臺灣博碩士論文加值系統

近年來電壓驟降已成為非常重要的電力品質議題。電壓驟降事故經常導致敏感性負載因欠電壓而停機，連帶使製程無預警中斷造成財務上嚴重損失。在台灣，許多科學園區相繼成立。每逢電力中斷或電壓驟降均使得這些製造廠蒙受巨大的損失，其損失金額可高達數十至數百萬美元。為了提供較佳的電力品質與供電可靠度，愈來越多的電力公司針對科學園區內之製造廠均有提供雙饋線供電。以半導體技術所製作之閘流體元件(thyristor)為基礎，所建構的固態轉供開關(static transfer switch，STS)，能應用於雙饋線供電系統保護敏感性負載，避免負載因電壓驟降而跳機造成製程上的損失。傳統固態轉供開關之饋線轉移程序礙於閘流體元件之電氣特性與故障環境，其轉移程序所需之執行時間需耗費四分之一個市電週期以上。本論文提出一諧振換相電路用以改良傳統固態轉供開關其饋線轉移時間過長之問題。此一改良式固態轉供開關經證明能大幅縮短饋線轉移時間，並且提供更完善的保護策略能將電壓驟降對敏感性負載的影響降至最低。本論文所提出之改良式固態轉供開關已經由電磁暫態模擬程式(electro-magnetic transient program，EMTP)，與實驗室之實測數據驗證其可行性。

In the recent years, voltage sags have become a very important power quality issue. Voltage sags often interrupt the manufacturing process and result in significant losses. In the high-tech industry parks of Taiwan, Manufacturers can lose up to a million US dollars for each voltage sags. To improve the power quality and reliability, more and more utility companies provide dual power feeders to these high-tech manufacturers. The static transfer switch (STS) based on thyristors can utilize the dual power feeders to protect sensitive loads against voltage sags. Conventional STS may require more than a quarter cycle to complete the transfer process depending on the load condition. In this thesis, an improved STS with resonant commutator circuit is proposed. The proposed system can greatly shorten the transfer time and provide better protection against voltage sags. Computer simulations and laboratory test results are presented to validate the performance of the proposed STS system.

目錄

誌謝 ..…..…..…………………………………………………….…. III
中文摘要 ..…..…..…………………………………………………….… III
英文摘要 ………..……..……………………………………………… III
目錄 ..…………..………………………………………………… IV
圖目錄 ……..………….………………………………………VII
表目錄 ……..……………………………………………………......IXIV
第一章 緒論 ……..……………………………….…….……..0 1
第一章1-1 簡介 .……………………………………………..…..001
第一章1-2 電壓驟降 ……………………………….……………001
第一章1-3 電容器組投入暫態 …………………….……………003
第一章1-4 暫態電壓突波 ………………………………………004
第一章1-5 電力諧波 .………………………………………..…..005
第一章1-6 研究方向 ……………………………….……………005
第一章1-7 論文架構 ……………………………….……………006
第二章 文獻回顧 ……………………………….……………007
第二章2-1 簡介 .……………………………………………..…..007
第二章2-2 電壓驟降渡過技術回顧 .………………………027
第二章2-3 電力品質相關規範 …………………………….029
第二章2-4 固態轉供開關 ………………………………….011
第二章 2-4-1 電壓驟降偵測術 …………………………………….012
第二章 2-4-2 饋線轉移機制 .…………………………………..…..015
第二章2-5 相位偏移 ………….……………………………019
第二章2-6 輔助諧振開關 ………….……………………………020
第二章2-7 總結 ………………………………………………….022
第三章 操作原理 …………………………………………….024
第二章3-1 簡介 …………………………………………………024
第二章3-2 控制器設計 …………………………………………025
第二章3-3 擾動濾波器設計 ………………………………….027
第二章3-4 諧振電路操作模式 ……………………………….033
第二章3-5 諧振電路設計 ………………………………………034
第二章3-6 總結 ………………………………………………….042
第四章 模擬結果與分析 …………………………………….043
第二章4-1 簡介 …………………………………………………043
第二章4-2 傳統固態轉供開關 ………………………………….043
第二章 4-2-1 三相接地故障 ……………………………………….044
第二章 4-2-2 單相接地故障 ……………………………………….046
第二章 4-2-3 線間短路故障 ……………………………………….047
第二章4-3 改良式固態轉供開關 ……………………………….049
第二章 4-3-1 諧振電容器充電 …………………………………….050
第二章 4-3-2 三相接地故障 ……………………………………….052
第二章 4-3-3 單相接地故障 ……………………………………….057
第二章 4-3-4 線間短路故障 ……………………………………….062
第二章4-4 總結 ………………………………………………….067
第五章 實驗結果與分析 …………………………………….069
第二章5-1 簡介 ………………………………………………….069
第二章5-2 線性負載之單相接地故障測試 …………………….070
第二章 5-2-1 傳統固態轉供開關之單相接地故障測試 ………….073
第二章 5-2-2 改良式固態轉供開關之單相接地故障測試 ……….075
第二章5-3 線性負載之三相接地故障測試 …………………….080
第二章 5-3-1 傳統固態轉供開關之三相接地故障測試 ………….082
第二章 5-3-2 改良式固態轉供開關之三相接地故障測試 ……….084
第二章5-4 變頻器負載之單相接地故障測試 ………………….087
第二章 5-4-1 傳統固態轉供開關之單相接地故障測試 ………….088
第二章 5-4-2 改良式固態轉供開關之單相接地故障測試 ……….090
第二章5-5 變頻器之三相接地故障測試 …………………….093
第二章 5-5-1 傳統固態轉供開關之三相接地故障測試 ………….093
第二章 5-5-2 改良式固態轉供開關之三相接地故障測試 ……….096
第二章5-6 電容器組投入試驗 ………………………………….098
第二章5-7 相位偏移 …………………………………………….099
第二章5-8 總結 ………………………………………………….100
第六章 結論 ………………………………………………….102
參考文獻 ………..……..…………………………………………………103
附錄 ………..……..…………………………………………………106






圖目錄

圖1-1 電壓驟降之示意圖 …………………………………………….002
圖1-2 分散式系統之電力故障示意圖 ……………………………….003
圖1-3 電容器組投入所造成的暫態振盪電壓 ……………………….004
圖1-4 暫態電壓突波 ………………………………………………….004
圖2-1 半導體製程設備之電壓驟降容忍標準 (SEMIF47) …………009
圖2-2 資訊處理設備之電壓驟降容忍標準 (ITIC) ……………….010
圖2-3 固態轉供開關電路架構圖 …………………………………….011
圖2-4 固態轉供開關之控制方塊圖 ………………………………….012
圖2-5 三項電壓平方法 ……………………………………………….013
圖2-6 單相電壓相移法 ……………………………………………….013
圖2-7 半週取樣累計法 ……………………………………………….014
圖2-8 取樣累計法之示意圖 ………………………………………….014
圖2-9 以同步參考框為基礎之電壓驟降偵測法控制方塊圖 ……….015
圖2-10 觸發信號之結構圖 …………………………………………….016
圖2-11 饋線轉移程序之示意圖 ……………………………………….017
圖2-12 BBM操作模式之饋線電流波形 ……………………..……….018
圖2-13 MBB操作模式之饋線電流波形 …………………...……….018
圖2-14 最大饋線轉移時間與負載功率因數之關係曲線 …………….019
圖2-15 電壓驟降引起之相位偏移 …………………………………….020
圖2-16 ARCP轉換器之結構圖 ………………………….…………….021
圖2-17 ARCP轉換器於換相期間之諧振狀態 …………….………….022
圖2-18 輔助諧振電路之基本架構圖 ………………………………….022
圖2-19 傳統固態轉供開關饋線轉移程序所需時間之示意圖 ……….023
圖2-20 改良式固態轉供開關饋線轉移程序所需時間之示意圖 …….023
圖3-1 改良式固態轉供開關之系統架構 …………………………….024
圖3-2 改良式固態轉供開關之控制方塊圖 ………………………….025
圖3-3 擾動濾波器之濾波特性 ……………………………………….026
圖3-4 主饋線電壓之正序成分與預設之故障準位 ………………….027
圖3-5 擾動濾波器架構圖 …………………………………………….028
圖3-6 忽略低通濾波器之電壓正序成分時域響應波形 …………….031
圖3-7 擾動濾波器之時域響應波形 ………………………………….032
圖3-8 低通濾波器之截止頻率與最大暫態誤差量之關係 ………….032
圖3-9 低通濾波器之截止頻率對驟降偵測時間之關係 …………….033
圖3-10 傳統固態轉供開關之饋線轉移時間示意圖 ………………….033
圖3-11 諧振饋線轉移程序 …………………………………………….034
圖3-12 未考慮閘流體逆向回復區間之諧振狀態示意圖 …………….035
圖3-13 饋線轉移程序 (Mode 0) ………………………...…………….036
圖3-14 饋線轉移程序 (Mode 1) ………………………...…………….037
圖3-15 饋線轉移程序 (Mode 2) ………………………...…………….038
圖3-16 饋線轉移程序 (Mode 3) ………………………...…………….039
圖3-17 閘流體於關閉狀態下之電流波形 …………………………….040
圖3-18 初始電壓不足之諧振狀態 …………………………………….041
圖3-19 考慮閘流體逆向回復區間之諧振狀態 ……………………….041
圖3-20 初始電壓所引起之電壓突波 ………………………………….042
圖4-1 傳統固態轉供開關之系統架構 ……………………………….044
圖4-2 三相接地故障之負載端電壓 ………………………………….045
圖4-3 三相接地故障之負載電流 …………………………………….045
圖4-4 單相接地故障之負載端電壓 ………………………………….046
圖4-5 單相接地故障之負載電流 …………………………………….047
圖4-6 線間短路故障之負載端電壓 ………………………………….048
圖4-7 線間短路故障之負載電流 …………………………………….048
圖4-8 改良式固態轉供開關之系統架構 …………………………….050
圖4-9 諧振電容充電程序之示意圖 ………………………………….051
圖4-10 充電電流與主饋線閘流體之電流波形 ……………………….051
圖4-11 諧振電容器之充電狀態 ……………………………………….052
圖4-12 主饋線前端發生三相電壓驟降 ……………………………….053
圖4-13 電壓之交軸分量與經濾波器之直流成分 …………………….053
圖4-14 電壓之直軸分量與經濾波器之直流成分 …………………….054
圖4-15 電壓之正序成分與饋線轉移信號 …………………………….054
圖4-16 主饋線之a相電流，諧振電流，副饋線之a相電流 ………….055
圖4-17 主饋線之b相電流，諧振電流，副饋線之b相電流 ………….055
圖4-18 主饋線之c相電流，諧振電流，副饋線之c相電流 ………….056
圖4-19 改良式固態轉供開關於三相接地故障之負載電流 ………….056
圖4-20 改良式固態轉供開關於三相接地故障之負載端電壓 ……….057
圖4-21 主饋線前端發生單相電壓驟降 ……………………………….058
圖4-22 電壓之交軸分量與經濾波器之直流成分 …………………….058
圖4-23 電壓之直軸分量與經濾波器之直流成分 …………………….059
圖4-24 電壓之正序成分與饋線轉移信號 …………………………….059
圖4-25 主饋線之a相電流，諧振電流，副饋線之a相電流 ………….060
圖4-26 主饋線之b相電流，諧振電流，副饋線之b相電流 ………….060
圖4-27 主饋線之c相電流，諧振電流，副饋線之c相電流 ………….061
圖4-28 改良式固態轉供開關於單相接地故障之負載電流 ………….061
圖4-29 改良式固態轉供開關於單相接地故障之負載端電壓 ……….062
圖4-30 主饋線前端發生線間短路故障 ……………………………….063
圖4-31 電壓之交軸分量與經濾波器之直流成分 …………………….063
圖4-32 電壓之直軸分量與經濾波器之直流成分 …………………….064
圖4-33 電壓之正序成分與饋線轉移信號 …………………………….064
圖4-34 主饋線之a相電流，諧振電流，副饋線之a相電流 ………….065
圖4-35 主饋線之b相電流，諧振電流，副饋線之b相電流 ………….065
圖4-36 主饋線之c相電流，諧振電流，副饋線之c相電流 ………….066
圖4-37 改良式固態轉供開關於線間短路故障之負載電流 ………….066
圖4-38 改良式固態轉供開關於線間短路故障之負載端電壓 ……….067
圖5-1 固態轉供開關之系統架構圖 ………………………………….069
圖5-2 線性負載測試系統之單線圖 ………………………………….071
圖5-3 主饋線前端之線間電壓 ……………………………………….071
圖5-4 同步框下之交軸與直軸分量 ………………………………….072
圖5-5 經擾動濾波器後交軸與直軸分量 …………………………….072
圖5-6 電壓驟降前後之電壓正序成分 ……………………………….073
圖5-7 傳統固態轉供開關於電壓驟降發生前、後之主饋線電流與輔饋線電流 …………………………………………………………….074
圖5-8 傳統固態轉供開關之負載電壓 ……………………………….074
圖5-9 傳統固態轉供開關之負載電流 ……………………………….075
圖5-10 饋線轉移前、後之主饋線電流 ……………………………….076
圖5-11 諧振電流 ……………………………………………………….077
圖5-12 電壓驟降時主饋線與副饋線之電流 ………………………….077
圖5-13 諧振狀態下之電流波形 ……………………………………….078
圖5-14 閘流體之逆向回復特性 ……………………………………….078
圖5-15 改良式固態轉供開關之負載電壓 …………………………….079
圖5-16 改良式固態轉供開關之負載電流 …………………………….079
圖5-17 主饋線前端之線間電壓 ……………………………………….080
圖5-18 同步框下之交軸與直軸分量 ………………………………….081
圖5-19 經擾動濾波器後交軸與直軸分量 …………………………….081
圖5-20 電壓驟降前後之電壓正序成分 ……………………………….082
圖5-21 傳統固態轉供開關於電壓驟降發生前、後之主饋線電流與輔饋線電流 …………………………………………………………….083
圖5-22 傳統固態轉供開關之負載電壓 ……………………………….083
圖5-23 傳統固態轉供開關之負載電壓流 …………………………….084
圖5-24 電壓驟降時主饋線與副饋線之電流 ………………………….085
圖5-25 改良式固態轉供開關之負載電壓 …………………………….085
圖5-26 改良式固態轉供開關之負載電流 …………………………….086
圖5-27 變頻器負載測試系統之單線圖 ……………………………….087
圖5-28 主饋線電壓於驟降前、後之電壓正序成分 ………………….088
圖5-29 傳統固態轉供開關於電壓驟降發生前、後之主饋線電流與輔饋線電流 …………………………………………………………….089
圖5-30 傳統固態轉供開關之負載電壓 ……………………………….089
圖5-31 傳統固態轉供開關之負載電壓流 …………………………….090
圖5-32 改良式固態轉供開關於電壓驟降發生前、後之主饋線電流與輔饋線電流 ………………………………………………………….091
圖5-33 改良式固態轉供開關之負載端電壓 ………………………….091
圖5-34 改良式固態轉供開關之負載電流 …………………………….092
圖5-35 電壓驟降前後之電壓正序成分 ……………………………….093
圖5-36 傳統固態轉供開關於電壓驟降發生前、後之主饋線電流與輔饋線電流 …………………………………………………………….094
圖5-37 傳統固態轉供開關之負載電壓 ……………………………….094
圖5-38 傳統固態轉供開關之負載電壓流 …………………………….095
圖5-39 改良式固態轉供開關於電壓驟降發生前、後之主饋線電流與輔饋線電流 ………………………………………………………….096
圖5-40 改良式固態轉供開關之負載端電壓 ………………………….097
圖5-41 改良式固態轉供開關之負載電流 …………………………….097
圖5-42 電容器投入造成之暫態電壓突波 …………………………….098
圖5-43 電容器投入時之電壓正序成分 ……………………………….099
圖5-44 主饋線於故障前、後之相位偏移 …………………………….100
圖A-1 改良式固態轉供開關系統架構圖 …………………………….106
圖A-2 電容器之初始電壓與電容值之關係曲線 …………………….108
圖A-3 改良式固態轉供開關於單相接地故障之負載電流 ………….109
圖A-4 改良式固態轉供開關於單相接地故障之負載電壓 ………….110
圖A-5 改良式固態轉供開關於三相接地故障之負載電流 ………….110
圖A-6 改良式固態轉供開關於三相接地故障之負載電壓 ………….111
圖A-7 改良式固態轉供開關於線間短路故障之負載電流 ………….111
圖A-8 改良式固態轉供開關於線間短路故障之負載電壓 ………….112
圖B-1 數位信號處理器 ……………………………………………….113
圖B-2 交流電壓訊號擷取電路 ……………………………………….114
圖B-3 交流電流訊號擷取電路 ……………………………………….115
圖B-4 閘流體驅動電路 ……………………………………………….116
圖B-5 IGBT驅動電路 ………………..……………………………….117
圖B-6 接地故障測試迴路 …………………………………………….118
圖C-1 改良式固態轉供開關之硬體配置 …………………………….119
圖C-2 改良式固態轉供開關之控制板 ……………………………….119
圖C-3 交流電壓與電流擷取電路 …………………………………….119
圖C-4 閘流體驅動電路 ……………………………………………….119
圖C-5 IGBT驅動電路 ………………………………..……………….119
圖C-6 輔助諧振電路與主饋線閘流體 ……………………………….119
圖C-7 副饋線閘流體 ………………………………………………….120
圖C-8 負載變壓器 ………………………………………………….120
圖C-9 感應馬達與直流無刷電動機 ………………………………….120
圖C-10 IGBT模組 ………………………………………………….120
圖C-11 故障迴路電阻(R1) ………………………………….………….120
圖C-12 故障迴路電阻(R2) ………………………………….………….120



表目錄

表4-1 三相接地故障模擬結果之比較 ……………………………….068
表4-2 單相接地故障模擬結果之比較 ……………………………….068
表4-3 線間短路故障模擬結果之比較 ……………………………….068
表5-1 線性負載之單相接地故障 …………………………………….101
表5-2 線性負載之三相接地故障 …………………………………….101
表5-3 變頻器負載之單相接地故障 ………………………………….101
表5-4 變頻器負載之三相接地故障 ………………………………….101

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[20] De Doncker, R.W.; Lyons, J.P.; ” The auxiliary resonant commutated pole converter ” Industry Applications Society Annual Meeting, 1990., Conference Record of the 1990 IEEE, Vol.2, pp.1228 – 1235, Oct. 1990

[21] M.G. Ennis and, R.P. O’Leary ;“Solid state transfer switches: The quarter-cycle myth” in Proc. Power Systems World, Chicago, IL, 1999.