嵌入不断电系统功能之微型气涡轮发电系统换流器设计

　　随着世界电业自由化的潮流发展，电力公司不再专属于国营事业，开放民营电厂加入电力系统运转及允许用户装设小型发电机组并联售电的市场交易模式，已成为未来电业发展的主要方向。在分散式小型发电系统中，微型气涡轮机具高效率、低污染及燃料多样化等优点，其容量从数十千瓦到数万瓦，适合安装于大电力用户或小型工厂中。微型气涡轮机组态包含气涡轮机、发电机及电能转换器三大部分(图1)，其中气涡轮机组包括进气系统、排气系统、压缩机、复进机、燃烧室及涡轮机等子系统，空气进气经压缩后，首先在燃烧室与燃料混和，燃烧后产生高压氧气体送入涡轮机。此时高压气体将在涡轮机内膨胀并生成机械功，带动涡轮叶片，经齿轮组换成适当转速后驱动发电机轮子。在发电机设计部分，微型气涡轮机常采永磁式轮子设计，先进的微型气涡轮机系统中涡轮机与发电机常被安装在同一承轴上，藉以简化包括变速齿轮组等机械结构，然而受到微型机组的尺寸限制，涡轮机转速常高达每分钟数十万转，此时若将涡轮机直接耦合至发电机，则发电机势必采高转速设计，而此举也会导致发电机的输出电频率可能高达数千赫兹，因此微型气涡轮机系统尚须于发电机的输出端加入电能转换器以将高频电压经整流器(rectifier)整成直流后，再利用换流器(inverter)转换成商用频率的电力输出。另外如在该发电系统内的换流器运用不同的控制策略，更可使其运转为稳压器，主动滤波器等工作模式，提高其配合电力系统运转策略应用的弹性，因此该系统未来应具备高度之发展潜力。

　　另一方面，近年来电脑、通讯和各型精密仪器已被广泛应用，由于这些设备对电源的电力质量要求普遍较高，因此不断电系统(Uninterruptible PowerSupply System，UPS)已被广泛应用在用户端以解决用户可能面临的输入电源异常问题。不断电系统的操作原理为市电正常时先将电能储存于蓄电池，市电中断后再自蓄电池内取出供负载使用。如进一步以不断电系统的电路架构区分，其可分成在线型(on-line)、电源互动型(line-interactive)及离线型(off-line)三种。各类型不断电系统皆有其优缺点及适用场合，其中离线型不断电系统常见为单相低容量设计，此类系统所具备的功能较少，较普遍应用于个人电脑与其周边设备上，然而该类系统属热机待命型，因此当市电中断时，不断电系统需经过侦测、决定及动作三个控制步骤，方能将电池电量经换流器作用投入负载使用，换言之，市电瞬断时，负载须承受因系统转换所造成的断电时间。电源互动型不断电系统系以换流器的市电并联运转技术为基础进行设计，其换流器同时负责电池充电及放电的电能转换工作。此类系统由于电能转换器平常即与市电并联运作，因此可减少系统从断电到电池释能所需的转换时间。在线型不断电系统则先将市电电压整流成直流型式，并将直流电压与备用电池连结，再由换流器二次转换为稳定可靠的交流电源输出给负载使用。使用在线型不断电系统，负载将完全不会感受到市电电压的变化，故可提供负载设备的电力防护方案，在实际应用中，较常用于保护通讯设备或对电源品质要求较高的仪器设备上。

　　今如从技术层面加以思考，微涡轮发电系统与不断电系统内均见性能相近的换流器，因此如能在该发电系统设计上融入不断电系统功能，并使其在所并联的市电网路发生故障时，自动与市电系统解联，转而充当用户端的不断电系统使用，则应可大幅提高本系统的实用参考价值。近年来由于市电电力品质不佳，且用电户使用的设备仪器愈见精密，因此用户端对于不断电电源供应系统的需求益趋强劲，此时如能妥善设计本发电系统，则此类整合型系统应可带来庞大商机。台湾身为电力电子的供应重镇，其在电力电子技术上的优势也适合发展该项发电系统产品，因此实有必要对此发电系统进行研究。

　　由相关文献可看出，嵌入不断电系统功能的微型气涡轮机可分为并联供电模式及备用电源模式，前者指微型气涡轮机与市电并联运转。由于气涡轮机可透过整流线路，维持其电能转换器内的直流电压值准位，因此只要再利用电流控制手法驱动换流器，即可将涡轮机发电量由直流侧抽出，并以单位功因、低谐波失真方式输出至电力系统。在文献上P.G..Barbosa及A.Al-Amoudi等人利用瞬时虚功定理将功率讯号转换成d-q轴域电流参考命令，再回授换流器输出电流进行闭回路设计，此法虽有颇佳的系统响应表现，但控制步骤稍嫌复杂，需耗费大量硬件资源进行数值运算。S.J.Huang及C.Y.Jeong等人则舍瞬时虚功定理，改采时域控制，以基本的电容能量守恒设计电路，再利用前、后馈补偿技巧消除控制扰动项(disturbance)。D.C.Mario等人则采滑差控制法改善系统响应，至于备用电源模式系指市电网路故障或供电品质不佳时，发电机与市电系统解联，转而充当用户端的紧急电源使用，此功能犹如用户装设不断电系统，可确保其用电品质。从控制理论来看，如欲使发电系统具备用电源机功能，即须使其可控制输出电压准位。今若就换流器控制意涵仅在实现电压源来看，则系统应可采电压回授控制法，相关文献也已报道该法具高度准确性。另外J.E.Quaicoe等人也曾从事以电流控制手法进行换流器稳压的研究，包括回授换流器输出电流、滤波电容电流或负载电流等。当进一步考虑本计划所拟系统须相容于并联供电及备用电源两种不同模式，如在并联供电负载时采电流控制法，备用电源模式时采电压 控制法，势必因两种控制手法迥异，导致控制线路复杂度增加，而不同模式间的切换暂态也有待予以审慎评估，因此如何整合换流器的控制线路，实为设计嵌入不断电系统功能的微型气涡轮机电气系统的重要关键。为克服上述问题，国内W.L.Wu等人曾提出以回授电流手法完成等效电压源及电流源的研究报告，但该法须回授换流器电流及负载电流供控制电路使用，因此系统同时需求多组电流检测回路。

　　有鉴于此，本文及在研究适用于微型气涡轮机组的电能转换器控制整合架构，并联用不同的 控制策略将发电机组并入市电运转，以延伸该机组的运转功能，配合配电系统不同时段的特性变化，给予适当补偿。本文提出以单一电流回授路径完成所有模式的运转控制的方法外，所提方法具备下列几种特性：

　　(1)系统设计融入负载管理概念，可增加气涡轮发电机组的经济运转价值。

　　(2)完成控制线路整合，大幅减少电路的复杂性。

　　(3)换流器控制系统仅需求一组电流侦测器，可简化电路设计程序，降低电路制作成本。

　　本文共分为五节，其内容纲要如下所述：第二节说明本文所提系统架构；第三节则描述控制电路设计流程；第四节为计算机模拟与实测结果；则针对本文所提方法的特点作一结论。

　　系统架构

　　·电力架构

　　图2绘出本文所研究的线路架构图。如图所示，高频发电机输出电压经整流线路可在电容器上建立直流电压，再经换流器切换后转换成市电频率之交流电压输出。另外一输出断路器被连接在换流器输出侧，该断路器设计于系统故障或维修保养时启闭使用。图2同时绘出本文所提系统的控制组态，该控制器功能除电压电流讯号撷取电路与控制电子电路外，尚包括保护电驿电路、使用者介面电路等，其中电压电流讯号撷取电路负责主电路回授讯号的前处理，如滤波、讯号隔离等，保护电驿电路则含发电系统与市电的故障检测回路，如系统过载、分散式电源的独立运转侦测等。

　　在换流器设计方面，图3(a)绘出本文所提系统操作于并联供电模式的单项等效电路图，此时气涡轮机充作电流源使用。由于发电机组内的换流器采脉波宽度调变控制，因此输出电压须使用电感、电容组成的二阶滤波器，以滤除高次谐波，然而观察图2可知，滤波电容器、比流器及重要负载输出块在电路分析上实属同一节点，因此可藉由相关器具安装位置的重新思考，达到不同模式控制整合的目的。在本研究中，输出电感器先与重要负载输出块连结，连接线接续贯穿比流器，再与滤波电容器并接及市电连接块串接，此时比流器所取样的讯号为机组输出的市电电流及换流器切换产生的谐波电流，其中该谐波电流属高频杂讯，可藉由滤波电路予以排除。市电电流则恰可供换流器设计闭回路控制系统使用，以利换流器将汲取自气涡轮机的发电功率送至电力网路。另一方面，当市电异常，气涡轮发电机充作用户的备用电源，如图3(b)所示，由于缺乏市电挹注，比流器回授讯号将由并联模式的市电电流变成电容电流。由于该电容电流讯号与输出电压准位相关，故可供换流器设计发电机输出稳压回路，达到备用电源的目的。基于上述调整，再配合控制器的整合设计，则本文所提系统即可利用单一回授路径完成所有模式控制，进而达到简化系统电路复杂度及提高系统运转可靠度的目的。

　　控制方法

　　1．市电并联供电模式

　　所谓市电并联供电模式系指微型气涡轮发电系统欲将所收集的能量透过系统控制，以单位功因形式送至电力网路。本模式控制原理以维持系统内直流电容定电压为，其中利用能量守恒观点可看出，当系统功率不平衡时，直流电容器即会进行储能或释能动作，并使电容器电压改变，因此如以功率控制第三回路设计在直流外电压控制回路的前端，该线路将产生正确的抵补讯号，并与预设值合成，利用换流器动作强制调整原仅由整流器单独决定的直流电压值，并使其关连至高频发电机的输出功率，则本文所拟研制的系统即可进行系统发电控制。至于换流器的内外回路控制方块图则如图4(a)所示，由该图可看出在直流电容电压控制方面，其采分压电路得到回授电压Vdcfb，并应用一比例积分控制器调整电容器电压Vdcfb与预设值Vdr间的误差，其中肇因于直流链电压常含涟波电压成分，因此电路设计上须将直流链回授电压，经电阻分压后先送进带拒滤波器，避免涟波电压影响到后级电路的运作。另经由一参考电压设定及比较电路后，定电压控制电路可自动计算直流链实际电压与预设值的误差，并将该误差值经比例积分器调整，得到直流链电压误差的参考电压命令，该参考电压与同相位于市电电压的正弦讯号相乘后即可得到参考电流命令值。在电流调整器部分，使用电流调整器的目的，乃在于使比流器回授电流值能与控制器参考电流命令值相同，并产生弦式脉冲宽度调变器所需的调变讯号。因此在该电路中，其系连接到比流器，并将比流器测得的电流讯号经一连串电流电压讯号转换后，送至误差放大电路，以修正参考电流命令与实际电流间的差异。值得注意的是，由于回授电流讯号系取自于市电电流，且控制器参考电流命令已被设计锁相于市电电压，因此当电流调整器完成回授讯号追随参考命令，此即代表系统的市电电流可受控保持与市电电压同相位，进而达到功率因数矫正的功能。基于上述，内回路控制转移方程式可表示为：

　　其中iL为市电电流、iref为参考命令、Lf为电感值、rf为电感内电阻、kCR为误差放大器增益。观察(1)式可看出，其右边第二项可藉由提高误差放大器增益kCR降低其影响，此时市电电流即仅与参考命令有关，此时若能慎选系统控制参数，则控制器回授讯号将可准确追踪其参考电流命令，因此只要再利用功率控制回路产生适当的电流参考命令，则可藉由电流调整器调整输出电流波形，达到高功因、低谐波电流输出的目的。

　　2．备用电源模式

　　在备用电源模式中，市电因并联断路器开路而与气涡轮机隔离，此时在图4的控制方块图中，可忽略市电电压补偿讯号，现由该图可推得：

 
　　其中，在(2)-(4)式中，Hv(S)为稳压回路的系统转移函数，由该式可看出负载电压vo与所设定的正弦参考信号voref相关，因此可藉由系统增益参数的选定，使系统输出电压稳定在预设值。

　　系统模拟与验证

　　为验证本文所提方法可行性，本文已利用电磁暂态模拟程式(Electro Magnetic Transient Program，EMTP)进行电脑分析，系统参数如表1，讯号处理部分则以TACS(Transients Analysis of ControlSystem)完成。在此模拟测试中，首先进行市电并联供电模式下的发电输出实功率控制试验，其中发电控制命令起始设定为10kW，并分别在300ms、600ms变换设定，增加为20kw及30kw(满载)，测试波形如图5所示。由图中可看出本文所拟系统确可有效控制涡轮机发电功率，并快速追踪控制命令，达到市电并联运转的功能。此外图6则绘出本文所提系统在并联供电模式下进行负载瞬间加载的测试波形，以测验系统电压稳定度及其暂态响应。其中系统起始为无载，并在100ms瞬间投入大量的电阻性负载，由该图可看出，系统功率控制在负载投入瞬间并无明显的暂态变化，因此可以证实本文所提系统在本模式下运转的可靠度。至于图7则为系统不断电功能测试波形图，由图中波形变化可说明市电瞬间中断暂态的响应结果，也即市电中断后，发电系统仍可输出一稳定的备用电源持续对负载供电，且由控制器单一内回路设计结果，负载端电压在模式切换时无中断问题发生。

　　结语

　　本文提出一微型气涡轮机电气系统的控制整合策略，即以单一电流回授路径配合内控制回路共用设计，完成发电机并联及独立运转所有模式的控制作业，达到简化系统电路的目的。由理论分析及实验测试结果可知，本文所提系统确具可行性，其除可协助市电网路进行负载管理，也可提供用户重要负载的不断电系统功能，进而有效提高微型气涡轮机经济运转的实用参考价值。