filters containing shunt filters, hybrid filters, and unified power quality conditioners. All the system configurations, compensation principles, and control strategies are also described in this paper. The Matlab / Simulink results are provided in order to verify the analysis.
目 錄
中文摘要 ---------------------------------------------------------------------i
英文摘要 --------------------------------------------------------------------ii
誌謝 -------------------------------------------------------------------iii
目錄 --------------------------------------------------------------------iv
表目錄 --------------------------------------------------------------------vi
圖目錄 -------------------------------------------------------------------vii
符號說明 ---------------------------------------------------------------------x
第一章 緒論-----------------------------------------------------------------1
1.1 研究動機與目的--------------------------------------------------1
1.2 研究方法與系統描------------------------------------------------2
1.3 論文大綱--------------------------------------------------------2
第二章 主動式電力濾波器概論-------------------------------------------------4
2.1 主動式電力濾波器基本架構----------------------------------------4
2.2 依轉換器形式作分類----------------------------------------------6
2.3 依與系統連接之架構作分類----------------------------------------8
2.4 依系統之相數作分類---------------------------------------------10
第三章 主動式電力濾波器之工作原理分析--------------------------------------11
第四章 並聯主動式電力濾波器------------------------------------------------16
4.1 系統架構-------------------------------------------------------16
4.2 操作原理-------------------------------------------------------16
4.3 電路數學模型---------------------------------------------------16
4.4 控制策略-------------------------------------------------------17
4.5 命令補償電流追蹤方式-------------------------------------------19
第五章 並聯主動式加上並聯被動式電力濾波器----------------------------------25
5.1 系統架構-------------------------------------------------------25
5.2 操作原理-------------------------------------------------------26
5.3 電路數學模型---------------------------------------------------26
5.4 控制策略-------------------------------------------------------27
第六章 串聯主動式加上並聯被動式電力濾波器----------------------------------28
6.1 系統架構-------------------------------------------------------29
6.2 操作原理-------------------------------------------------------30
6.3 電路數學模型---------------------------------------------------33
6.4 控制策略-------------------------------------------------------34
第七章 並聯被動式串聯主動式電力濾波器--------------------------------------37
7.1 系統架構-------------------------------------------------------37
7.2 操作原理-------------------------------------------------------38
7.3 電路數學模型---------------------------------------------------42
7.4 控制策略-------------------------------------------------------43
第八章 串並聯主動式電力濾波器(UPQC)--------------------------------------45
8.1 系統架構-------------------------------------------------------45
8.2 操作原理-------------------------------------------------------47
8.3 電路數學模型---------------------------------------------------47
8.4 控制策略-------------------------------------------------------48
8.5 穩態下之功率潮流分析-------------------------------------------50
第九章 模擬波形------------------------------------------------------------60
9.1 並聯主動式電力濾波器之模擬波形---------------------------------60
9.2 並聯主動式加上並聯被動式電力濾波器之模擬波形-------------------64
9.3 串聯主動式加上並聯被動式電力濾波器之模擬波形-------------------70
9.4 並聯被動式串聯主動式電力濾波器之模擬波形-----------------------77
9.5 串並聯主動式電力濾波器之模擬波形-------------------------------84
第十章 結論與展望----------------------------------------------------------92
參考文獻 --------------------------------------------------------------------94
自傳 --------------------------------------------------------------------96
表 目 錄
表4.1 (工作模式一)開關 之導通與截止狀態整理表---------------------------23
表4.2 (工作模式二)開關 之導通與截止狀態整理表---------------------------24
圖 目 錄

圖 2.1 主動式電力濾波器之基本架構-------------------------------------------5
圖 2.2 電流供給橋式架構脈寬調變變流器---------------------------------------7
圖 2.3 電壓供給橋式架構脈寬調變變流器---------------------------------------7
圖 2.4 串聯式主動濾波器-----------------------------------------------------9
圖 2.5 混合式主動濾波器-----------------------------------------------------9
圖 2.6 串並聯主動式電力濾波器(UPQC)--------------------------------------10
圖 3.1 並聯主動式電力濾波器電路圖------------------------------------------11
圖 3.2 並聯主動式電力濾波器之等效電路圖------------------------------------15
圖 4.1 並聯主動式電力濾波器之系統架構圖------------------------------------16
圖 4.2 並聯主動式電力濾波器之控制方塊圖------------------------------------18
圖 4.3 工作模式一之等效電路圖----------------------------------------------20
圖 4.4 工作模式二之等效電路圖----------------------------------------------21
圖 4.5 並聯主動式電力濾波器簡化電路圖--------------------------------------22
圖 5.1 並聯主動式加上並聯被動式電力濾波器之系統架構------------------------25
圖 5.2 並聯主動式加上並聯被動式電力濾波器之控制方塊圖----------------------27
圖 6.1 並聯被動式電力濾波器電路圖------------------------------------------28
圖 6.2 串聯主動式加上並聯被動式電力濾波器之系統架構------------------------30
圖 6.3 串聯主動式加上並聯被動式電力濾波器之等效電路圖----------------------31
圖 6.4 基本波等效電路圖----------------------------------------------------31
圖 6.5 諧波等效電路圖------------------------------------------------------32
圖 6.6 串聯主動式加上並聯被動式電力濾波器之控制方塊圖----------------------35
圖 7.1 並聯被動式串聯主動式電力濾波器之系統架構----------------------------38
圖 7.2 並聯被動式串聯主動式電力濾波器之等效電路圖--------------------------39
圖 7.3 基本波等效電路圖----------------------------------------------------40
圖 7.4 諧波等效電路圖------------------------------------------------------40
圖 7.5 電源端電壓諧波等效電路圖--------------------------------------------41
圖 7.6 非線性負載電流諧波等效電路圖----------------------------------------41
圖 7.7 並聯被動式串聯主動式電力濾波器之控制方塊圖--------------------------44
圖 8.1 串並聯主動式電力濾波器系統架構--------------------------------------46
圖 8.2 串並聯主動式電力濾波器之等效電路圖----------------------------------46
圖 8.3 並聯主動式電力濾波器之控制方塊圖------------------------------------49
圖 8.4 串聯主動式電力濾波器之控制方塊圖------------------------------------50
圖 8.5(a) 無UPQC時之虛功率潮流圖----------------------------------------------53
圖 8.5(b) 並聯補償器運作時之虛功率潮流圖--------------------------------------54

圖 8.6 電壓降情形時之實功率潮流圖------------------------------------------55
圖 8.7 電壓升情形時之實功率潮流圖------------------------------------------56
圖 8.8 正常狀況(無電壓升降情形)時之實功率潮流圖--------------------------57
圖 8.9(a) 未連接UPQC時之相量圖------------------------------------------------58
圖 8.9(b) 並聯補償器運作時之相量圖--------------------------------------------58
圖 8.9(c) UPQC ON,電壓降時之相量圖-------------------------------------------58
圖 8.9(d) UPQC ON,電壓升時之相量圖-------------------------------------------59
圖 9.1 電源電壓 與非線性負載電流 之波形------------------------------------61
圖 9.2 命令補償電流 與補償電流 之波形--------------------------------------61
圖 9.3 非線性負載電流 、補償電流 、電源端電流 之波形-----------------------62
圖 9.4 電源端電壓 與電源端電流 之波形--------------------------------------62
圖 9.5 直流匯流排電壓 之波形-----------------------------------------------63
圖 9.6 電源端電壓 、非線性負載電流 、被動式電力濾波器補償電流 、非線性負載經被動式電力濾波器補償後電流 之波形--------------------------------------------66
圖 9.7 命令補償電流 與補償電流 之波形--------------------------------------66
圖 9.8 非線性負載經被動式電力濾波器補償後電流、補償電流、電源端電流之波形--67
圖 9.9 電源端電壓 與電源端電流 之波形--------------------------------------67
圖 9.10 非線性負載電流 之頻譜波形-------------------------------------------68
圖 9.11 非線性負載經被動式電力濾波器補償後電流 之頻譜波形-------------------68
圖 9.12 電源端電流 之頻譜波形-----------------------------------------------69
圖 9.13 電源端電壓 與非線性負載電流 之波形----------------------------------72
圖 9.14 串聯主動式濾波器未啟動前被動式電力濾波器電流、補償電壓及電源端電流波形---------------------------------------------------------------------------72
圖 9.15 命令補償電壓 與實際補償電壓 之波形----------------------------------73
圖 9.16 被動式電力濾波器電流 、實際補償電壓 與電源端電流 之波形-------------73
圖 9.17 電源端電壓 與串聯主動濾波器啟動後電源端電流 之波形------------------74
圖 9.18 串聯主動電力濾波器啟動前後之補償電壓 、被動式電力濾波器電流 、非線性負載電流 與電源端電流 之波形---------------------------------------------------74
圖 9.19 非線性負載電流 之頻譜波形-------------------------------------------75
圖 9.20 串聯主動濾波器未啟動前電源端電流 之頻譜波形-------------------------75
圖 9.21 串聯主動濾波器啟動後電源端電流 之頻譜波形---------------------------76
圖 9.22 電源端電壓 與非線性負載電流 之波形----------------------------------79
圖 9.23 串聯主動式濾波器未啟動前被動式電力濾波器電流 、補償電壓 及電源端電流 波形-------------------------------------------------------------------------79
圖 9.24 命令補償電壓 與實際補償電壓 之波形----------------------------------80
圖 9.25 被動式電力濾波器電流 、實際補償電壓 與電源端電流 之波形-------------80
圖 9.26 電源端電壓 與串聯主動濾波器啟動後電源端電流 之波形------------------81
圖 9.27 串聯主動電力濾波器啟動前後之補償電壓 、被動式電力濾波器電流 、非線性負載電流 與電源端電流 之波形---------------------------------------------------81
圖 9.28 非線性負載電流 之頻譜波形-------------------------------------------82
圖 9.29 串聯主動濾波器未啟動前電源端電流 之頻譜波形-------------------------82
圖 9.30 串聯主動濾波器啟動後電源端電流 之頻譜波形---------------------------83
圖 9.31(a)~(g) UPQC於電壓降時之補償波形-----------------------------------87
圖 9.32(a)~(g) UPQC於電壓升時之補償波形-----------------------------------88
圖 9.33 UPQC於電壓降時端電壓 與電源端電流 同相位之波形----------------------89
圖 9.34 UPQC於電壓降時非線性負載電流 之頻譜波形-----------------------------89
圖 9.35 UPQC於電壓降時電源端電流 之頻譜波形---------------------------------90
圖 9.36 UPQC於電壓升時端電壓 與電源端電流 同相位之波形----------------------90
圖 9.37 UPQC於電壓升時非線性負載電流 之頻譜波形-----------------------------91
圖 9.38 UPQC於電壓升時電源端電流 之頻譜波形---------------------------------91
[1] A. G. Pedder, A. D. Brown, J. N. Ross, and A. C. Williams, “A Parallel Connected Active Filter for the Reduction of Supply Current Distortion,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 47, No. 5, pp. 1108-1117, 2002.
[2] F. Z. Peng, H. Akagi and A. Nabae, “A New Approach to Harmonic Compensation in Power System-A Combined System of Shunt Passive and Series Active Filters,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 26, No. 6, pp. 983-990, 1990.
[3] Bhim Singh, Kamal Al-Haddad, “A Review of Active Filters for Power Quality Improvement,” IEEE Transactions on Industry Electronics, Vol. 46, No. 5, pp. 960-971, 1999.
[4] A. Arias, G. Jayne, E. Aldabas and J. Romeral, “A New Hysteresis Band Current Controller,” IEEE Transactions on Power Electroncis specialists, Conf, 2002, pp. 1058-1062.
[5] B.-R. Lin, B.-R. Yang and T.-L. Hung “Implementation of A Hybrid Series Active Filter for Harmonic Current and Voltage Compensations” Power Electronics, Machines and Drives, conf. pp. 598-603, 2002.
[6] Hideaki Fujita and Hirohmi Akagi, “A Practical Approach to Harmonic Compensation in Power Systems-Series Connection of Passive and Active Filters,” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 21, NO. 6, pp.1020-1025, 1991.
[7] Bor-Ren Lin and Chien-Lan Huang,“Implementation of a Shunt-Series Compensator for Nonlinear and Voltage Sensitive Load,” Power Electronics and Motion Control Conference, 2006. IPEMC ''06. CES/IEEE 5th International, Volume 2, pp. 1-5 Aug. 2006.
[8] Vinod Khadkikarl, A. Chandra'', A. 0. Barry2 and T. D. Nguyen3,“Steady State Power Flow Analysis of Unified Power Quality Conditioner (UPQC),” Industrial Electronics and Control Applications, ICIECA 2005 pp.1-6, 2005.
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