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研究生： 陳淯星
Yu-Hsing Chen
論文名稱： 以脈衝換相閘流體為基礎之固態轉供開關
A Solid-State Transfer Switch Based on Impulse-Commutated Thyristors
指導教授： 鄭博泰
Po-Tai Cheng
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 120
中文關鍵詞： 固態轉供開關 、閘流體 、電壓驟降
外文關鍵詞： static transfer switch, thyristor, voltage sag
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    • 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

    [1] Terry Surles, Marwan Masri, Robert L. Therkelsen; “Voltage-Sag Soluation For Industrial Customers” Jan. 2003.

    [2] ..G¨ulali Yal¸cinkaya, Math H. J. Bollen, Peter A. Crossley; “Characterization of Voltage Sag in Industrial Distribution Systems” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.34, July-Aug. 1998.

    [3] Eduardo Alegria, Afroz Khan, Janos Rajda, Shashi Dewan; “Static Voltage Regulator (SVR) - Ride Through Support For Semiconductor Facilities” Power System Word ‘98 Power Quality Conference, Nov. 1998.

    [4] Po-Tai Cheng, Chian-Chung Huang, Chun-Chiang Pan, Subhashish Bhattacharya; “Design and implementation of a series Voltage sag compensator under practical utility conditions” IEEE Transactions on Industry Applications ,Vol.39, May-June 2003.

    [5].. J. W. Schwartzenberg,R. W. De Doncker; “15kV Medium Voltage Static Transfer Switch” Proceedings of the 30th IEEE Industry Applications Annual Meeting, Vol.3, pp.2515-2520, 1995.

    [6] ..Melhorn, C.J.; Braz, A.; Hofmann, P.; Mauro, R.J.; “An evaluation of energy storage techniques for improving ride-through capability for sensitive customers on under ground networks” IEEE Transactions on Industry Applications , Vol.33 , July-Aug. 1997

    [7] S&C ELECTRIC COMPANY, Descriptive Bulletin 651-30, February 17, 2003

    [8] SEMI F47 (Implemented in 1999), Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity.

    [9] ITI (CBEMA) Curve Application Note, Published by Technical Committee 3 (TC3) of the Information Technology Industry Council. Revised 2000.

    [10] A. Sannino; “Power quality improvement in an industrial plant with motor load by installing a Static Transfer Switch” Industry Applications Conference, 2001. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2001 IEEE , Vol.2 pp.782-788, Oct. 2001.

    [11] Hossein Mokhtari, Sashi B. Dewan, M. Reza Iravani; “Performance Evaluation of Thyristor Based Static Transfer Switch” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.15, July 2000.

    [12] Toshifumi lse, Masakazu Takami, kiichiro Tsuji; “Hybrid Transfer Switch with Fault Current Limiting Function” Harmonics and Quality of Power 2000. Proceedings. Ninth International Conference on, Vol.1, Oct. 2000.

    [13] “Benchmark systems for digital computer simulation of a static transfer switch” Power Delivery, IEEE Transactions on, Vol.16, pp.724 – 731, Oct. 2001.

    [14] A. Sannino; “Static Transfer Switch : Analysis of switching Conditions and Actual Transfer Time” Power Engineering Society Winter Meeting, 2001. Vol.1 pp.120-125 Jan. 2001.

    [15] Mokhtari, H.; Reza Iravani, M.; Dewan, S.B.; ” Transient behavior of load transformer during subcycle bus transfer” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.18, pp.1342 – 1349, Oct. 2003.

    [16] A. MansoorE. ; R. Collins, Jr. ; R. L. Morgan; ”Effects of Unsymmetrical Voltage Sags on Adjustable Speed Drives”

    [17] Divan, D.M.; ” The resonant DC link converter-a new concept in static power conversion” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.25, pp.317 – 325, March-April 1989.
    [18] Divan, D.M.; Skibinski, G.; ” Zero-switching-loss inverters for high-power applications” IEEE Transactions on Industry Applications, pp.634 – 643, July-Aug. 1989

    [19] McMurray, W.; ” Resonant snubbers with auxiliary switches ” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.29, pp.355 - 362, March-April 1993

    [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.

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