TW201517461A - 微電網儲能系統模式切換偵測裝置 - Google Patents

Abstract

一種微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其包含有一微電網；一與微電網連接之市電；以及一連接微電網與市電之市電狀態偵測機構，可利用頻率、振幅變化及弦波比較法判斷市電狀態，再由判斷後之市電狀態進行微電網供電模式之切換。藉此，可利用市電狀態偵測機構快速偵測出市電之電壓過高/過低、頻率異常、諧波干擾等異常問題，並於市電發生異常時控制微電網至所需之供電模式，使微電網與市電脫離而不受到影響，而達到可立即變換控制策略以穩定微電網電壓之功效。

Description

微電網儲能系統模式切換偵測裝置

本發明是有關於一種微電網儲能系統模式切換偵測裝置，尤指一種可利用市電狀態偵測機構快速偵測出市電之電壓過高/過低、頻率異常、諧波干擾等異常問題，並於市電發生異常時控制微電網至所需之供電模式，使微電網與市電脫離而不受到影響，而達到可立即變換控制策略以穩定微電網電壓之功效者。

按，綠色潔淨能源的開發與應用可有效減緩地球的溫室效應，目前正發展得如火如荼，也是未來的趨勢。但由於再生能源發電情況受限於天然環境，具有間歇性與不確定性問題，若區域之再生能源佔比逐漸提升，勢必會衝擊台電供電系統區域運轉之穩定性。而為了提昇再生能源滲透率，同時增加系統運轉安全，發展微電網技術成為必要工作。

然，微電網是一種將分散式電源與鄰近的負載組成的微型電網，其具備兩種運轉模式，一是正常情況下，微電網與市電併聯運轉，稱為併網模式；另一是當發現微電網外部市電發生故障或電力品質未滿足要求時，微電網將即時透過靜態開關的跳脫與市電解聯並獨立運轉，稱為孤島運轉模式。然而，當市電發生異常時微電網必須由原本的併網模式切換至孤島模式，而市電切離後將無法再對微電網進行供電，此時微電網內的分散式電源控制器失去其電壓及相位參考來源，無法輸出正常電壓供給負載運轉，最終將導致微電網全黑，嚴重時更可能造成設備毀損。

由於微電網所採用之儲能系統具備雙向功率控制功能，同時在切換至孤島模式時可進行電壓控制，主要功能如同一般不斷電電源系統。如中華民國專利公開第200908510號所示，正常市電存在的情況下，市電經過前端整流與功因校正單元等電力電子系統後，再供給負載使用，並且市電對儲能元件充電。當市電跳脫後緊急從儲能元件釋放電能，延續交流電壓輸出。但此架構控制方式無法與再生能源並存，輸出端僅可接負載，不能有其他電源，不適用於微電網的應用。且亦無與市電重新併聯的功能。

此外，再由中華民國專利公開第201018052號提出之自動啟動之電路架構，雖在不斷電系統中可降低能量損耗，提高整體效率，但在其主電路系統架構上，不斷電系統之電源端及負載端為各自獨立，負載仍需串接於不斷電系統負載端，無法直接由市電進行供電，且負載端亦不容許有其它發電裝置接入，並不適用於同時具備再生能源及負載的微電網系統架構。

另在WIPO專利公開第20130200708號中，提出一種新的不斷電系統電路架構，其係透過直接將DC/DC雙向電路整合進系統中，再由DC/AC換流器供電至負載端，可減少一般電路所需的獨立充電電路，以降低產品成本，但卻無法透過其它發電設備直接從輸出端對電池充電。。

有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「微電網儲能系統模式切換偵測裝置」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，可利用市電狀態偵測機構快速偵測出市電之電壓過高/過低、頻率異常、諧波干擾等異常問題，並於市電發生異常時控制微電網至所需之供電模式，使微電網與市電脫離而不受到影響，而達到可立即變換控制策略以穩定微電網電壓之功效。

為達上述之目的，本發明係一種微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其包含有：一微電網；一與微電網連接之市電；以及一連接微電網與市電之市電狀態偵測機構，可利用頻率、振幅變化及弦波比較法判斷市電狀態，再由判斷後之市電狀態進行微電網供電模式之切換。

於上述之實施例中，該微電網係包含有一市電狀態偵測機構連接之靜態開關、一與市電狀態偵測機構連接之模式切換控制器、一與模式切換控制器連接之電壓控制迴路、一連接模式切換控制器與電壓控制迴路之電流控制迴路、一與電流控制迴路連接之儲能換流器、及一與儲能換流器連接之負載。

於上述之實施例中，該市電狀態偵測機構係包含有一頻率/振幅偵測器、一與頻率/振幅偵測器連接之市電狀態判斷單元、一與市電狀態判斷單元連接之比較單元、一與比較單元連接之市電電壓弦波感測器、及一與比較單元連接之弦波產生器。

於上述之實施例中，該市電電壓弦波感測器係利用儲能換流器鎖相迴路(PLL)對實際市電電壓弦波(Vgrid)進行感測，而其感測波形以頻率20kHz為周期而進行一次更新。

於上述之實施例中，該弦波產生器係利用儲能換流器鎖相迴路(PLL)所得到之市電電壓相位角（theta），透過正弦函數產生一與正常市電相同振幅之弦波(Vref)，且令其相位角（theta）以頻率60Hz為周期而進行一次更新。

於上述之實施例中，係將市電電壓弦波感測器與弦波產生器之弦波即時持續進行相減，並同時利用頻率/振幅偵測器之配合，判斷市電狀態，而即時告知靜態開關切換為所需之供電模式。

１‧‧‧微電網
１１‧‧‧靜態開關
１２‧‧‧模式切換控制器
１３‧‧‧電壓控制迴路
１４‧‧‧電流控制迴路
１５‧‧‧儲能換流器
１６‧‧‧負載
２‧‧‧市電
３‧‧‧市電狀態偵測機構
３１‧‧‧頻率/振幅偵測器
３２‧‧‧市電狀態判斷單元
３３‧‧‧比較單元
３４‧‧‧市電電壓弦波感測器
３５‧‧‧弦波產生器
s10～s16‧‧‧步驟

第１圖，係本發明之基本架構示意圖。
第２圖，係本發明之流程示意圖。

請參閱『第１及第２圖』所示，係分別為本發明之基本架構示意圖以及本發明之流程示意圖。如圖所示：本發明係一種 微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其至少包含有一微電網１、一市電２以及一市電狀態偵測機構３所構成。

上述所提之微電網１係包含有一市電狀態偵測機構３連接之靜態開關１１、一與市電狀態偵測機構３連接之模式切換控制器１２、一與模式切換控制器１２連接之電壓控制迴路１３、一連接模式切換控制器１２與電壓控制迴路１３之電流控制迴路１４、一與電流控制迴路１４連接之儲能換流器１５、及一與儲能換流器１５連接之負載１６，其中該靜態開關１１可快速與市電２切離進行微電網１孤島運轉，因使用半導體技術非機械式作為開關切換，故稱靜態開關，該模式切換控制器１２係接收市電偵測訊號以決定為何種控制模式，該電壓控制迴路１３係於模式切換控制器１２決定為電壓控制時，使系統為雙迴路控制（外環為電壓、內環為電流控制換流器）而該電流控制迴路１４係於模式切換控制器１２決定為電流控制時，係控制儲能換流器１５使系統為單迴路控制。

該市電２係與微電網１連接。

該市電狀態偵測機構３係連接微電網１與市電２，可利用頻率、振幅變化及弦波比較法判斷市電２狀態，再由判斷後之市電２狀態進行微電網１供電模式之切換，而該市電狀態偵測機構３係包含有一頻率/振幅偵測器３１、一與頻率/振幅偵測器３１連接之市電狀態判斷單元３２、一與市電狀態判斷單元３２連接之比較單元３３、一與比較單元３３連接之市電電壓弦波感測器３４、及一與比較單元３３連接之弦波產生器３５，其中該市電電壓弦波感測器３４係利用儲能換流器１５鎖相迴路(PLL)對實際市電電壓弦波(Vgrid)進行感測，而其感測波形以頻率20kHz為周期而進行一次更新，該弦波產生器３５係利用儲能換流器１５鎖相迴路(PLL)所得到之市電２電壓相位角（theta），透過正弦函數產生一與正常市電２相同振幅之弦波(Vref)，且令其相位角（theta）以頻率60Hz為周期而進行一次更新，如此，可將市電電壓弦波感測器３４與弦波產生器３５之弦波即時持續進行相減，並同時利用頻率/振幅偵測器３１之配合，判斷市電２狀態，而即時告知靜態開關１１切換為所需之供電模式。

當本發明於運用時，係可同時利用頻率/振幅偵測器３１、市電電壓弦波感測器３４與弦波產生器３５之配合，依據市電頻率、振幅變化情形及參考弦波比較法來判斷市電狀態，再由市電２狀態決定靜態開關１１和微電網１模式，在微電網１併網模式以電流模式控制儲能換流器１６，當市電２異常時，使靜態開關１１快速切離市電２，而於切離市電２後，讓微電網１進入獨立運轉模式，此時由模式切換控制器１２轉換成電壓控制迴路１３（電壓控制模式），藉以穩定微電網１之電壓和頻率。而當市電２恢復正常時，則調整微電網１電壓和相位與市電２同步後，再將靜態開關１１投入，且該模式切換控制器１２轉換成電流控制迴路１４（電流控制模式），而為達到快速模式切換之目的，電壓控制所需之控制參數初值係於模式切換前先以市電狀態偵測機構３計算完成。

而本發明市電狀態偵測機構３之市電狀態偵測法，除採用傳統電壓、頻率變化偵測法外，並加入了新型的參考弦波比較法，利用儲能系統換流器１５DSP控制程式內鎖相迴路(PLL)所得到之市電２電壓相位角（theta），由弦波產生器３５透過正弦函數產生一個與正常市電２相同振幅之弦波(Vref)，同時DSP以市電電壓弦波感測器３４即時對靜態開關１１外之實際市電２電壓進行感測(Vgrid)，之後將以上兩個弦波以比較單元３３即時持續進行相減，並配合頻率/振幅偵測器３１在市電２電壓振幅或頻率發生異常時（包括電壓過高/過低、頻率異常、諧波干擾等問題），由市電狀態判斷單元３２即時針對所偵測之市電２波形變化進行相關判斷，而由於弦波產生器３５產生之弦波(Vref)振幅為固定值，且其相位更新頻率較慢，因此，不受市電２影響而仍能維持正常波形，此時兩該個弦波之間相減之誤差量將變大，若累計誤差大於特定數值時，該市電狀態判斷單元３２即視為市電２異常，並即時發送訊號告知靜態開關１１進行跳脫，使微電網１與市電２脫離，進入孤島運轉模式，儲能系統自身亦進行模式切換，改為電壓控制模式，以穩定微電網內電壓達成平穩模式切換之目的。

今依上述之內容，而將本發明之切換偵測流程說明如下：

微電網與市電併聯運轉換流器電流控制模式s10：由模式切換控制器１２和電流控制迴路１４控制儲能換流器１５，而執行微電網１與市電２之併聯運轉。

換流器偵測市電是否異常s11：由市電狀態偵測機構３執行市電狀態之偵測，以判斷市電２是否異常，若市電２正常則重複進行偵測，而若市電２異常則進行下一步驟。

換流器發送訊號使靜態開關切離市電並轉換為電壓控制模式s12：係由市電狀態偵測機構３對市電２狀態判斷後，發送相關之訊號通知靜態開關１１進行切離之動作，同時使模式切換控制器１２轉換為電壓控制迴路１３。

微電網運轉於孤島模式s13：係由模式切換控制器１２、電壓控制迴路１３以及電流控制迴路１４控制儲能換流器１５所執行。

換流器偵測市電是否恢復正常s14：由市電狀態偵測機構３對市電２狀態進行偵測，若市電２恢復正常則執行下列步驟s14，若未恢復正常則重複執行步驟s13。

換流器控制微電網電壓相位與市電同步s15：由模式切換控制器１２、電壓控制迴路１３以及電流控制迴路１４控制儲能換流器１５所執行，但電壓命令不同於步驟s13流程，其目的係為與市電同步２。

換流器發送訊號使靜態開關投入市電s16：當市電２恢復正常且微電網１與市電２同步後，再將靜態開關１１投入市電２。

上述之流程係於微電網１與市電２併聯下，由電能管理系統視微電網１內發電情形及儲能系統剩餘電量決定充、放電與否，當偵測到市電２異常後，儲能換流器１５必須快速反應，命令靜態開關１１跳脫使微電網１轉為孤島模式，由於此時各發電設備失去參考電壓源，因此，儲能系統便由電流控制模式轉為電壓控制模式，建立微電網內部電壓及頻率，以穩定發電設備及負載１６的運轉，待市電２恢復正常後，儲能換流器１５將再次調整電壓及頻率與市電２同步，再重新併入市電２。如此，可使本發明至少具有下列之優點：

1. 相較於傳統的電壓振幅、頻率偵測法，本專利透過新型即時偵測法，在市電異常時能更快速地偵測出問題，且對於電壓過高/過低、頻率異常、諧波干擾等問題皆可有效偵測，使微電網與市電脫離而不受到影響。
2. 本專利儲能系統之電源端與負載端位於同一輸出點，可改善習用之不斷電系統無法與其它再生能源併接之缺點，且於併網模式下可進行雙向充、放電控制功能。

綜上所述，本發明微電網儲能系統模式切換偵測裝置可有效改善習用之種種缺點，可利用市電狀態偵測機構快速偵測出市電之電壓過高/過低、頻率異常、諧波干擾等異常問題，並於市電發生異常時控制微電網至所需之供電模式，使微電網與市電脫離而不受到影響，而達到可立即變換控制策略以穩定微電網電壓之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧微電網

11‧‧‧靜態開關

12‧‧‧模式切換控制器

13‧‧‧電壓控制迴路

14‧‧‧電流控制迴路

15‧‧‧儲能換流器

16‧‧‧負載

2‧‧‧市電

3‧‧‧市電狀態偵測機構

31‧‧‧頻率/振幅偵測器

32‧‧‧市電狀態判斷單元

33‧‧‧比較單元

34‧‧‧市電電壓弦波感測器

35‧‧‧弦波產生器

Claims (6)

1. 一種微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其包括有：
   一微電網；
   一市電，係與微電網連接；以及
   一市電狀態偵測機構，係連接微電網與市電，可利用頻率、振幅變化及弦波比較法判斷市電狀態，再由判斷後之市電狀態進行微電網供電模式之切換。
2. 依申請專利範圍第１項所述之微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其中，該微電網係包含有一市電狀態偵測機構連接之靜態開關、一與市電狀態偵測機構連接之模式切換控制器、一與模式切換控制器連接之電壓控制迴路、一連接模式切換控制器與電壓控制迴路之電流控制迴路、一與電流控制迴路連接之儲能換流器、及一與儲能換流器連接之負載。
3. 依申請專利範圍第２項所述之微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其中，該市電狀態偵測機構係包含有一頻率/振幅偵測器、一與頻率/振幅偵測器連接之市電狀態判斷單元、一與市電狀態判斷單元連接之比較單元、一與比較單元連接之市電電壓弦波感測器、及一與比較單元連接之弦波產生器。
4. 依申請專利範圍第３項所述之微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其中，該市電電壓弦波感測器係利用儲能換流器鎖相迴路(PLL)對實際市電電壓弦波(Vgrid)進行感測，而其感測波形以頻率20kHz為周期而進行一次更新。
5. 依申請專利範圍第３項所述之微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其中，該弦波產生器係利用儲能換流器鎖相迴路(PLL)所得到之市電電壓相位角（theta），透過正弦函數產生一與正常市電相同振幅之弦波(Vref)，且令其相位角（theta）以頻率60Hz為周期而進行一次更新。
6. 依申請專利而範圍第３項所述之微電網儲能系統模式切換偵測裝置，其中，係將市電電壓弦波感測器與弦波產生器之弦波即時持續進行相減，並同時利用頻率/振幅偵測器之配合，判斷市電狀態，而即時告知靜態開關切換為所需之供電模式。