TWI505597B - 智慧型微電網電力品質管理的操作系統 - Google Patents

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TWI505597B
TWI505597B TW103113185A TW103113185A TWI505597B TW I505597 B TWI505597 B TW I505597B TW 103113185 A TW103113185 A TW 103113185A TW 103113185 A TW103113185 A TW 103113185A TW I505597 B TWI505597 B TW I505597B
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Ruiming Zhang
Ting Kuan Li
Jr Rung Chen
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Chung Hsin Electric & Machinery Mfg Corp
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Description

智慧型微電網電力品質管理的操作系統
本發明係有關於一種操作系統，特別是有關於一種具有智慧型微電網電力品質管理微電網(micro-grid)的操作系統。
在目前的許多管理系統中，大多只是供電予微電網，但卻未對微電網的供電品質進行管理。當微電網的供電品質惡化時，很容易對負載端造成影響，如燒毀。
本發明提供一種智慧型微電網電力品質管理的操作系統，包括一供電單元、一第一微電網、一第二微電網、一第三微電網以及一能量管理單元。供電單元用以產生一第一相交流電力、一第二相交流電力以及一第三相交流電力。第一微電網接收第一相交流電力，並耦接一第一負載。第二微電網接收第二相交流電力，並耦接一第二負載。第三微電網接收第三相交流電力，並耦接一第三負載。能量管理單元偵測第一、第二及第三微電網的電力，用以產生一第一控制信號、一第二控制信號以及一第三控制信號。供電單元根據第一、第二及第三控制信號，產生至少一輔助電力予第一、第二及第三微電網之至少一者。
為讓本發明之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧操作系統
MG1-MG3‧‧‧微電網
110-130、571~573‧‧‧負載
140‧‧‧供電單元
150‧‧‧能量管理單元
P1-P3‧‧‧相交流電力
141、142‧‧‧產生模組
SC1-SC4‧‧‧控制信號
T1‧‧‧期間
310‧‧‧電網偵測器
320‧‧‧補償器
Ref1 ‧‧‧期望值
MC1 、MC2 ‧‧‧主要成分
410‧‧‧再生能源端
420、541、542‧‧‧轉換器
VO ‧‧‧輸出電力
510‧‧‧直流產生模組
520‧‧‧交流產生模組
530‧‧‧處理模組
551、552‧‧‧雙向轉換模組
561、562‧‧‧儲能模組
537-539‧‧‧反相模組
580‧‧‧高壓匯流排
590‧‧‧低壓匯流排
534-536‧‧‧脈寬調變產生模組
Ref2 ‧‧‧預期值
第1圖為本發明之智慧型微電網電力品質管理的操作系統之示意圖。
第2圖為無效功率示意圖。
第3圖係為本發明之能量管理單元之一可能實施例
第4圖為本發明之產生模組的一可能實施例。
第5圖為本發明之產生模組之一可能實施例。
第1圖為本發明之智慧型微電網電力品質管理的操作系統之示意圖。本發明並不限定操作系統100的種類。舉例而言，操作系統100係為一家用電力管理系統、一工廠大樓電力管理系統或是一基地台電力管理系統。如圖所示，操作系統100包括微電網MG1 -MG3 、一供電單元140以及一能量管理單元150。
微電網MG1 -MG3 分別耦接負載110-130，用以提供相交流電力P1-P3予負載110-130。相交流電力P1-P3的相位差為120°。在本實施例中，負載110-130係為交流負載，如三相電動機。
供電單元140產生相交流電力P1-P3。在本實施例中，供電單元140包括產生模組141及142。產生模組141根據控制信號SC4 產生相交流電力P1予微電網MG1 ，產生模組142產生 相交流電力P2及P3予微電網MG2 及MG3 ，但並非用以限制本發明。在另一實施例中，產生模組141產生兩相交流電力，而產生模組142產生一相交流電力，或是產生模組141產生三相交流電力，而產生模組142不產生相交流電力。不論產生模組142是否產生相交流電力，在一可能實施例中，產生模組142產生三輔助電力予微電網MG1 ~MG3 。
產生模組142根據控制信號SC1 -SC3 之至少一者，產生至少一輔助電力予微電網MG1 -MG3 之至少一者。舉例而言，產生模組142根據控制信號SC1 ，產生一輔助電力予微電網MG1 ，用以穩定微電網MG1 的供電品質。
舉例而言，當微電網MG1 -MG3 之任一者的電力不平衡時，產生模組142根據相對應的控制信號，產生一相對應的輔助電力予不平衡的微電網，用以維持微電網MG1 -MG3 的電力，以避免負載110-130因微電網MG1 -MG3 的電力不平衡而被燒毀。
能量管理單元150偵測微電網MG1 -MG3 的電壓狀態及電流狀態，並根據偵測結果，產生控制信號SC1 -SC3 。在一可能實施例中，能量管理單元150計算微電網MG1 -MG3 的功率狀態，再根據微電網MG1 -MG3 的功率狀態，產生控制信號SC1 -SC3 。在本實施例中，單一能量管理單元150偵測微電網MG1 -MG3 的電壓狀態及電流狀態。在其它實施例中，操作系統100具有三能量管理單元，分別偵測微電網MG1 -MG3 的電壓狀態及電流狀態。
另外，在本實施例中，能量管理單元150係直接偵 測微電網MG1 -MG3 的電壓狀態及電流狀態。在其它實施例中，能量管理單元150係間接偵測微電網MG1 -MG3 的電壓狀態及電流狀態。舉例而言，能量管理單元150透過產生模組142，偵測微電網MG1 -MG3 的電壓狀態及電流狀態，用以產生控制信號SC1 -SC3 。
產生模組142根據控制信號SC1 -SC3 ，提供輔助電力予微電網MG1 -MG3 ，用以減少產生模組141的供電量。舉例而言，若能量管理單元150得知微電網MG1 -MG3 的功率分別為5W、4W、3W時，能量管理單元150藉由控制信號SC1 -SC3 ，適當地調配產生模組142所產生的輔助電力，用以減少產生模組141的輸出電力。在一可能實施例中，產生模組142提供3W、2W、1W的輔功電力予微電網MG1 -MG3 。由於產生模組142提供一輔助電力予微電網MG1 ，故產生模組141的輸出功率可由原本的5W降低為2W。
在一可能實施例中，能量管理單元150係透過控制信號SC4 ，調整產生模組141的供電量，用以產生一調整電力。在本實施例中，負載110所接收到的相交流電力P1係為調整電力與產生模組142所產生的輔助電力的總合。換句話說，負載110所需的電力係由產生模組141及142所提供。
另外，當產生模組141不穩定時，微電網MG1 的電力將發生變化，造成負載110無法正常運作。此時，能量管理單元150可根據微電網MG1 的電力變化，令產生模組142提供一輔助電力予微電網MG1 ，用以穩定微電網MG1 的電力。
在其它實施例中，能量管理單元150可判斷負載 110-130的種類。舉例而言，能量管理單元150根據微電網MG1 -MG3 的電壓狀態及電流狀態，判斷負載110-130是否為電感性負載。當負載110-130之一者為電感性負載時，將造成無效功率(或稱虛功)。此時，能量管理單元150藉由相對應的控制信號SC1 -SC3 ，令產生模組142提供一輔助電力，以改善無效功率的大小。
請參考第2圖，假設負載110為電感性負載時，負載110會先接收到電壓，在期間T1後，負載110才會接收到電流。在期間T1內，由於負載110尚未接收到電流，因此，負載110不會動作，直到接收到電流後，負載110才會開始動作。然而，在期間T1內，負載110已接收到電壓，但並未開始動作，因而造成無效功率。當期間T1愈長時，則無效功率愈大。
為了避免浪費能量，當無效功率大於一期望值時，能量管理單元150藉由控制信號SC1 ，令產生模組142在期間T1內提供電流予負載110。在期間T1內，由於負載110可接收到電壓及電流，因此，消除無效功率。在一可能實施例中，當產生模組141可正常地提供電流予負載110時，產生模組142便停止提供電流予負載110。在其它實施例中，只要無效功率未大於一期望值，則產生模組142暫不提供輔助電力。當無效功率大於期望值時，能量管理單元150根據無效功率與期望值之間的差值，令產生模組142產生輔助電力予負載110。
請參考第1圖，在本實施例中，能量管理單元150係獨立在供電單元140之外，但並非用以限制本發明。在其它實施例中，能量管理單元150係整合在供電單元140之中，或是 整合在產生模組142之中。
第3圖係為本發明之能量管理單元150之一可能實施例。由於能量管理單元150產生控制信號SC1 -SC3 的方式均相同，故以下僅針對控制信號SC1 說明。在本實施例中，能量管理單元150包括一電網偵測器310以及一補償器320。
電網偵測器310偵測微電網MG1 的電壓及電流狀態，並根據偵測結果得知第2圖的電壓及電流波形。在其它實施例中，電網偵測器310可偵測微電網MG1 -MG3 的電壓及電流狀態。本發明並不限定電網偵測器310的內部電路架構。在一可能實施例中，電網偵測器310具有至少一電壓偵測電路以及至少一電流偵測電路。
補償器320根據電網偵測器310的輸出(如微電網MG1 的電壓及電流狀態)，得知第2圖中的期間T1的大小，並根據期間T1的大小，求得一無效功率量。當無效功率量大於一期望值Ref1 時，補償器320根據無效功率量與期望值Ref1 之間的差值，計算出一補償相位，並根據補償相位調整一主要成分MC1 的相位，用以產生控制信號SC1 。在一可能實施例中，主要成分MC1 係為一弦波(sine wave)。
在其它實施例中，補償器320係將微電網MG1 -MG3 的無效功率與三期望值相比較，並根據計算得知的補償相位，調整相對應的主要相位，用以產生控制信號SC1 -SC3 。在一可能實施例中，補償器320計算得知的三補償相位均不相同。
另外，當微電網MG1 -MG3 供電予非線性負載時，非線性負載將造成諧波，進而影響微電網MG1 -MG3 的供電品質。 因此，在本實施例中，能量管理單元150根據微電網MG1 -MG3 的電壓狀態，判斷是否產生諧波現象。當諧波現象發生時，能量管理單元150補償諧波現象。以第3圖為例，補償器320將微電網MG1 的電壓狀態與預期值Ref2 作比較，用以判斷是否發生諧波現象。
當諧波現象發生時，補償器320根據諧波現象，產生一補償成分，並將補償成分與一主要成分MC2 作整合，用以產生控制信號SC1 。在另一可能實施例中，當補償器320根據微電網MG1 的電壓狀態得知一諧波成分時，補償器320將諧波成分與預期值Ref2 作比較。當諧波成分大於預期值Ref2 時，補償器320根據諧波成分計算出一補償成分，並整合補償成分與主要成分MC2 ，用以產生控制信號SC1 。在一可能實施例中，主要成分MC2 係為一弦波。
在其它實施例中，能量管理單元150具有兩不同的補償器。第一補償器用以計算補償無效功率。第二補償器用以計算補償諧波成分。
第4圖為本發明之產生模組141的一可能實施例。在本實施例中，產生模組141係為一交流產生模組，用以產生相交流電力P1予微電網MG1 。如圖所示，產生模組141包括一再生能源端410以及一轉換器420。在其它實施例中，產生模組141具有兩再生能源端以及兩轉換器，用以產生二相交流電力(如P1及P2)予兩微電網。
再生能源端410根據一外界能量，產生一輸出電力VO 。本發明並不限定外界能量的種類。在一可能實施例中，外 界能量係為太陽能或風力。在本實施例中，再生能源端410係為一太陽能板(PV Panel)。在其它實施例中，再生能源端410可能為一風力發電機。
轉換器420根據控制信號SC4 轉換輸出電力VO ，用以產生相交流電力P1-P3之至少一者。在本實施例中，轉換器420將輸出電力VO 由交流型式轉換成直流型式，並將轉換後的結果(即相交流電力P1)提供予微電網MG1 。在一可能實施例中，轉換器420係為一最大功率追蹤控制器(Maximum Power Point Tracking；MPPT)。
在其它實施例中，若產生模組141具有三交流產生模組，便可產生三相交流電力予微電網MG1 -MG3 。在另一實施例中，產生模組141具有至少一交流產生模組以及至少一直流產生模組，用以產生至少二相交流電力予微電網MG1 -MG3 之任兩者。本發明並不限定直流產生模組的種類。在一可能實施例中，直流產生模組具有燃料電池。
第5圖為本發明之產生模組142之一可能實施例。如圖所示，產生模組142包括一直流產生模組510、一交流產生模組520、一處理模組530、轉換器541、542、一雙向轉換模組551、一儲能模組561以及負載571~573。在本實施例中，負載571~573均為直流負載，其中負載571耦接一高壓匯流排580，用以接收高操作電壓，如360V~430V，而負載572~573耦接一低壓匯流排590，用以接收低操作電壓，如12V~48V。在其它實施例中，產生模組142可能只具有高壓匯流排或低壓匯流排。
轉換器541轉換直流產生模組510所產生的電能，並將轉換後的結果提供予高壓匯流排580。在本實施例中，直流產生模組510係為燃料電池組，用以產生直流電能。轉換器541係為一DC/DC轉換器，用以轉換燃料電池組所產生的電能。
轉換器542轉換交流產生模組520所產生的電能，並將轉換後的結果提供予高壓匯流排580。在本實施例中，交流產生模組520係為一風力發電機。轉換器542係為一AC/DC轉換器，用以將風力發電機所產生的交流電能轉換成直流電能。在一可能實施例中，能量管理單元150亦可發出控制信號(未顯示)，用以控制轉換器541及542，並調整高壓匯流排580上的電能。
處理模組530根據控制信號SC1 ~SC3 ，擷取並轉換高壓匯流排580上的電能，用以提供至少一輔助電力予微電網MG1 ~MG3 。在其它實施例中，雙向反相器531~533轉換微電網MG1 ~MG3 的電力，並將轉換後的結果提供予高壓匯流排580。本發明並不限定處理模組530的內部架構。在一可能實施例中，處理模組530係為一三相四線(3 Φ 4W)雙向反相器(bi-directional inverter)或逆變器。在本實施例中，處理模組530具有單相雙向反相器531~533。
由於雙向反相器531~533的結構相同，故以下僅說明雙向反相器531的結構。如圖所示，雙向反相器531包括一脈寬調變產生模組534以及一反相模組537。脈寬調變產生模組534根據控制信號SC1 ，轉換並輸出高壓匯流排580的電能。反 相模組537處理脈寬調變產生模組534的輸出，用以產生一輔助電力予微電網MG1 。
雙向轉換模組551轉換高壓匯流排580的電能，並將轉換後的結果提供予低壓匯流排590。在一可能實施例中，當雙向轉換模組551轉換高壓匯流排580的電能時，雙向轉換模組551對儲能模組561充電。當高壓匯流排580的電能不足時，雙向轉換模組551擷取儲能模組561所儲存的電能。在其它實施例中，雙向轉換模組551轉換低壓匯流排590的電能，並將轉換後的結果提供予高壓匯流排580。
本發明並不限定雙向轉換模組551與儲能模組561的數量。在其它實施例中，產生模組142具有複數雙向轉換模組(如551與552)與儲能模組(如561與562)。另外，當直流產生模組510或交流產生模組520不穩定時，雙向轉換模組551可擷取儲能模組561所儲存的電能，以穩定高壓匯流排580及/或低壓匯流排590上的電力。
由於處理模組530根據控制信號SC1 ~SC3 提供相對應的輔助電力予微電網MG1 ~MG3 ，故可有效地管理微電網MG1 ~MG3 的供電品質。在一可能實施例中，當微電網MG1 ~MG3 出現諧波現象時，能量管理單元150根據諧波現象，產生相對應的控制信號。處理模組530根據控制信號產生一補償電力予具有諧波現象的微電網，用以補償及修正電壓諧波現象，並可增加負載的壽命。
在另一可能實施例中，當微電網MG1 ~MG3 的功率大於一預設值時，能量管理單元150透過控制信號SC1 ~SC3 控制 處理模組530。處理模組530提供輔助電力，用以降低一供電裝置(如產生模組141)的供電量。
再者，當微電網MG1 ~MG3 供電予電感性負載時，能量管理單元150可透過控制信號SC1 ~SC3 補償無效功率，用以避免功率損耗，並維持三相交流電力的相位平衡。另外，當微電網MG1 ~MG3 的電力不平衡時，能量管理單元150亦可透過控制信號SC1 ~SC3 進行主動式電壓平衡，用以避免負載因電壓不平衡而燒毀。
除非另作定義，在此所有詞彙(包含技術與科學詞彙)均屬本發明所屬技術領域中具有通常知識者之一般理解。此外，除非明白表示，詞彙於一般字典中之定義應解釋為與其相關技術領域之文章中意義一致，而不應解釋為理想狀態或過分正式之語態。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。
100‧‧‧操作系統
MG1 -MG3 ‧‧‧微電網
110-130‧‧‧負載
140‧‧‧供電單元
150‧‧‧能量管理單元
P1-P3‧‧‧相交流電力
141、142‧‧‧產生模組
SC1 -SC4 ‧‧‧控制信號

Claims (9)

  1. 一種智慧型微電網電力品質管理的操作系統，包括：一供電單元，用以產生一第一相交流電力、一第二相交流電力以及一第三相交流電力；一第一微電網，接收該第一相交流電力，並耦接一第一負載；一第二微電網，接收該第二相交流電力，並耦接一第二負載；一第三微電網，接收該第三相交流電力，並耦接一第三負載；以及一能量管理單元，偵測該第一、第二及第三微電網的電力，用以產生一第一控制信號、一第二控制信號以及一第三控制信號，其中該供電單元根據該第一、第二及第三控制信號，產生至少一輔助電力予該第一、第二及第三微電網之至少一者，其中該供電單元包括：一第一產生模組，產生該第一、第二及第三相交流電力之至少一者；以及一第二產生模組，根據該第一、第二及第三控制信號之至少一者，產生該至少一輔助電力，其中該能量管理單元更產生一第四控制信號，該第一產生模組根據 該第四控制信號調整該第一、第二及第三相交流電力之至少一者，用以產生至少一調整電力，該至少一調整電力與該至少一輔助電力的總合等於該第一、第二及第三相交流電力之至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之智慧型微電網電力品質管理的操作系統，其中該能量管理單元偵測該第一微電網的電力，並根據偵測結果得知一諧波成分，當該諧波成分大於一預期值時，該能量管理單元根據該諧波成分計算出一補償成分，並整合該補償成分與一主要成分，用以產生該第一控制信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之智慧型微電網電力品質管理的操作系統，其中該主要成分係為一弦波。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之智慧型微電網電力品質管理的操作系統，其中該能量管理單元偵測該第一微電網的電力，並根據偵測結果得知一無效功率量，當該無效功率量大於一期望值時，該能量管理單元根據該無效功率量計算出一補償相位，並根據該補償相位調整一主要相位，用以產生該第一控制信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之智慧型微電網電力品質管理的操作系統，其中該供電單元具有一脈寬調變模組，根據該第一控制信號，產生該至少一輔助電力。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之智慧型微電網電力品質管理的操作系統，其中該能量管理單元偵測該第一、第二及第三微電網的電力，用以產生一第一偵測結果、一第二偵測結果以及一第三偵測結果，當該第一、第二及第三偵測結果之一者不等於一預設值時，該能量管理單元根據該第一、第二及第三偵測結果之一者，產生該第一、第二及第三控制信號之一者。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之智慧型微電網電力品質管理的操作系統，其中該供電單元包括：一交流產生模組，用以產生該第一、第二及第三相交流電力之至少一者；一直流產生模組，用以產生一直流電力；以及一處理模組，根據該第一、第二及第三控制信號之至少一者，轉換該直流電力，用以產生該至少一輔助電力。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之智慧型微電網電力品質管理的操作系統，其中該交流產生模組包括：一再生能源端，根據一外界能量，產生一輸出電力；以及一轉換器，轉換該輸出電力，用以產生該第一、第二及第三相交流電力之一者。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之智慧型微電網電力品質管理的操作系統，其中該外界能量係為一太陽能或是一風力。
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