TWI464996B - 太陽能系統之電壓穩定方法 - Google Patents

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Shang Hung Hu
Shih Sian Yang
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太陽能系統之電壓穩定方法
本發明係關於一種太陽能系統之電壓穩定方法，特別是關於一種藉由匯流排上之電壓與阻抗類型以分別控制實功率及虛功率輸出的太陽能電力分散式系統之電壓穩定方法。
近年來，由於全球暖化以及石油價格上漲，使能源議題再次受到關注，並加速再生能源的發展。小型風力發電、太陽能電池等再生能源，因為具備體積小、對環境衝擊小等優點，可直接大量安裝在社區或住戶屋頂，與原有的電力系統併聯運轉形成分散式電力系統。
傳統的電力系統，發電、輸電與配電有相當明顯的區隔；而分散式電力系統則將分散式電源(Distributed Generation Unit，DGU)安裝在負載端，使用低電壓的傳輸線與傳統的電力系統(Utility)併聯運轉。因此，分散式電力系統具有以下數個優點，如：因為併連多個電源，故可減少跳電風險，提高系統可靠度；當負載增加時，只要安裝新的電源於配線端，不需擴充原有電力系統的傳輸線容量；以及電源使用電力電子為介面的反流器(inverter)，除了將直流電源轉換為交流電，更可以使用反流器改善電力品質，如：穩定電壓、改善諧波、負相序電壓等。
關於反流器的各種控制方法已經被大量的研究，這些控制方法除了基本的電壓電流控制，還可以讓反流器之間在沒有任何通信的狀況下，完成實功、虛功與負 序虛功的分配。
傳統上，在進行電力潮流計算時，發電機與負載之間使用超高壓傳輸線，因此傳輸線可視為純電感性阻抗，只要將電源加上實/虛功控制器，預先設好額定容量、下降斜率等參數，可使多個電源在沒有任何通信界面的狀況下，依照各電源的額定容量大小完成平均功率分配。
然而，分散式電力系統的線間電壓都相當低(<10kV)，反流器之間使用低壓電纜併聯供電，此時傳輸線的電阻性阻抗將嚴重的影響傳輸線特性而無法忽略，因此，傳統的實/虛功控制器僅考慮電感性阻抗而造成調節後電壓效果並不佳，且會造成傳輸線上較大的損失，經濟效益也不合期待。
故，有必要提供一種太陽能系統之電壓穩定方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種太陽能系統之電壓穩定方法，其係利用偵測傳輸線匯流排上的電抗及電阻，以便分別控制實功率輸出及虛功率輸出，進而提升輸出電壓的穩定性及增加總輸出功率。
為達上述之目的，本發明一實施例提供一種太陽能系統之電壓穩定方法，其包含步驟：(a)提供一分散式太陽能電力系統，其包含一市電、具有多個匯流排的一饋線，及多個太陽能模組通過數個反流器連接於該饋線之多個匯流排上；(b)提供至少二相關參數，其對應位於該些匯流排的該多個太陽能模組的設置端點；(c)偵測該些設置端點的端電壓；及(d)根據該二相關參數及該些端電壓，分別決定該些反流器的實功率輸出值及虛功率輸出值；其中該二相關參數分別是該些匯流排的電阻值及電抗值。
在本發明之一實施例中，該些匯流排具有一規 範最大電壓。
在本發明之一實施例中，該些反流器各包含：一實功率輸出模組，具有一實功率控制模式及一最大功率追蹤模式；及一虛功率輸出模組，具有一虛功率控制模式。
在本發明之一實施例中，該實功率控制模式設定有一實功率控制啟動電壓；及該虛功率控制模式設定有一虛功率控制啟動電壓。
在本發明之一實施例中，該實功率控制啟動電壓與該些匯流排的電阻值成一反比例關係。
在本發明之一實施例中，該虛功率控制啟動電壓與該些匯流排的電抗值成一反比例關係。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)決定該些反流器的實功率輸出值時，還包含步驟：(d1)當該些端電壓小於或等於該實功率控制啟動電壓時，啟動該最大功率追蹤模式以決定該些反流器的實功率輸出值；或(d2)當該些端電壓大於該實功率控制啟動電壓時，啟動該實功率控制模式以減少該些反流器的實功率輸出值。
在本發明之一實施例中，在步驟(d2)之後，還包含步驟：(d3)當該些端電壓大於該些匯流排的規範最大電壓時，該實功率控制模式使得該些反流器之輸出實功率為0。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)決定該些反流器的虛功率輸出值時，還包含步驟：(d4)當該些端電壓大於該虛功率控制啟動電壓時，啟動該虛功率控制模式以增加該些反流器的虛功率輸出值。
在本發明之一實施例中，在步驟(d4)之後，還包含步驟：(d5)當該些端電壓大於該些匯流排的規範最大電壓，該虛功率控制模式維持該虛功率輸出值為一虛功率輸出最大值。
10‧‧‧市電
20‧‧‧饋線
30‧‧‧太陽能模組
40‧‧‧反流器
41‧‧‧實功率輸出模組
42‧‧‧虛功率輸出模組
B-i‧‧‧設置端點
S01、S02、S03、S04‧‧‧步驟
S041、S043、S045‧‧‧步驟
S042、S044、S046、S048‧‧‧步驟
第1圖：本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法的步驟流程圖。
第2圖：本發明較佳實施例之太陽能系統電路架構圖。
第3圖：本發明較佳實施例之方法步驟(d)的細部步驟流程圖。
第4圖：本發明較佳實施例之太陽能系統之設置端電壓Vin與功率關係圖。
第5圖：本發明較佳實施例之太陽能系統之虛功率控制啟動電壓(DQ)對電抗(X)關係圖。
第6圖：本發明較佳實施例之太陽能系統之實功率控制啟動電壓(DP)對電阻(R)關係圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參照第1、2圖所示，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法首先包含步驟(S01)：(a)提供一分散式太陽能電力系統，如第2圖所示，其包含一市電10(grid)、具有多個匯流排的一饋線20(power line)，及多個太陽能模組30(photovoltaic module，PV)通過數個反流器40連接於該饋線之多個匯流排上；通常，該些反流器40的輸出端會另加上一低通濾波器以濾除切換頻率，該低通 濾波器可包含電感、電容與阻尼電阻，該電阻提供阻尼，以避免該些匯流排的電感與該低通濾波器的電容產生共振，影響輸出電壓的品質。
接著，請再參考第1圖，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法包含步驟(S02)：(b)提供至少二相關參數，其對應位於該饋線20的該多個太陽能模組30的設置端點B-i，i=1…n，nN；其中該二相關參數分別是數個端電壓Vin的電阻R及電抗X；在本步驟中，因該饋線20的電壓層級以及種類均可以預知，故每一該些設置端點的二相關參數R、X均由電力公司，如台電公司，主動提供，並不另由一偵測設備所偵測。
接著，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法包含步驟(S03)：(c)偵測該些設置端點B-i的端電壓Vin。然而，該饋線20上各匯流排對應之該些設置端點B-i的電壓具有一規範最大電壓的限制，故，一旦其上電壓Vin超出該規範最大電壓時，一般習知技術會將該些太陽能模組30作解聯以停止運轉的動作，而本發明是根據該二相關參數R、X及該些端電壓Vin，以降低部分該些反流器40的實功率輸出值P與補償虛功率輸出Q而達到太陽能持續併網運轉且該些匯流排的電壓不超出規範之目的，故需由一偵測裝置取得該些設置端點B-i的端電壓Vin，並在後面的步驟中進而調節該些匯流排上之電壓維持在規範內。
最後，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法還包含步驟(S04)：(d)根據該二相關參數R、X及該些端電壓Vin，分別決定該些反流器40的實功率輸出值P及虛功率輸出值Q。根據前面步驟所提供的該些端電壓Vin及該二相關參數R、X，為了避免因著該些匯流排上的阻抗增加所造成的過電壓問題，故，本發明利用該些參數分別調整實功率及虛功率的輸出值，使得該些匯流排上的 電壓變化可以被控制在一安全的規範內，以確保電路電壓的穩定性及總輸出功率達到最高輸出效益。
請參照第3圖所示，在本實施例中，該些反流器40各包含：一實功率輸出模組41及一虛功率輸出模組42。該實功率輸出模組41具有一實功率控制模式及一最大功率追蹤模式；及該虛功率輸出模組42具有一虛功率控制模式，其中該實功率控制模式設定有一實功率控制啟動電壓1+DP，該電壓1+DP決定該實功率控制模式的啟動點；及該虛功率控制模式設定有一虛功率控制啟動電壓1+DQ，該電壓1+DQ決定該虛功率控制模式的啟動點。
接著，請繼續參考第3圖，將更詳細介紹本發明在步驟(d)中決定實功率輸出值P及虛功率輸出值Q的細部步驟設計流程。
如第3圖所示，在本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法之步驟(d)決定該些反流器40的實功率輸出值P時，還包含步驟(S042)：首先判斷該些端電壓Vin是否大於該實功率控制啟動電壓1+DP。
接著，在步驟(S042)之後，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法還包含步驟(S044)：(d1)當該些端電壓Vin小於或等於該實功率控制啟動電壓1+DP時，啟動該最大功率追蹤模式以決定該些反流器40的實功率輸出值PMAX，其中該實功率輸出值PMAX為該些反流器40的一實功率最大可輸出值。
或者，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法還包含步驟(S046)：(d2)當該些端電壓Vin大於該實功率控制啟動電壓1+DP時，啟動該實功率控制模式以減少該些反流器40的實功率輸出值P。
最後，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法，為決定該些反流器40的實功率輸出值P，還包 含步驟(S048)：(d3)當該些端電壓Vin大於該些匯流排的規範最大電壓時，該實功率控制模式使得該些反流器之輸出實功率P為0。
請繼續參照第3圖，在本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法之步驟(d)決定該些反流器40的虛功率輸出值Q時，還包含步驟(S041)：首先判斷該些端電壓Vin是否大於該虛功率控制啟動電壓1+DQ。
接著，在步驟(S041)之後，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法還包含步驟(S043)：(d4)當該些端電壓Vin大於該虛功率控制啟動電壓1+DQ時，啟動該虛功率控制模式以增加該些反流器40的虛功率輸出值Q。
最後，本發明較佳實施例之太陽能系統之電壓穩定方法，為決定該些反流器40的虛功率輸出值Q，還包含步驟(S045)：(d5)當該些端電壓Vin大於該些匯流排的規範最大電壓，該虛功率控制模式維持該虛功率輸出值Q為一虛功率輸出最大值QMAX。
請參照第4圖所示，其揭示該些端電壓Vin分別與實功率輸出P及虛功率輸出Q的關係圖。其中，該些端電壓Vin以標準值(pu)為單位，從圖中可知，當該些端電壓Vin超過1+DP時，則實功率輸出P即開始從該實功率最大可輸出值PMAX遞減，當該些端電壓Vin大於該些匯流排的規範最大電壓VHP時，該實功率控制模式使得該些反流器40之輸出實功率P為0，即停止輸出實功率。同時，當該些端電壓超過1+DQ時，則虛功率輸出Q開始遞增，直到虛功率輸出Q為0時，虛功率達到一虛功率輸出最大值QMAX，此時，虛功率也不再增加。虛線表示根據各匯流排阻抗的不同，DP、DQ都會隨之改變，並功率與該些啟動電壓的相對關係也會隨之調整及改變。
請參照第5圖所示，其揭示該虛功率控制啟動 電壓DQ與該些端電壓Vin的電抗值X係成一反比例關係。因為端電壓Vin會根據匯流排阻抗之不同而對不同功率產生敏感，本發明分開決定虛功率Q與實功率P的調節，並未以傳統方式，例如單純以一實/虛功比例或是完全由阻抗大小Z來決定調節，反而是根據一般在電抗值X為主的傳輸線，線上電壓對於虛功率Q較為敏感；故，虛功率Q的調節及開啟點必須由電抗值X來做決定。如第5圖所示，在電抗最大值XMAX及最小值XMIN間，該虛功率控制啟動電壓DQ也會相對應有一啟動電壓最大值DMAX及最小值DMIN，並根據該些匯流排阻抗之電抗值X大小決定該虛功率控制啟動電壓DQ。
請參照第6圖所示，其揭示該實功率控制啟動電壓DP與該些端電壓Vin的電阻值R成一反比例關係。同上所述，由於在分散式電力系統的電壓等級較低，反流器之間使用低壓電纜併聯供電，此時該些傳輸線的電阻值R將嚴重的影響傳輸線特性而無法忽略，並且，根據一般在電阻值R為主的傳輸線，線上電壓對於實功率P較為敏感，故，實功率P的調節及開啟點必須由電阻性阻抗R來做決定。如第6圖所示，在電阻性阻抗最大值RMAX及最小值RMIN間，該實功率控制啟動電壓DP也會相對應有一啟動電壓最大值DMAX及最小值DMIN，並根據該些匯流排阻抗之電阻R大小決定該實功率控制啟動電壓DP。
藉由上述步驟，本發明較佳實施例即可利用偵測傳輸線匯流排上的電抗X及電阻R，以便分別控制實功率輸出及虛功率輸出，進而提升輸出電壓的穩定性及增加總輸出功率。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S01、S02、S03、S04‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種太陽能系統之電壓穩定方法，其包含步驟：(a)一分散式太陽能電力系統，其包含一市電、具有多個匯流排的一饋線，及多個太陽能模組通過數個反流器連接於該饋線之多個匯流排上；(b)提供至少二相關參數，其對應位於該些匯流排的該多個太陽能模組的設置端點；(c)偵測該些設置端點的端電壓；及(d)根據該二相關參數及該些端電壓，分別決定該些反流器的實功率輸出值及虛功率輸出值；其中該二相關參數分別是該些匯流排的電阻值及電抗值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中該些匯流排具有一規範最大電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中該些反流器各包含：一實功率輸出模組，具有一實功率控制模式及一最大功率追蹤模式；及一虛功率輸出模組，具有一虛功率控制模式。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中該實功率控制模式設定有一實功率控制啟動電壓；及該虛功率控制模式設定有一虛功率控制啟動電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中該實功率控制啟動電壓與該些匯流排的電阻值成一反比例關係。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中該虛功率控制啟動電壓與該些匯流排的電抗值成一反比例關係。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中在步驟(d)決定該些反流器的實功率輸出值時，還包含步驟：(d1)該些端電壓小於或等於該實功率控制啟動電壓時，啟動該最大功率追蹤模式以決定該些反流器的實功率輸出值；或(d2)該些端電壓大於該實功率控制啟動電壓時，啟動該實功率控制模式以減少該些反流器的實功率輸出值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中在步驟(d2)之後，還包含步驟：(d3)該些端電壓大於該些匯流排的規範最大電壓時，該實功率控制模式使得該些反流器之輸出實功率為0。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中在步驟(d)決定該些反流器的虛功率輸出值時，還包含步驟：(d4)該些端電壓大於該虛功率控制啟動電壓時，啟動該虛功率控制模式以增加該些反流器的虛功率輸出值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能系統之電壓穩定方法，其中在步驟(d4)之後，還包含步驟：(d5)該些端電壓大於該些匯流排的規範最大電壓，該虛功率控制模式維持該虛功率輸出值為一虛功率輸出最大值。
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