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TWI869003B - 具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器及其控制方法 - Google Patents

具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器及其控制方法 Download PDF

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TWI869003B
TWI869003B TW112140909A TW112140909A TWI869003B TW I869003 B TWI869003 B TW I869003B TW 112140909 A TW112140909 A TW 112140909A TW 112140909 A TW112140909 A TW 112140909A TW I869003 B TWI869003 B TW I869003B
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陳耀銘
伊樂漢
李文彥
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國立臺灣大學
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Abstract

本發明具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器包括含功率轉換器、量測單元和控制模組，以及通過中性線與三相交流電網相連接的兩個耦合電容。透過控制模組對量測單元的不準確性進行補償，消除中性線上的偏置電流，從而最小化耦合電容的電壓偏差。本發明相對傳統的控制迴路，增加了新設計的回授路徑，達到消除中性線偏置電流的成果，在不影響功率轉換器的額定功率傳輸下，抑制了耦合電容上不穩定且無法預測的電壓變化，提升耦合電容的壽命，更使功率調節器能夠更穩定的操作。

Description

具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器及其控制方法
一種功率調節器及其控制方法，尤指一種具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器及其控制方法。
請參閱圖7所示，功率調節器是一種用以將直流電源轉換為交流電源之電路，例如使用在直流發電電源併入市電電網的過程中。以常見的三相交流電網為例，功率調節器包含功率轉換器5、上電容C1、下電容C2，以及量測電路和控制模組(圖未示)等。上電容C1及下電容C2為耦合分離電容，連接點通過中性線與三相交流電網的中性點n相連接。量測模組連接於三相輸出端，量測三相的輸出電流i a 、i b 、i c 、輸出電壓v a 、v b 、v c ，經反饋給控制模組，以供控制模組對功率轉換器5進行個別相位獨立的實虛功控制。
然而，由於量測模組的電路老化或是元件的不匹配等因素，可能會在電流量測上造成誤差，即控制模組收到的反饋電流值與實際電流值之間具有些微偏差。此誤差會在後續計算參考電流值和反饋電流值得的差時持續存在，並通過誤差放大器進一步被轉換為控制訊號輸出。當控制模組依照脈寬調變(PWM,Pulse Width Modulation)訊號進行操作時，即會產生中性線偏置電流。
由於各相電流的量測和控制是彼此獨立進行的，因此偏置電流i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 會出現在三相交流電中每個相的弦波電流i a 、i b 、i c 上，且由於偏置電流i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 相對預期的弦波電流i a 、i b 、i c 較小且無法確定其極性，因此當兩者疊加在一起時難以進行分離及控制。偏置電流i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 最終會 匯流並通過中性線流向耦合分離電容，即中性線上的總電流i a +i b +i c +i ext,a +i ext,b +i ext,c ，造成上電容C1、下電容C2電壓的電壓偏差△v。由於上電容C1、下電容C2串聯於直流輸入電源，電壓總和為Vdc，故耦合分離電容中上電容C1上的電壓為Vdc/2+△v，下電容C2上的電壓為Vdc/2-△v。當中性線上的偏置電流為正值時，由於直流電壓值為恆定不變，此時上電容C1的電壓將隨時間放電而使電壓降低，下電容C2的電壓則會隨之提升。反之，當中性線上的偏置電流為負時，會使上電容C1的電壓提高，使下電容C2電壓降低。而分離電容電壓偏離直流Vdc電壓中點的過程，將會影響功率調節器的運行，同時危害到交流電網。
以下為模擬一習知功率調節器在模擬交流電流量測誤差的情況下的測試結果。表一為用於模擬的功率調節器及三相四線交流電網的各項參數，並且將以三種不同的三相目標實虛功數值及量測誤差量進行模擬測試。
Figure 112140909-A0305-12-0002-4
第一種測試情況：三相目標實虛功均為目標實功值P ref =1kW，目標虛功值Q ref =0.5KVA，並且設定各相的電流量測誤差量均為+0.5A。
圖8A至圖8D依序為在第一種測試情況下的三相交流電壓v a 、v b 、v c 、三相交流電流i a 、i b 、i c 、三相電流偏移量i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 、以及上、下 電容電壓v c1 、v c2 隨時間變化之模擬結果波形圖。在第一種測試情況中，得到的偏置電流為正，因此會使得上電容C1的電壓逐步降低，而下電容C2的電壓會逐步上升，兩者皆隨時間遠離直流電壓中點(i.e.,360V)。
第二種測試情況：三相目標實虛功均為目標實功值P ref =1kW，目標虛功值Q ref =0.5KVA，並且設定各相電流量測誤差量均為-0.5A。
圖9A至圖9D依序為在第二種測試情況下的三相交流電壓v a 、v b 、v c 、三相交流電流i a 、i b 、i c 、三相電流偏移量i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 、以及上、下電容電壓v c1 、v c2 隨時間變化之模擬結果波形圖。在第二種測試情況中，得到的偏置電流為負，因此會使得得上電容C1的電壓逐步上升，而得下電容C2的電壓則會逐步降低，兩者皆遠離直流電壓中點(i.e.,360V)。
第三種測試情況：三相實虛功不同，即給定不同的目標功率資訊，且各相量測誤差量皆不相同。A相：P ref,a =1.25kW且Q ref,a =0kVAR，B相：P ref,b =1kW且Q ref,b =0.5kVAR，C相：P ref,c =0KW且Q ref,c =0.75kVAR。A相的量測誤差量為0.5A，B相的量測誤差量為-0.75A，C相的量測誤差量為-0.25A。
圖10A至圖10D依序為在第三種測試情況下的三相交流電壓v a 、v b 、v c 、三相交流電流i a 、i b 、i c 、三相電流偏移量i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 、以及上、下電容電壓v c1 、v c2 隨時間變化之模擬結果波形圖。在第三種測試情況中，得到的偏置電流為正，因此會使得上電容C1的電壓逐步降低，而下電容C2的電壓則會逐步上升，兩者皆遠離直流電壓中點(i.e.,360V)，並且由於三相的實虛功並不平衡，上電容C1、下電容C2的電壓將會出現隨著平均值變化的交流波形。
在現有技術中，通常透過以下兩種方法來解決這個問題。一是在誤差放大處理的過程加入一定值，以模擬在量測電流中額外加入直流電流作為平衡誤差；二是添加第二個誤差放大器，處理來自兩個電流量測模組的電壓差異。然而，由於電流反饋誤差的大小和極性都是不確定的，因此第一種方法 最終被認為是無效的，並且如果加入的定值所模擬的直流電流與偏置電流之間的極性相同，將會進一步增大產生的偏置電流，使電容電壓偏差更加嚴重。第二種方法則會額外增加許多成本，因為需要額外的電壓量測器以及額外的控制路徑來進行計算。
本發明提供一種具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器，連接於一直流電源及一交流電網之間，功率調節器包含：一功率轉換模組，具有二直流輸入端以連接該直流電源，以及至少一交流輸出端以連接交流電網，且包含串聯於該二直流輸出端之間的二電容，該二電容的一連接點連接該交流電網的一中性點；至少一量測單元，連接該功率轉換模組的至少一交流輸出端以進行電壓及電流量測，產生一量測電壓值及一量測電流值；至少一控制模組，連接該至少一量測單元及該功率轉換模組，根據一目標功率資訊及該量測電壓值產生一理想控制命令，且包含一補償運算機制；該補償運算機制對該理想控制命令進行訊號補償以產生一補償控制命令；控制模組根據該補償控制命令產生並輸出一脈寬調變訊號至該功率轉換模組；該補償運算機制包含：將一目標電流值與該量測電流值相減得到一第一差值；該第一差值減去一回授值後通過一第一比例放大器產生一第一比例放大差值，且將該第一差值通過一積分放大器產生一第一積分放大差值；該第一積分放大差值通過一第二比例放大器產生該回授值；該第一積分放大差值及該第一比例放大差值用以對該理想控制命令進行補償。
此外，本發明還提供一種具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器的控制方法，該功率調節器連接於一直流電源及一交流電網之間，控制直流電源和交流電網之間的功率傳輸，該控制方法包含以下步驟：接收一量測電壓值及一量測電流值，且接收一目標功率資訊，根據該量測電壓值及該目標功率資訊產生一理想控制命令；執行一補償運算機制，對該理想控制命令進行訊號補償以產生一補償控制命令；根據該補償控制命令產生並輸出一脈寬調變訊號至一功率轉換模組；該補償運算機制包含：將一目標電流值與該量測電流值相減得到一第一差值；該第一差值減去一回授值後通過一第一比例放大器產生一第一比例放大差值，且將該第一差值通過一積分放大器產生一第一積分放大差值；該第一積分放大差值通過一第二比例放大器產生該回授值；該第一積分放大差值及該第一比例放大差值用以對該理想控制命令進行補償。
通過該控制模組在產生脈寬調變控制訊號的過程中執行上述補償運算機制，將理想控制命令中基於量測誤差而產生的比例成分消除，從而消除耦合電容的中性點上的偏置電流。由於是通過控制模組中的補償運算機制進行量測誤差的消除，故無論量測誤差的極性為何均能通過回授路徑適當地消除誤差並進行補償，有效避免功率調節器因電容中性點電壓而產生操作異常。此外，本發明不需要在功率調節器加入額外的電容電壓控制迴路，在成本增加極少的情況下兩電容中性點的電壓維持在直流電壓中性點。
11:直流電源
12:交流電網
121,122,123:相終端
v a ,v b ,v c :交流電壓
i a ,i b ,i c :交流電流
2:功率轉換模組
21:功率轉換器
211:開關
212:電感
22:耦合分離電容組
221:上電容
222:下電容
n:中性點
3,3a,3b,3c:量測單元
v abc,fb :量測電壓值
v dc :直流電壓成份
v ac,x :交流電壓成份
i abc,fb :量測電流值
i x,fb :量測電流值
△i dev,x :量測誤差量
P ref,abc :目標實功值
Q ref,abc :目標虛功值
4,4a,4b,4c:控制模組
41:補償運算電路
411:第一計算器
412:第二計算器
413:第一比例放大器
414:積分放大器
415:第二比例放大器
416:第三計算器
42:命令運算處理器
43:脈寬調變命令產生器
44:脈寬調變電路
v ga1 ,v ga2 ,v gb1 ,v gb2 ,v gc1 ,v gc2 ,v gx1 ,v gx2 :脈寬調變控制訊號
v s1,x :理想控制命令
v s2,x :補償控制命令
V dc :直流電壓
i x *:目標電流值
e 1,x :第一差值
e 2,x :第二輸出值
e 3,x :第一比例放大差值
e 4,x :積分放大差值
e 5,x :回授值
K1,x:第一增益參數
K2,x:第二增益參數
K3,xʃ:積分增益參數
i ext,a ,i ext,b ,i ext,c :偏置電流
圖1為本發明具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器(下簡稱「功率調節器」)的電路架構方塊圖示意。
圖2為本發明的功率調節器中功率轉換器的電路圖。
圖3為本發明的功率調節器中控制模組的電路架構方塊示意圖。
圖4A至4D為本發明的功率調節器在第一種測試情況中，三相交流電壓、三相交流電流、三相電流偏移量以及電容電壓隨時間變化之波形圖。
圖5A至5D為本發明的功率調節器在第二種測試情況中，三相交流電壓、三相交流電流、三相電流偏移量以及電容電壓隨時間變化之波形圖。
圖6A至6D為本發明的功率調節器在第三種測試情況中，三相交流電壓、三相交流電流、三相電流偏移量以及電容電壓隨時間變化之波形圖。
圖7為一功率轉換器因中性線偏置電流流入中性點使得電容電壓偏移過程的電路示意圖。
圖8A至8D為一習知功率調節器在第一種測試情況中，三相交流電壓、三相交流電流、三相電流偏移量以及電容電壓隨時間變化之波形圖。
圖9A至9D為一習知功率調節器在第二種測試情況中，三相交流電壓、三相交流電流、三相電流偏移量以及電容電壓隨時間變化之波形圖。
圖10A至10D為一習知功率調節器在第三種測試情況中，三相交流電壓、三相交流電流、三相電流偏移量以及電容電壓隨時間變化之波形圖。
請參閱圖1所示，本發明的具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器(下簡稱「功率調節器」)連接於一直流電源11及一交流電網12之間，用以控制直流電源11和交流電網12之間的功率傳輸。直流電源11提供直流電壓Vdc在本發明的圖式及以下說明中，將以該交流電網12是一三相四線的交流電網12為實施例進行說明，但本發明不以此為限。該交流電網12具有一中性點n及 三個相終端121~123，分別為第一相終端121、第二相終端122及第三相終端123，三個相終端121~123分別用以提供三相交流電壓v a 、v b 、v c 。
功率調節器包含功率轉換模組2、至少一量測單元3及至少一控制模組4。其中，功率轉換模組2的交流輸出端、量測單元3及控制模組4的數量與交流電網12的相數匹配。換言之，至少一量測單元3分別為量測單元3a、量測單元3b、量測單元3c，至少一控制模組4分別為控制模組4a、控制模組4b及控制模組4c。須說明的是，在圖1中為簡明繪示，將量測單元3a、3b、3c統合為單一方塊表示，並將控制模組4a、4b、4c統合為單一方塊表示。其中，量測單元3a是連接相終端121以量測其交流電壓v a 、v b 、v c 及功率轉換器21輸出控制的交流電流i a 、i b 、i c ，控制模組4a則是連接量測單元3a以接收量測電壓值及量測電流值，並控制功率轉換模組2傳遞至相終端121之交流電壓v a 及交流電流i a ，其餘以此類推，在此不重複贅述。
功率轉換模組2具有二直流輸出入端以連接直流電源11，以及至少一交流輸出端以連接交流電網12的相終端121~123，並且進一步包含一功率轉換器21及一耦合分離電容組22。耦合分離電容組22包含電容值相同的二電容，分別為上電容221及下電容222，串聯於二直流輸入端之間，且上電容221及下電容222之間的一連接點通過一中性線與交流電網12的中性點n共點。功率轉換器21連接於耦合電容組22及交流輸出端之間，接收來自控制模組4的脈寬調變訊號，據以轉換直流電源11的直流電壓以對交流電網12的各相終端121~123分別輸出可控的交流電流i a 、i b 、i c 。
請一併參閱圖2所示，功率轉換器21包含複數開關211及至少一電感212。以三相交流輸出為例，共包含6個開關211及3個電感212，開關211兩兩成對地串聯於二直流電源端之間，分別為一上臂開關及一下臂開關。串聯的二開關211之間的一連接點通過電感212與其中一相終端121~123連接。該等成 對的開關211分別具有控制端，以接收來自控制模組4的成對的脈寬調變訊號v ga1 -v ga2 、v gb1 -v gb2 、v gc1 -v gc2 。
再請參閱圖1所示，量測單元3連接交流輸出端，分別量測交流電網12各相的交流電壓v a 、v b 、v c 及功率轉換器21輸出控制的交流電流i a 、i b 、i c ，據以產生量測電壓值v abc,fb 及量測電流值i abc,fb 。控制模組4連接量測單元3以接收量測電壓值v abc,f 及量測電流值i abc,fb ，並且由一外部控制器(圖未示)接收目標功率資訊，目標功率資訊包含目標實功值P ref,abc 及目標虛功值Q ref,abc 。控制模組4執行本發明的功率調節器的控制方法，根據目標功率資訊、量測電壓值v abc,fb 及量測電流值i abc,fb ，產生脈寬調變訊號。其中，前述符號中下標的「abc」表示連接三相交流電網中的各相的端點。
更詳細地說，該控制模組4根據目標功率資訊的目標實功值P ref,abc 及目標虛功值Q ref,abc 以及量測電壓值v abc,fb 產生一理想控制命令v s1,x ，且控制模組4包含一補償運算機制，補償運算機制對理想控制命令v s1,x 進行訊號補償以產生一補償控制命令v s2,x 。控制模組4根據補償控制命令v s2,x 產生並輸出脈寬調變訊號v gx1 -v gx2 至功率轉換模組2。補償運算機制包含以下步驟：將一目標電流值與量測電流值相減得到一第一差值；第一差值減去一回授值後通過一第一比例放大器產生一第一比例放大差值，且將第一差值通過一積分放大器產生一積分放大差值；積分放大差值通過一第二比例放大器產生回授值；積分放大差值及第一比例放大差值用以對理想控制命令v s1,x 進行補償，產生補償控制命令v s2,x 。其中，下標符號中的「x」表示三相交流電網中的任一相終端。
在此說明的是，各量測單元3連接相終端121、122、123以量測交流電壓v a 、v b 、v c 及功率轉換模組2輸出的交流電流i a 、i b 、i c ，且各控制模組4連接對應的量測單元3以接收對應該相的量測電壓值v abc,fb 及量測電流值i abc,fb ，並連接對應各相的開關211，輸出成對的脈寬調變訊號v ga1 -v ga2 ,v gb1 -v gb2 ,v gc1 -v gc2 以 控制各開關221在導通和截止之間切換，以控制各相的輸出。各量測單元3之間及各控制模組4之間為各自獨立作業，使得輸出至交流電網12的各相交流電壓v a 、v b 、v c 及交流電流i a 、i b 、i c 為分別獨立偵測及獨立控制。在此電路架構下，本發明的功率調節器可以達到至少以下目的：(a)三相輸出的實虛功分別穩定在目標值；(b)消除中性線上的偏置電流；以及(c)將耦合分離電容22的電容121、122上的電壓分別穩定在直流電壓V dc 的中點附近。
以下將以一組對應的量測單元3、控制模組4及開關221之動做原理進行說明。相同的電路架構及控制原理可以應用到功率調節器中對應任一相的量測單元3a、3b、3c及控制模組4a、4b、4c，達到消除任一量測單元3a、3b、3c產生的量測電流值i abc,fb 中量測誤差的功效。
請參閱圖3所示，量測電壓值v x,fb 包含直流電壓成份v dc 以及交流電壓成份v ac,x ；量測電流值i x,fb 包含真實電流量以及量測誤差量△i dev,x 。控制模組4包含一補償運算電路41一命令運算處理器42、一脈寬調變命令產生器43及一脈寬調變電路44。命令運算處理器42連接量測單元3以接收量測電壓值v x,fb 中的直流電壓成份v dc ，並由外部控制器接收目標功率資訊的目標實功值P ref,abc 及目標虛功值Q ref,abc ，具以產生目標電流值i x *。脈寬調變命令產生器43連接命令運算處理器42、量測單元3，從命令運算處理器42接收目標電流值i x *，從量測單元3接收量測電壓值v x,fb 中的直流電壓成份v dc 及交流電壓成份v ac,x ，並且根據目標電流值i x *、直流電壓成份v dc 及交流電壓成份v ac,x 產生理想控制命令v s1,x 。補償運算電路41連接命令運算處理器42、量測單元3及脈寬調變命令產生器43，從脈寬調變命令產生器43接收理想控制命令v s1,x ，從命令運算處理器42接收目標電流 值i x *，以及從量測單元3接收量測電流值i x,fb ，並且執行補償運算機制以產生補償控制命令v s2,x 。
須說明的是，脈寬調變命令產生器43根據目標電流值i x *、直流電壓成份v dc 及交流電壓成份v ac,x 產生理想控制命令v s1,xs 之方法例如是參考論文“Per-Phase Active Power Distribution Strategy for Three-Phase Grid-Tied Inverters Under Unbalanced Conditions Without DC Sources”by T.W.Tsai,Y.C.Li,C.J.Yang,and Y.M.Chen,Vol.9.No.6,December 2021中的式5-7及式8-9產生，並且進行以下假設：θ vac,x =0
P comp =0
脈寬調變電路44連接控制模組4的補償運算電路41以接收該補償控制命令v s2,x ，並且據以產生脈寬調變訊號v ga1 -v ga2 、v gb1 -v gb2 、v gc1 -v gc2 以輸出至功率轉換模組2。更詳細的說，其中一控制模組4產生的脈寬調變訊號包含二子訊號，例如，控制模組4a產生脈寬調變訊號v ga1 及v ga2 ，分別控制功率轉換模組2中串聯的二開關211。
請一併參閱圖3所示，由量測單元3量測到的三相交流電流的量測電流值i x,fb 由於量測單元3電路的不理想，將會額外地包含有電流量測誤差量△i dev,x 。而每一相電流的電流量測誤差量△i dev,x 將會分別傳遞到控制模組4的補償運算電路41。補償運算電路41包含一第一計算器411、一第二計算器412、一第一比例放大器413、一積分放大器414、一第二比例放大器415、一第三計算器416。第一計算器411接收量測電流值i x,fb 及目標電流值i x *，將目標電流值i x *減去量測電流值i x,fb ，產生第一差值e 1,x ；第二計算器412連接第一計算器411以接收第一差值e 1,x ，將第一差值e 1,x 減去回授值e 5,x ，產生一第二輸出值e 2,x ；第一比例放大器413連接第二計算器412以接收第二輸出值e 2,x ，根據第二輸出值e 2,x 及一 第一增益參數K1,x產生一第一比例放大差值e 3,x ；積分放大器414連接第二計算器412以接收第二輸出值e 2,x ，並根據第二輸出值e 2,x 及積分增益參數K3,xʃ對第二輸出值e 2,x 進行相對時間的積分，產生一積分放大差值e 4,x ；第二比例放大器415連接積分放大器414以及第二計算器412，接收積分放大差值e 4,x ，並根據一第二增益參數K2,x產生回授值e 5,x ，並對第二計算器412輸出回授值e 5,x ；第三計算器416連接第一比例放大器413以接收第一比例放大差值e 3,x ，連接積分放大器414以接收積分放大差值e 4,x ，且連接脈寬調變命令產生器43以接收理想控制命令v s1,x ，將第一比例放大差值e 3,x 、積分放大差值e 4,x 及理想控制命令v s1,x 相加，以產生補償控制命令v s2,x 。
以下將代表各相的第一比例放大器411的第一增益參數K1,x簡化為第一增益參數K1，第二比例放大器415的第二增益參數K2,x簡化為第二增益參數K2，積分放大器414的積分增益參數K3,xʃ簡化為積分增益參數K3。在本發明的一實施例中，積分增益參數K3大於第二增益參數K2，第二增益參數K2大於第一增益參數K1，且第一增益參數大於0。換言之：K3>K2>K1>0
在一種實施例中，積分增益參數K3大於第一增益參數K1的10倍。
在另一種實施例中，積分增益參數K3大於第二增益參數K2的10倍。
以下將以一功率調節器的實例及模擬訊號波形圖驗證說明本發明達成之實質功效。表一為用於模擬的功率調節器及三相四線交流電網的各項參數，並且將以三種不同的三相目標實虛功數值及量測誤差量進行模擬測試。
Figure 112140909-A0305-12-0011-2
Figure 112140909-A0305-12-0012-3
第一種測試情況：三相目標實虛功均為目標實功值P ref =1kW，目標虛功值Q ref =0.5KVA，並且設定各相的電流量測誤差量均為+0.5A。
圖4A至圖4D依序為在第一種測試情況下的交流電壓v a 、v b 、v c 、交流電流i a 、i b 、i c 、電流偏移量i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 、以及分離電容電壓v c1 、v c2 隨時間變化之模擬結果波形圖。如圖4A至圖4D所示，在本發明的補償運算機制下，流過中性線偏移電流為0A，而電容221、222的電壓最終穩定在352V及368V，由此可說明本實施例在第一種測試情況可以將電容電壓VC1、VC2保持在直流電壓中點(Vdc/2)附近。
第二種測試情況：三相目標實虛功均為目標實功值P ref =1kW，目標虛功值Q ref =0.5KVA，並且設定各相電流量測誤差量均為-0.5A。
圖5A至圖5D依序為第二種測試情況下交流電壓v a 、v b 、v c 、交流電流i a 、i b 、i c 、電流偏移量i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 以及分離電容電壓v c1 、v c2 隨時間變化之模擬結果波形圖。如圖5A至圖5D所示，在本發明的補償運算機制下，流 過中性線偏移電流為0A，而兩電容221、222的電壓最終穩定在368V及352V，由此可說明本實施例在第二種測試情況可以將電容電壓VC1、VC2保持在直流電壓中點(Vdc/2)附近。
第三種測試情況：三相實虛功不同，即給定不同的目標功率資訊，且各相量測誤差量皆不相同。A：P ref,a =1.25kW且Q ref,a =0kVAR，B相：P ref,b =1kW且Q ref,b =0.5kVAR，C相：P ref,c =0KW且Q ref,c =0.75kVAR。A相的量測誤差量為0.5A，B相的量測誤差量為-0.75A，C相的量測誤差量為-0.25A。
圖6A至圖6D依序為第三種測試情況下交流電壓v a 、v b 、v c 、交流電流i a 、i b 、i c ，電流偏移量i ext,a 、i ext,b 、i ext,c 、以及分離電容電壓v c1 、v c2 隨時間變化之模擬結果波形圖。如圖6A至圖6D所示，在本發明的補償運算機制下，流過中性線偏移電流為0A，而兩電容221、222的電壓平均值為368V及352V，並且具有相較沒有使用補償運算機制時較小的交流漣波，由此可說明本實施例在第三種測試情況可以將電容電壓VC1、VC2保持在直流電壓中點(Vdc/2)附近。
綜上所述，使用本發明的功率調節器具有以下優點：可以消除因量測單元3中的電流量測誤差而造成的中性線偏置電流。並且在不論量測電流誤差極性都可以對其進行補償。
透過控制模組4中的補償運算電路41可快速有效的控制分離電容221、222的電壓偏差，並不需要加入額外的電容電壓控制迴路便能將兩電容電壓穩定在直流電壓中點，避免功率調節器因電容電壓問題而無法正常操作。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本 發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
3:量測單元
v x,fb :量測電壓值
v dc :直流電壓成份
v ac,x :交流電壓成份
i x,fb :量測電流值
Δi dev,x :量測誤差量
P ref,abc :目標實功值
Q ref,abc :目標虛功值
4:控制模組
41:補償運算電路
411:第一計算器
412:第二計算器
413:第一比例放大器
414:積分放大器
415:第二比例放大器
416:第三計算器
42:命令運算處理器
43:脈寬調變命令產生器
44:脈寬調變電路
v gx1 ,v gx2 :脈寬調變控制訊號
v s1,x :理想控制命令
v s2,x :補償控制命令
V dc :直流電壓
i x *:目標電流值
e 1,x :第一差值
e 2,x :第二輸出值
e 3,x :第一比例放大差值
e 4,x :積分放大差值
e 5,x :回授值
K1,x:第一增益參數
K2,x:第二增益參數
K3,x∫:積分增益參數

Claims (10)

  1. 一種具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器，連接於一直流電源及一交流電網之間，該功率調節器包含：一功率轉換模組，具有二直流輸入端以連接該直流電源，以及至少一交流輸出端以連接交流電網，且包含串聯於該二直流輸出端之間的二電容，該二電容的一連接點連接該交流電網的一中性點；至少一量測單元，連接該功率轉換模組的至少一交流輸出端以進行電壓及電流量測，產生一量測電壓值及一量測電流值；至少一控制模組，連接該至少一量測單元及該功率轉換模組，根據一目標功率資訊及該量測電壓值產生一理想控制命令，且包含一補償運算機制；該補償運算機制對該理想控制命令進行訊號補償以產生一補償控制命令；該至少一控制模組根據該補償控制命令產生並輸出一脈寬調變訊號至該功率轉換模組；該補償運算機制包含：將一目標電流值與該量測電流值相減得到一第一差值；該第一差值減去一回授值後通過一第一比例放大器產生一第一比例放大差值，且將該第一差值通過一積分放大器產生一第一積分放大差值；該第一積分放大差值通過一第二比例放大器產生該回授值；該第一積分放大差值及該第一比例放大差值用以對該理想控制命令進行補償，其中當該量測單元具有電流量測誤差時，傳輸至該至少一控制模組的該量測電流值係包含一電流量測誤差，且該第一差值包含一誤差量，該補償運算機制將該理想控制命令中基於該電流量測誤差而產生的比例成分消除。
  2. 如請求項1所述之具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器，其中，該交流電網為一三相四線交流電網，具有三個相終端； 該至少一交流電源端、該至少一量測單元、該至少一控制模組的數量分別為三個；該等交流電源端連接該交流電網的該等相終端以輸出三相電壓；該功率轉換模組包含一功率轉換器，該功率轉換器包含三上臂開關、三下臂開關及三電感；該等上臂開關與該等下臂開關成對地串連於該二直流輸入端之間；該等上臂開關及該等下臂開關的一連接點通過該等電感與該等相終端連接；該等控制模組分別與該等上臂開關及該等下臂開關電性連接，以對該等上臂開關及該等下臂開關輸出脈寬調變訊號，使得直流電源通過該等上臂開關即該等下臂開關對三個相終端分別輸出相電壓。
  3. 如請求項1所述之具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器，其中，該控制模組包含：一命令運算處理器，連接量測單元以接收量測電壓值，且由一外部控制器接收目標功率資訊，據以產生該目標電流值；一脈寬調變命令產生器，連接該命令運算處理器、該量測單元，根據該目標電流值、該量測電壓值產生該理想控制命令；一補償運算電路，連接該命令運算處理器、該量測單元及該脈寬調變命令產生器，接收該理想控制命令、該目標電流值及該量測電流值，執行該補償運算機制以產生該補償控制命令；一脈寬調變電路，接收該補償控制命令，據以產生脈寬調變訊號。
  4. 如請求項1所述之具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器，其中，該補償運算機制由一補償運算電路執行，該補償運算電路包含：一第一計算器，接收該量測電流值及該目標電流值，將該目標電流值減去該量測電流值，產生該第一差值； 一第二計算器，連接該第一計算器以接收該第一差值，將該第一差值減去該回授值，產生一第二輸出值；一第一比例放大器，連接該第二計算器以接收該第二輸出值，根據該第二輸出值及一第一增益參數產生一第三輸出值；一積分放大器，連接該第二計算器以接收該第二輸出值，並根據該第二輸出值及一積分增益參數對該第二輸出值的時間進行積分，產生一第四輸出值；一第二比例放大器，連接該積分放大器以及該第二計算器，接收該第四輸出值，並根據一第二增益參數值產生該回授值，並對該第二計算器輸出該回授值；一第三計算器，連接該第一比例放大器以接收該第三輸出值，連接該積分放大器以接收該第四輸出值，且連接該正弦寬調變電路以接收該理想控制命令，將該第三輸出值、該第四輸出值及該理想控制命令相加，以產生該補償控制命令。
  5. 如請求項1所述的具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器，其中，該第一比例放大器具有一第一增益參數，該第二比例放大器有一第二增益參數，該積分放大器具有一積分增益參數；其中，該積分增益參數大於該第二增益參數，且該第二增益參數大於該第一增益參數；該第一增益參數大於0。
  6. 如請求項4所述的具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器，其中，該積分增益參數大於該第一增益參數的10倍。
  7. 如請求項4所述的具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器，其中， 該積分增益參數大於該第二增益參數的10倍。
  8. 一種具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器的控制方法，該功率調節器連接於一直流電源及一交流電網之間，控制直流電源和交流電網之間的功率傳輸，該控制方法包含以下步驟：接收一量測電壓值及一量測電流值，且接收一目標功率資訊，根據該量測電壓值及該目標功率資訊產生一理想控制命令；執行一補償運算機制，對該理想控制命令進行訊號補償以產生一補償控制命令；根據該補償控制命令產生並輸出一脈寬調變訊號至一功率轉換模組；該補償運算機制包含：將一目標電流值與該量測電流值相減得到一第一差值；該第一差值減去一回授值後通過一第一比例放大器產生一第一比例放大差值，且將該第一差值通過一積分放大器產生一第一積分放大差值；該第一積分放大差值通過一第二比例放大器產生該回授值；該第一積分放大差值及該第一比例放大差值用以對該理想控制命令進行補償，其中當該量測電流值係包含一電流量測誤差時，該第一差值包含一誤差量，該補償運算機制將該理想控制命令中基於該電流量測誤差而產生的比例成分消除。
  9. 如請求項8所述的具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器的控制方法，其中，該第一比例放大器具有一第一增益參數，該第二比例放大器有一第二增益參數，該積分放大器具有一積分增益參數；其中，該積分增益參數大於該第二增益參數，且該第二增益參數大於該第一增益參數；該第一增益參數大於0。
  10. 如請求項9所述的具有中性線偏置電流補償功能的功率調節器的控制方法，其中，該積分增益參數大於該第一增益參數的10倍；該積分增益參數大於該第二增益參數的10倍。
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