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研究生:李健成
研究生(外文):Jian Cheng Li
論文名稱:以分離頻率調變主動式濾波器抑制放射型配電系統諧波共振之探討
論文名稱(外文):A Separate Frequency Tuning Active Filter for Harmonic Resonance Suppression in Radial Distribution Power Systems
指導教授:曾聖有曾聖有引用關係李宗璘李宗璘引用關係
指導教授(外文):S. Y. TsengT. L. Lee
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電機工程學研究所
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:2009
畢業學年度:97
論文頁數:115
中文關鍵詞:功率因數修正電容電壓失真電導命令主動濾波器
外文關鍵詞:power factor correction capacitorsvoltage distortionconductance commandactive filters
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近年來在配電系統中,由於功率因數修正電容與系統電感(傳輸線電感和變壓器漏電感)之間的共振而導致饋線上嚴重的電壓失真現象,是目前主要電力品質問題之一。傳統的諧波阻尼式主動式濾波器是在所有諧波頻率具有相同的阻尼電導,這種控制方式不能有效地解決諧波共振的問題,甚至可能造成”打地鼠”的現象,使得饋線上某些匯流排上的電壓失真更加的嚴重。
本文提出分離頻率調變主動式濾波器以抑制放射型配電系統諧波的共振問題。所提出之主動濾波器安裝在饋線末端,在不同的諧波頻率具有不同的諧波阻尼電導;每個諧波電導根據主動濾波器設置點的諧波電壓失真動態的調整。因此,當匯流排上共振電容器變化或諧波源大小改變時,各次諧波的電導命令均能分別地動態調整以抑制諧波共振。而相較於傳統的固定電導命令之方法,所提出的分離頻率調變主動式濾波器輸出電流之峰值和有效值將會大幅降低。因此,此操作方式可使用較低額定(kVA)容量的主動式濾波器,使饋線中諧波電壓失真能被限制在一個允許的範圍。本文將針對分離頻率調變主動式濾波器的控制原理及設計考量作詳細分析,並以時域模擬及實驗室原型電路,以證實提出的方法之有效性。
Recently, severe voltage distortion resulting from harmonic resonances between power factor correction capacitors and system inductors has been a critical issue in distributed power system. Conventional active filters operating as similar conductance for all harmonic frequencies cannot effectively resolve this problem due to the so-called “whack-a-mole” phenomenon. Therefore, voltage distortion may still be significant and even become worse along the feeder.
This thesis presents a discrete frequency tuning active filter to suppress the harmonic resonance in the radial distributed power system. The active filter is installed at the end of the line to operate as variable conductance for each harmonic frequency according to corresponding harmonic voltage distortion. Based on this algorithm, the individual conductance command is autonomously and separately adjusted to damper harmonic resonances in response to variation of both nonlinear loading and resonant capacitors. The peak and rms current of the proposed active filter will be significantly reduced compared with conventional approaches. Therefore, harmonic voltage distortion can be maintained below an allowable level throughout the feeder with low kVA capacity of the active filter. Design considerations of the active filter and a ten-bus radial line are evaluated to verify the theoretical analysis, and a prototype circuit in the laboratory is also designed and implemented to validate the effectiveness of the proposed method.
目錄
中文摘要………………………………………………………………….i
英文摘要…………………………………………………………………ii
目錄…………………………………………………………………...…iii
圖目錄……………………..………………………………………...….vii
表目錄…………………………………………………...……….……..xii
第一章 緒論……………………………………………………………..1
1.1 研究背景…………………………………..……….………1
1.1.1 諧波的定義與規範…………………………...……1
1.1.2 諧波的來源與影響…………………………...……4
1.1.3 諧波的改善與補償…………………………...……5
1.1.4 諧波電壓共振與電壓偵測主動式濾波器介紹…...8
1.2 研究動機…………………………………...………………9
1.3 內容大綱…………………………………………….……10
第二章 文獻回顧…………………………………………..…..……….11
2.1 簡介…………………………………………………….…11
2.2 被動型濾波器……………………………………….……11
2.3 主動型濾波器………………………….…………………13
2.3.1 串聯式主動濾波器………………….……………14
2.3.2 並聯式主動濾波器………………………….……16
2.3.3 混合式主動濾波器…………………………….…19
2.4 主動式電力濾波器抑制電力系統諧波電壓………….…20
2.5 頻率響應分析……………………………………….……27
2.6 總結……………………………………………….………31
第三章 分離頻率調變主動式濾波器動作原理………………...….…33
3.1 簡介……………………………………………...….…….33
3.2 動作原理………………………………………….………33
3.3 電導命令調整控制………………………………….……36
3.4 電流調節器…………………………………………….…38
3.5 電流控制之動態建模與分析………………………….…40
3.6 總結………………………………………………….……43
第四章 模擬結果與分析………………………………………………44
4.1 簡介………………………………………….……………44
4.2 穩態分析…...………………………………………..……45
4.2.1 各匯流排諧波改善狀況……………………….…45
4.2.2 主動濾波器之輸出電流…………………….……51
4.3 PI調節器的設定…………………………………...…..…54
4.4 主動濾波器安裝在不同匯流排…………………….……58
4.5 不同功因修正電容…………………………….....………60
4.6 非線性負載變化………………………………….………62
4.7 匯流排電容器切離………………………………….……64
4.8 總結…………………………………………….…………66
第五章 實驗結果與分析………………………………………………67
5.1 簡介……………………………………………….………67
5.2 直流端電壓控制…………………………………….……68
5.3 七次諧波共振系統…………………………….…………69
5.3.1 各匯流排總諧波電壓……………………….……69
5.3.2 各匯流排電壓失真……………………….………72
5.3.3 電導命令…………………………………….……73
5.3.4 主動濾波器之輸出電流及頻譜分析………….…74
5.4 五次諧波共振系統…………………………….…………76
5.4.1 各匯流排總諧波電壓……………………….……76
5.4.2 各匯流排電壓失真…………………………….…79
5.4.3 電導命令…………………………………….……80
5.4.4 主動濾波器之輸出電流及頻譜分析……….……81
5.5 總結………………………………………….……………83
第六章 結論…………………………………………………....………84
6.1 結論…………………………………………..…………...84
6.2 未來研究方向…………………………………..………...85
參考文獻………………………………………………………………...86
附錄……………………………………………………………………...90















圖目錄
圖1.1 6脈波整流器與12脈波整流器簡圖……………………………7
圖1.2 18脈波整流器與特殊變壓器連接之設計……………………...6
圖1.3 主動濾波器原理………………………………………………...8
圖1.4 主動濾波器連接於放射型配電饋線末端的單線圖…...............9
圖2.1 諧波分流原則……………………………………….…………11
圖2.2 被動濾波器的型式………………………………….…………12
圖2.3 串聯式主動濾波器……………………………….……………14
圖2.4 串聯式主動濾波器之控制方塊圖………………….…………15
圖2.5 並聯式主動濾波器…………………………………………….16
圖2.6 並聯式主動濾波器之控制方塊圖……………….……………17
圖2.7 混合式主動濾波器………………………………….…………19
圖2.8 混合式主動濾波器諧波電流擷取之控制方塊圖…………….20
圖2.9 主動濾波器連接於放射型配電饋線…………….……………20
圖2.10 主動濾波器的控制方塊圖………………………….…………21
圖2.11 長饋線配電系統…………………………………….…………21
圖2.12 配電系統參數模型,當諧波電壓源在匯流排1時和主動濾波器安裝在匯流排10……………………………………………………..22
圖2.13 五次諧波源在匯流排1時,各匯流排放大情況………………25
圖2.14 七次諧波源在匯流排1時,各匯流排放大情況………………25
圖2.15 主動濾波器安裝在匯流排4之諧波共振分析等效模型……..27
圖2.16 各匯流排諧波共振之頻率響應特性………………………….29
圖2.17 主動濾波器啟動前後之匯流排4諧波電壓共振……………..29
圖3.1 分離頻率調變主動式濾波器的電路架構與控制方塊圖…….34
圖3.2 q、d參考座標軸………………………………………………...35
圖3.3 諧波電導調整的控制方塊圖………………………………….37
圖3.4 數位電流調節示意圖………………………………………….39
圖3.5 脈波寬度調變PWM……………………………….…………..40
圖3.6 主動濾波器的電流控制方塊圖……………………………….40
圖3.7 Z平面的電流控制方塊圖…………………...……..………….41
圖3.8 電流控制的頻率響應圖……………………………………….42
圖4.1 模擬系統架構單線圖………………………………………….44
圖4.2 (a)自動增益調整主動式濾波器等效電路(b)電導命令調整控制………………………………………………………………………...47
圖4.3 主動濾波器啟動前各匯流排電壓…………………………….47
圖4.4 主動濾波器啟動後各匯流排電壓(分離頻率調變)………….48
圖4.5 主主動濾波器啟動後各匯流排電壓(自動增益調整)……….48
圖4.6 各匯流排五次諧波電壓失真………………………..………...50
圖4.7 各匯流排七次諧波電壓失真..………………………..……….50
圖4.8 分離頻率調變主動濾波器(a)輸出電流及參考電流(b)頻譜圖..51
圖4.9 自動增益調整主動濾波器(a)輸出電流及參考電流(b)頻譜圖..52
圖4.10 分離頻率調整和自動增益調整的AFU輸出電流成份比較…53
圖4.11 主動濾波器安裝在Bus9之電壓失真( 之 )……...55
圖4.12 主動濾波器電導命令( 之 )……………................55
圖4.13 主動濾波器安裝在Bus9之電壓失真( 之 )…….56
圖4.14 主動濾波器電導命令( 之 )……..……..………..56
圖4.15 主動濾波器安裝在Bus9之電壓失真( 與 之 )…57
圖4.16 主動濾波器電導命令( 與 之 )…………..……...57
圖4.17 不同功因修正電容在各匯流排的五次電壓失真…………….61
圖4.18 不同功因修正電容在各匯流排的七次電壓失真…………….61
圖4.19 共振電容器與電導命令的關係………………………...……..62
圖4.20 主動濾波器電導命令………………………………………….63
圖4.21 電壓失真……………………………………………………….63
圖4.22 主動濾波器電導命令………………………………………….64
圖4.23 電壓失真……………………………………………………….65
圖5.1 實驗室測試電路平台………………………………………….67
圖5.2 直流端電壓控制……………………………………………….68
圖5.3 直流端電壓波形…………………....………………………….68
圖5.4 AFU啟動前各匯流排電壓波形……………………………….70
圖5.5 AFU啟動後各匯流排電壓波形……………………………….70
圖5.6 主動濾波器(a)啟動前(b)啟動後,匯流排1頻譜分析………...71
圖5.7 主動濾波器(a)啟動前(b)啟動後,匯流排2頻譜分析………...71
圖5.8 主動濾波器(a)啟動前(b)啟動後,匯流排3頻譜分析………...71
圖5.9 AFU啟動前/後之電壓失真…………..……………………….73
圖5.10 AFU啟動前/後之電導命令…………..………….…………….74
圖5.11 AFU輸出電流及參考電流…………………………….……….75
圖5.12 主動濾波器參考電流頻譜…………………………………….75
圖5.13 主動濾波器啟動前各匯流排電壓波形………..…..………….77
圖5.14 主動濾波器啟動後各匯流排電壓波形……............………….77
圖5.15 主動濾波器(a)啟動前(b)啟動後,匯流排1頻譜分析………...78
圖5.16 主動濾波器(a)啟動前(b)啟動後,匯流排2頻譜分析………...78
圖5.17 主動濾波器(a)啟動前(b)啟動後,匯流排3頻譜分析………...78
圖5.18 AFU啟動前/後之電壓失真……………….…………..……….80
圖5.19 AFU啟動前/後之電導命令…………………….……..……….81
圖5.20 AFU器輸出電流及參考電流……………….………………….82
圖5.21 主動濾波器參考電流頻譜…………………………………….82
圖A-1 三相線對線電壓轉三相線對中性線電壓擷取電路圖………90
圖A-2 三相線對線電壓與三相線對中性線電壓相量圖…..………..92
圖A-3 電壓擷取電路…………………………………………………92
圖A-4 三相電流擷取電路圖……..…………………………..………93
圖A-5 DC BUS直流鏈電壓偵測電路圖..…………………………...94
圖A-6 DC直流端電壓擷取電路……………………………..…........94
圖A-7 直流端電壓緩啟動控制………..………………………..........95
圖B-1 實驗室架構之電路……………………………………............96
圖B-2 電壓擷取電路、電流擷取電路、DC直流端電壓擷取電路、保護電路、PWM訊號輸出控制電路、反流器、DSP訊號處理(28335)………………………………………………………………….96
圖B-3 匯流排之功因補償電容與饋線電感........................................97
圖B-4 反流器輸出電感………………………………………………97
圖B-5 反流器架構................................................................................98
圖B-6 DSP28335控制器......................................................................98




表目錄
表1.1 IEEE/Std. 519-1992之諧波電流管制標準………...…………...3
表1.2 IEEE/Std. 519-1992之諧波電壓管制標準………..….……...…3
表2.1 長饋線配電系統之參數…………………………………...…..22
表2.2 為諧波頻率、波長和饋線長度的關係………………………...23
表2.3 放射型配電饋線電路參數…………………………………….27
表4.1 總諧波電壓失真比較………………………………………….49
表4.2 PI調節器的設定……………………………………………….54
表4.3 在各匯流排的五次諧波電壓失真…………………………….59
表4.4 在各匯流排的七次諧波電壓失真…………………………….59
表5.1 濾波器啟動前的電壓失真…………………………………….72
表5.2 濾波器啟動後的電壓失真…………………………………….72
表5.3 濾波器啟動前的電壓失真…..………………………………...79
表5.4 濾波器啟動後的電壓失真…………………..………………...79
參考文獻
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