三臂式电力转换装置 【技术领域】
本发明涉及一种三臂式电力转换装置，特别是关于具有三个输出/输入埠，且可供电能在该三个输出/输入埠之间作转换的三臂式电力转换装置。
背景技术
由于近年来电力电子技术突飞猛进，许多以电力电子为基础的装置已被使用于电能转换的相关领域。基本的电能转换包含交流至直流电能转换、直流至直流电能转换、直流至交流电能转换及交流至交流电能转换等。一般而言，基本电能转换的电力转换装置仅包含一电力转换器，但若必须完成两种基本电能转换操作，则必须利用两组电力转换器来组成具有此功能的电力转换装置。例如，图1所示为现有的在线式不断电系统，包含两组电力转换器91、92，其中该电力转换器91进行交流/直流电能转换，而该电力转换器92则进行直流/交流电能转换，以便将一交流电源进行电能转换，进而供应一高品质的交流电能至一负载；又，如图2所示，其绘示一传统的小容量离线式不断电系统的电路架构，由于一般小容量离线式不断电系统的电池个数均不多，其所能提供的直流电压亦较低，导致该电池进行放电时，必须通过两组电力转换器93、94以供电至一负载，其中，该电力转换器93进行直流/直流电能转换，而该电力转换器94则进行直流/交流电能转换，以便对该电池所输出的直流电能进行升压后，再转换为交流电能并供应至该负载；而如图3所示，其绘示如美国专利US7079406及US6678174等所揭示的市电连接式太阳能发电系统的系统架构，该系统的一太阳能电池所输出的直流电能必须经过两组电力转换器95、96才能连接到一交流配电系统，其中该电力转换器95用以将太阳能电池输出的不稳定的直流电能进行直流/直流电能转换，以转成一稳定的直流电能，而该电力转换器96则进行直流/交流电能转换后才将该太阳能电池的电能输入该交流配电系统。
综上所述，在传统的电力转换装置中，若欲完成两种基本电能转换操作时，即必须利用两组电力转换器来完成，其造成电力电路及控制电路复杂度较高，且也增加制造成本。基于上述原因，有必要进一步改进上述现有的电力转换装置。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供一三臂式电力转换装置，其包含三个输出/输入埠，且控制该三臂式电力转换装置以不同形式的电能在该三输出/输入埠之间作转换。
为达到前述发明目的，本发明所运用的技术手段及借助该技术手段所能达到的效果为：
一种三臂式电力转换装置，其包含：一第一输出/输入埠、一第二输出/输入埠、一第三输出/输入埠、一三臂桥式电路、一控制器、一滤波电路及一去耦合回路元件。该三输出/输入埠各具有二端点，该三臂桥式电路具有二直流端点及三中间端点，该二直流端点分别连接至该第一输出/输入埠的该二端点，而该三中间端点分别设于该三臂桥式电路的各三单臂电路的中间点。该控制器电性连接该三臂桥式电路，以供控制各该直流端点及各个臂的中间端点的输出或输入电流。该滤波电路的一端连接到该三臂桥式电路的其中二单臂电路的中间端点，该滤波电路的另一端则连接至该第二输出/输入埠的该二端点，该滤波电路供滤除该三臂桥式电路所产生的高频谐波电流。该去耦合回路元件具有一第一端点、一第二端点及一第三端点，该第一及第二端点分别连接于该第二输出/输入埠的该二端点，而该第三端点及未与该滤波电路连接的另一单臂电路的中间端点则分别连接至该第三输出/输入埠的该二端点。其中，该第一输出/输入埠供输出或输入一直流电能；该第二输出/输入埠供输出或输入一直流或交流电能；而该第三输出/输入埠也供输出或输入一直流或交流电能。借此，仅利用该三臂桥式电路即可在各该输出/输入埠之间作能量转换，可有效简化进行电能转换时所需的电力电路及控制电路。
所述的三臂式电力转换装置的控制器是利用电流控制模式控制该三臂桥式电路，以进一步控制与该滤波电路连接的该二单臂电路的中间端点分别产生一输出或输入电流，其中该二中间端点所产生的该二电流均各包含一第一电流成份及一第二电流成份，且该二电流的第一电流成份的关系为大小相等而相位相反，而该二电流的第二电流成份的关系为大小相等且相位亦相同。借此，可有效利用该三臂式电力转换装置在各该输出/输入埠之间进行能量转换。
本发明有益效果在于可有效简化进行电能转换时所需的电力电路及控制电路，且可达到降低成本及具有较大使用裕度的功效。
【附图说明】
图1：现有电力转换器的系统架构图。
图2：另一现有电力转换器的系统架构图。
图3：又一现有电力转换器的系统架构图。
图4：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置的电路架构图。
图5a：本发明较佳实施例地三臂式电力转换装置的第一种三臂电路架构的电路图。
图5b：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置的第二种三臂电路架构的电路图。
图6a：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置的第一种去耦合电路架构的电路图。
图6b：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置的第二种去耦合电路架构的电路图。
图7a：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置应用于市电并联型的太阳能发电系统时的系统架构图。
图7b：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置应用于独立型的太阳能发电系统时的系统架构图。
图7c：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置应用于独立型的太阳能发电系统时的另一系统架构图。
图8：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置应用于不断电系统时的系统架构图。
图9a：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置应用在电力调节器时的系统架构。
图9b：本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置应用在电力调节器时的另一系统架构。
主要元件符号说明：
1三臂式电力转换装置 11第一输出/输入埠 12第二输出/输入埠
13第三输出/输入埠 14三臂桥式电路 14a三臂电路架构
14b三臂电路架构 141直流端点 142直流端点
143中间端点 144中间端点 145中间端点
15滤波电路 16去耦合回路元件 16a去耦合电路架构
163第三端点 16b去耦合电路架构 161第一端点
162第二端点 17控制器
【具体实施方式】
为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，于下文将例举较佳实施例并配合附图作详细说明，但其并非是用以限定本发明。
请参照图4所示，其为本发明的三臂式电力转换装置的较佳实施例的电路架构图。该三臂式电力转换装置1包含一第一输出/输入(I/O)埠11、一第二输出/输入(I/O)埠12、一第三输出/输入(I/O)埠13、一三臂桥式电路14、一滤波电路15、一去耦合回路元件16及一控制器17。该第一、第二及第三I/O埠11、12、13均各具有二端点，且供连接于各种直流或交流的电源及负载之间，以便将各种该电源的电能转换为适当的形式供给至该负载，或将电能作适当转换以在各种电源间作能量的传递。该三臂桥式电路14由三单臂电路并联连接而成，其中该三臂桥式电路14具二直流端点141、142，且该二直流端点141、142连接至该第一I/O埠11的二端点；另，该三臂桥式电路14的各该单臂电路均具有一中间端点，以形成该三臂桥式电路14的三中间端点143、144、145，且其中的两个该单臂电路的中间端点143、144连接至该滤波电路15，而该另一单臂电路的中间端点145则连接至该第三I/O埠13的二端点之一。该滤波电路15连接于该三臂桥式电路14的二中间端点143、144及该第二I/O埠12的该二端点之间，且该滤波电路15较佳由二电感器组成，以便滤除高频谐波电流，且该二电感器之一连接于该第二I/O埠12的该二端点的其中之一及该中间端点143之间，而该二电感器的另一个则连接于该第二I/O埠12的该二端点的另一个及该中间端点144之间。该去耦合回路元件16包含第一端点161、一第二端点162及一第三端点163，其中该第一端点161及第二端点162端点分别连接至该第二I/O埠12的二端点，而该第三端点163则连接至该第三I/O埠13的该二端点的另一个。该控制器17电性连接于该三臂桥式电路14，以控制各该直流端点141、142及各臂的中间端点143、144、145的输出或输入电流。
请参照图5a及5b所示，其为该三臂桥式电路14的两种三臂电路架构14a、14b。如图5a所示的第一种三臂电路架构14a，该三臂桥式电路14的三单臂电路均由两组电力电子开关元件串联而成，每一组电力电子开关元件由一电力电子开关与一反相二极管组成。借此，该三单臂电路的直流端点位于各该单臂电路的二端以形成该三臂桥式电路14的直流端点141、142，而同一单臂电路的两组电力电子开关元件之间的连接点即为该单臂电路的中间端点而构成该三臂桥式电路14的中间端点143、144、145。如图5b所示，相较于前述的第一种三臂电路架构14a，该三臂桥式电路14的第二种三臂电路架构14b仅构成该臂的中间端点143、144的二单臂电路分别由两组电力电子开关元件串联组成，而该第二种三臂电路架构14b的另一单臂电路由二电容器串联而成，其中该二电容器的电容值相等，且该二电容器之间的连接点形成该三臂桥式电路14的中间端点145。其中该三臂桥式电路14的各该电力电子开关元件均连接至该控制器17，以便该控制器17控制各该电力电子开关元件呈导通或截止状态。
请参照图6a及6b所示，其为该去耦合回路元件16的两种去耦合电路架构16a、16b。如图6a所示的第一种去耦合电路架构16a，该去耦合回路元件16由一个变压器组成，其中该变压器的一次侧与二次侧之间的匝数比为1∶1，且该变压器的一次侧的一端为该第一端点161，而该变压器的二次侧的一端为该第二端点162。而该变压器的一次侧及二次侧的另一端相互连接并形成该第三端点163。由于该变压器的一次侧与二次侧之间的匝数比为1∶1，故流入或流出该第一端点161与第二端点162的电流必须相同，使分别由该第一端点161与第二端点162流入的二相同电流合成一电流后，由该第三端点163流出，或由该第三端点163流入一电流并分流形成二相同电流后，由该第一端点161与第二端点162流出，此时对该第二I/O埠12而言，该变压器可被视为开路。请参照图6b所示的第二种去耦合电路架构16b，该去耦合回路元件16由二等值的电容器组成，其中该二电容器的一端形成该第一端点161与第二端点162，且该二电容器的另一端相互连接以形成该第三端点163。借此，该二电容器所形成的回路也可使分别由该第一端点161与第二端点162流入的二电流合成一电流由该第三端点163流出，或由该第三端点163流入一电流并分流形成二电流由该第一端点161与第二端点162流出。
请再参照图4、5及6，本发明由该控制器17以电流控制模式控制该三臂桥式电路14的各电力电子开关元件的状态，以便进一步控制在该中间端点143、144的二输出/输入的电流分别输出或输入于该三臂桥式电路14。更详言之，该二中间端点143、144的二输出/输入电流均包含一第一电流成份及一第二电流成份，其中二该输出/输入电流的第一电流成份的关系为大小相等而相位相反，而二该输出/输入电流的第二电流成份的关系则为大小相等且相位也相同。由于该二输出/输入电流的第一电流成份为大小相等而相位相反，因此就该二输出/输入电流的第一电流成份而言，该去耦合回路元件16可视为一开路元件，故该二输出/输入电流的第一电流成份流经该第二I/O埠12与该第二I/O埠12所连接的电路，进而形成一电流回路。意即，该二输出/输入电流的第一电流成份的其中之一为自该第二I/O埠12的一端流出，而另一该二输出/输入电流的第一电流成份则流入该第二I/O埠12的另一端。反之，由于流经该第二I/O埠12的该二端点与该第二I/O埠12所连接电路的电流必须为一进一出，即，流经该第二I/O埠12的二电流必须大小相等且相位相反，而该二输出/输入电流的第二电流成份为大小相等且相位相同，故二该第二电流成份无法流经第二I/O埠12。更详言之，该二输出/输入电流的第二电流成份将流经该去耦合回路元件16的该第一端点161与第二端点162，并在该去耦合回路元件16的内部合而为一后，由该第三端点163流出至该第三I/O埠13的一端输出，再由该第三I/O埠13的另一端流至该三臂桥式电路14的中间端点145而形成另一电流回路；或者，自该三臂桥式电路14的中间端点145流出一电流，并由该第三I/O埠13的该二端点之一输出，再由该第三I/O埠13的该二端点的另一个输入，再经过该去耦合回路元件16分流之后，成为该二输出/输入电流的第二电流成份，从而也形成一电流回路。
综上所述，本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置1可在该第二I/O埠12与该第三I/O埠13分别输出/输入分别独立控制的电流进行电能转换。此外，根据能量守恒原理，当该第二I/O埠12与该第三I/O埠13所转换的电能之间存在一差值时，造成该差值的电能必定流出或流入该第一I/O埠11，因此本发明较佳实施例的三臂式电力转换装置1可仅利用该三臂桥式电路14，即在该第一I/O埠11、第二I/O埠12及第三I/O埠13之间作能量转换，可有效简化进行电能转换时所需的电力电路及控制电路。此外，当应用本发明的三臂式电力转换器时，该第一I/O埠11仅供连接于一直流的电源或负载，而若去耦合电路16为该第二种去耦合电路架构16b由该二等值的电容器构成时，该第二及第三I/O埠12、13可任意选择连接于一直流或交流的电源或负载；但，若是该去耦合电路16为该第一种去耦合电路架构16a由该变压器构成时，该第二I/O埠12则必须连接于一交流的电源或负载。
请参照图7a、7b及7c所示，其为本发明的三臂式电力转换装置的较佳实施例应用于太阳能发电系统时的系统架构图。请参照图7a所示，其中该太阳能发电系统选用一市电并联型的太阳能发电系统，且该三臂式电力转换装置1的第一I/O埠11连接到一直流电容，该第二I/O埠12连接到该太阳能发电系统的一太阳能电池组，而该第三I/O埠13则连接到一交流配电系统。其中，若该三臂桥式电路4选择为该第二种三臂电路架构14b，可省略该第一I/O埠11所连接的直流电容，且在如图7a所示的应用例中，由于该第一种去耦合回路元件16a中的变压器对于直流电能而言形同短路，故该去耦合电路元件16只能选用该第二种去耦合回路元件16b。当本发明的三臂式电力转换装置1在如图7a所示的应用例中进行操作时，该太阳能电池组输入一直流电能至该第二I/O埠12，其电流为一进一出，大小相等而相位相反，因此借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第一电流成份即可控制该太阳能电池组的电流，进而控制该太阳能电池组所输出的功率；另一方面，借助控制该三臂桥式电路14的中间端点143、144的该二输出/输入电流的第二电流成份，可控制该去耦合回路元件16的第三端点163所产生的电流与该交流配电系统的电压同频率且同相位，再经该第三I/O埠13注入该交流配电系统。此外，利用控制由该第二I/O埠12所输入的直流电能与该第三I/O埠13所输出的交流电能之间的差值，该三臂桥式电路14即可在连接于该第一I/O埠11的直流电容上建立一稳定的直流电压，以供应该三臂桥式电路14正常操作时所需的直流电压。因此，本发明的三臂式电力转换装置1可直接将该太阳能发电系统的太阳能电池组所产生的直流电能转换成一高品质的交流电能注入该交流配电系统。
请参照图7b所示，其为本发明的三臂式电力转换装置的较佳实施例应用在一独立型太阳能发电系统的架构，其中该三臂式电力转换装置1的第一I/O埠11连接至一蓄电池组，该第二I/O埠12连接到该太阳能发电系统的一太阳能电池组，而该第三I/O埠13则连接到一交流电容及一负载。在如图7b所示的应用例中，由于该第一种去耦合回路元件16a中的变压器对于直流电能而言形同短路，故该去耦合电路元件16也只能选用该第二种去耦合回路元件16b。当本发明的三臂式电力转换装置1在如图7b所示的应用例中进行操作时，该太阳能电池组也输入一直流电能至该第二I/O埠12，其电流为一进一出，大小相等而相位相反，因此借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第一电流成份即可控制该太阳能电池组的电流，进而控制该太阳能电池组输出的功率；另一方面，借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第二电流成份，可控制该去耦合回路元件16的第三端点163所产生的电流，以在并联于该负载的该交流电容上建立一交流电压，供电给该负载。另，利用该控制器17控制由该第二I/O埠12所输入的直流电能与该第三I/O埠13所输出的交流电能之间的差值，该三臂桥式电路14即可对连接于该第一I/O埠11的该蓄电池组进行充放电。借此，在太阳光强时，可将该太阳能电池组所产生的电能大于该负载所需的电能的部分充入该蓄电池组；而在太阳光较弱时，可由该蓄电池组放电，以补足太阳能电池组不足以供应该负载所需的电能。
请参照图7c所示，其为本发明的三臂式电力转换装置的较佳实施例应用在一独立型太阳能发电系统的另一架构，其中该三臂式电力转换装置1的第一I/O埠11连接至该太阳能发电系统的一太阳能电池组，该第二I/O埠12连接至一蓄电池组，而该第三I/O埠13连接至一交流电容及一负载。在如图7c所示的应用例中，由于该第一种去耦合回路元件16a中的变压器对于直流电能而言形同短路，故该去耦合电路元件16仍只能选用该第二种去耦合回路元件16b。当本发明的三臂式电力转换装置1在如图7c所示的应用例中进行操作时，借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第一电流成份，即可对该蓄电池组进行充电或放电；而借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第二电流成份，可控制该去耦合回路元件16的第三端点163所产生的电流，以在并联于该负载的该交流电容上建立一交流电压，供电给该负载。更且，借助控制由该第二I/O埠12所输出/输入的直流电能与该第三I/O埠13所输出的交流电能之间的差值，该三臂桥式电路14即可决定连接于该第一I/O埠11的该太阳能电池组所输出的直流电能。借此，当太阳光强时，该太阳能电池组所输出的电能用以对该蓄电池组充电，同时供电予该负载；当太阳光弱时，该蓄电池组将放电，以便结合该太阳能电池组的电能供电予该负载。
请参照图8所示，其为本发明的三臂式电力转换装置的较佳实施例应用于不断电系统时的系统架构图，其中该三臂式电力转换装置1的第一I/O埠11连接至一电容，该第二I/O埠12连接到一蓄电池组，而该第三I/O埠13连接一交流电容与一负载，且该第三I/O埠13另通过一交流开关组连接到一交流电源。其中，若该三臂桥式电路14选择为该第二种三臂电路架构14b，可省略该第一I/O埠11所连接的直流电容。此外，在如图8所示的应用例中，由于该第一种去耦合回路元件16a中的变压器对于直流电能而言形同短路，故该去耦合电路元件16只能选用该第二种去耦合回路元件16b。在此一应用例中，当该交流电源正常供电时，该交流开关组呈闭合状态，该负载直接由该交流电源供电，借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第一电流成份即可对该蓄电池组进行充电，另借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第二电流成份可控制该去耦合回路元件16的第三端点163所产生的电流，以决定自该交流电源输入的交流电能。此外，利用控制由该第二I/O埠12所输出的直流电能与该第三I/O埠13所输入的交流电能之间的差值，该三臂桥式电路14即可在连接于该第一I/O埠11的直流电容上建立一稳定的直流电压，以供应该三臂桥式电路14正常操作时所需的直流电压。另一方面，当交流电源无法正常供电时，该交流开关组呈开路状态，借助控制该三臂桥式电路14的二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第一电流成份，可控制该蓄电池组进行放电，而借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第二电流成份可控制该去耦合回路元件16的第三端点163所产生的电流，以在并联于该负载的该交流电容上建立一交流电压，以继续供电予该负载而避免断电。更且，借助控制由该第二I/O埠12所输入的直流电能与该第三I/O埠13所输出的交流电能之间的差值，该三臂桥式电路14于该第一I/O埠11所连接的直流电容上建立一稳定直流电压，以供应该三臂桥式电路14正常操作的直流电压。
请参照图9a及9b所示的本发明的三臂式电力转换装置的较佳实施例应用在电力调节器时的系统架构。请参照图9a所示，该三臂式电力转换装置1的第一I/O埠11连接至一电容，该第二I/O埠12连接至一交流电源，而该第三I/O埠13连接至一交流电容与一负载。其中，若该三臂桥式电路14选择为该第二种三臂电路架构14b，即可省略该第一I/O埠11所连接的电容。当本发明的三臂式电力转换装置1在如图9a所示的应用例中进行操作时，该交流电源输入一交流电能至该第二I/O埠12，借助控制该三臂桥式电路4的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第一电流成份，可控制该交流电源的输入电流为与该交流电源电压同相位的弦波电流，可趋于单位功因；而借助控制该三臂桥式电路14的该二中间端点143、144的该二输出/输入电流的第二电流成份可控制该去耦合回路元件16的第三端点163所产生的电流，以便在并联于该负载的该交流电容上建立一高品质交流电压，进而供电予该负载。其中，建立于该交流电容的交流电压可与该交流电源的电压具有不同频率且不同振幅，以防止施加于该负载的电压受该交流电源的影响。此外，借助控制由该第二I/O埠12所输入的交流电能与该第三I/O埠13所输出的交流电能之间的差值，该三臂桥式电路14可在连接于该第一I/O埠11的直流电容上建立一稳定直流电压，以供应该三臂桥式电路14正常操作的直流电压。
请参照图9b所示，其为本发明的三臂式电力转换装置的较佳实施例应用在一电力调节器的另一架构，其中该三臂式电力转换装置1的第一I/O埠11连接至一直流电容，该第二I/O埠12连接至一交流电容与一负载，而该第三I/O埠13连接至一交流电源。其中，若该三臂桥式电路14选择为该第二种三臂电路架构14b，即可省略该第一I/O埠11所连接的直流电容。在如图9b所示的应用例中，由于该三臂桥式电路14的操作与其执行图9a所示的应用例时相类似，差异处仅是将原连接于该第二I/O埠12的交流电源与连接于该第三I/O埠13的交流电容及负载相互交换，因此不再于后重复叙述。
此外，在图8、9a及9b所示的上述各应用例中，各该交流电源较佳为一市电配电系统或一发电机的电能输出端，而该发电机可选用一柴油发电机或一风力发电机。
综上所述，本发明的三臂式电力转换装置1仅具有单一一个电力转换器-该三臂桥式电路14，且只需利用该控制器17控制该三臂桥式电路14的两个臂的中间端点143、144的该二输出/输入电流的第一电流成份与第二电流成份，即可供电能在该第一I/O埠11、第二I/O埠12及第三I/O埠13之间作转换，且依据各该I/O埠11、12、13所连接的各种电路而具有多种不同功能。因此，本发明的三臂式电力转换装置1具有简化电力电路及控制电路的优点，且可达到降低成本及具有较大使用裕度的功效。