TWI509935B - Decentralized power supply synchronous and network method - Google Patents

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TWI509935B
TWI509935B TW102131743A TW102131743A TWI509935B TW I509935 B TWI509935 B TW I509935B TW 102131743 A TW102131743 A TW 102131743A TW 102131743 A TW102131743 A TW 102131743A TW I509935 B TWI509935 B TW I509935B
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洪穎怡
蔡宜廷
許富淵
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中原大學
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Description

分散式電源同步併網之方法
本發明是有關於一種分散式電源同步併網之方法，尤指一種可簡易得知分散式發電源與市電間平衡或不平衡狀態之相角差，以推估市電電壓之零交越點，使分散式發電源與市電於零相差之條件下同步併聯，進而可迅速且準確偵測分散式電源與市電之相角差，減少分散式電源與市電不同步時對於市電造成擾動之程度與時間，而使分散電源之併網操作達到穩定、強健及自動併網之功效者。
按，在目前微電網興盛的時代中，因為該電網架構有著分散式電源的存在，而且，分散式電源在電網當中扮演著分擔市電供應電力的角色，但是，大部份的分散式電源其所產生的電力並不能夠直接地與市電併聯，這是因為有些分散式電源產生的是直流電源，有些則是其產生的電壓不穩定。
因此，分散式電源產生的電力必須透過變流器將其轉為穩定的交流電源，這也突顯了變流器的重要性相形遽增。
不過，併聯市電的分散式電源必須在頻率和相角與市電同步的形下運轉著，要滿足這樣的條件即必須仰賴變流器中的相角偵測的機制來達成，所以，變流器的相角偵測在分散式電源與市電同步併聯的操作上是必須存在的。
在以往，變流器的相角偵測大都採用鎖相迴路來達成，但若遭遇市電之不平衡狀況時，則已往的機制並無法調整變流器的輸出相角可與市電達成零相角差，這將造成變流器的輸出電壓會對於市電擾動的情形，這個擾動的時間將端視相角差的大小而定。
為解決習用之種種缺失，本案之發明人特潛心研究，開發出一種「分散式電源同步併網之方法」，以有效改善習用之缺點。
本發明之主要目的係在於，可簡易得知分散式發電源與市電間平衡或不平衡狀態之相角差，以推估市電電壓之零交越點，使分散式發電源與市電於零相差之條件下同步併聯，進而可迅速且準確偵測分散式電源與市電之相角差，減少分散式電源與市電不同步時對於市電造成擾動之程度與時間，而使分散電源之併網操作達到穩定、強健及自動併網之功效。
為達上述之目的，本發明係一種分散式電源同步併網之方法，係於小型微電網之三相負載不平衡情況下，輸入其市電端與變流器交流端之三相電壓至同步控制器，由該同步控制器進行運算、轉換及比較後，得到一相角差，並將該相角差迴授至變流器，以利用此相角差作為變流器交流端與市電端同步併聯之參考角，進而讓同步控制器控制變流器進行同步，而使變流器可輸出固定之電壓、頻率、相位及電流。
於本發明之一實施例中，該小型微電網係與同步控制器連接。
於本發明之一實施例中，該同步控制器係包含有一k/g計算單元、一與k/g計算單元連接之均方根單元、一與均方根單元連接之 相角計算單元、一與相角計算單元連接之轉換器、一與轉換器連接之鎖相迴路、及一與轉換器連接之電壓/電流控制器。
於本發明之一實施例中，該k/g計算單元係配合市電端與變流器交流端之各三相電壓進行所需之運算。
於本發明之一實施例中，該市電端之A相電壓為VGa=Vgcos(ω t)、B相電壓為VGb=Vgcos(ω t-2/3 π)、C相電壓為VGc=Vgcos(ω t-4/3 π)，而該變流器交流端之A相電壓為VIa=V1cos(ω t-θ )、B相電壓為VIb=V2cos(ω t-2/3 π-θ)、C相電壓為VIc=V3cos(ω t-4/3 π-θ)，若k=VIaVGa+VIbVGb+VIcVGc，而該g=VIaVGb+VIbVGc+VIcVGa，則可由k/g計算單元配合均方根單元與相角計算單元經運算後獲得sin θ=2/3[(2V1-V2+2V3)k+(4V1+V2+V3)g]/√3(V1V2+V2V3+V1V3)。
於本發明之一實施例中，該均方根單元係用以運算出變流器交流端三相電壓之均方根值。
於本發明之一實施例中，該相角計算單元係用以運算出sin θ。
於本發明之一實施例中，該轉換器係將得到之sin θ轉換為△θ，並配合藉由鎖相迴路得到變流器交流端之相角θold與abc/dq為作park轉換。
於本發明之一實施例中，該電壓/電流控制器係用以控制變流器，使變流器可輸出固定之電壓、頻率、相位及電流。
1‧‧‧小型微電網
11‧‧‧市電端
12‧‧‧變流器
2‧‧‧同步控制器
21‧‧‧k/g計算單元
22‧‧‧均方根單元
23‧‧‧相角計算單元
24‧‧‧轉換器
25‧‧‧鎖相迴路
26‧‧‧電壓/電流控制器
第1圖，係本發明之方塊流程示意圖。
第2圖，係為250MVA時無併聯方法下之強制併聯示意圖。
第3圖，係250MVA時推導方法下之同步併聯示意圖。
第4圖，係250MVA時市電端與變流器交流端之相角差示意圖。
第5圖，係250MVA時負載上之三相電壓均方根值示意圖。
第6圖，係500MVA時無併聯方法下之強制併聯示意圖。
第7圖，係500MVA時推導方法下之同步併聯示意圖。
第8圖，係500MVA時市電端與變流器交流端之相角差示意圖。
第9圖，係500MVA時負載上之三相電壓均方根值示意圖。
第10圖，係750MVA時無併聯方法下之強制併聯示意圖。
第11圖，係750MVA時推導方法下之同步併聯示意圖。
第12圖，係750MVA時市電端與變流器交流端之相角差示意圖。
第13圖，係750MVA時負載上之三相電壓均方根值示意圖。
請參閱『第1圖~第13圖』所示，係分別為本發明之方塊流程示意圖、250MVA時無併聯方法下之強制併聯示意圖、250MVA時推導方法下之同步併聯示意圖、250MVA時市電端與變流器交流端之相角差示意圖、250MVA時負載上之三相電壓均方根值示意圖、500MVA時無併聯方法下之強制併聯示意圖、500MVA時推導方法下之同步併聯示意圖、500MVA時市電端與變流器交流端之相角差示意圖、500MVA時負載上之三相電壓均方根值示意圖、750MVA時無併聯方法下之強制併聯示意圖、750MVA時推導方法下之同步併聯示意圖、750MVA時市電端與變流器交流端之相角差示意圖及750MVA時負載上之三相電壓均方根值示意圖。如圖 所示：本發明係一種分散式電源同步併網之方法，其說明如下：係於小型微電網1之三相負載不平衡情況下，輸入其市電端11與變流器12交流端之三相電壓至同步控制器2，由該同步控制器2進行運算、轉換及比較後，得到一相角差，並將該相角差迴授至變流器12，以利用此相角差作為變流器12交流端與市電端11同步併聯之參考角，進而讓同步控制器2控制變流器12進行同步，而使變流器12可輸出固定之電壓、頻率、相位及電流。
由該第1圖觀之，該小型微電網11係與同步控制器2連接，而該同步控制器2係包含有一k/g計算單元21、一與k/g計算單元21連接之均方根單元22、一與均方根單元22連接之相角計算單元23、一與相角計算單元23連接之轉換器24、一與轉換器24連接之鎖相迴路25、及一與轉換器24連接之電壓/電流控制器26，而該k/g計算單元21係配合市電端11與變流器12交流端之各三相電壓進行所需之運算，當於不平衡負載之情況下：該市電端11之各相電壓如下：A相電壓為VGa=Vgcos(ω t)；B相電壓為VGb=Vgcos(ω t-2/3 π)；C相電壓為VGc=Vgcos(ω t-4/3 π)。
而該變流器12之交流端各相電壓如下：A相電壓為VIa=V1cos(ω t-θ)； B相電壓為VIb=V2cos(ω t-2/3 π-θ)；C相電壓為VIc=V3cos(ω t-4/3 π-θ)。
假設：k=VIaVGa+VIbVGb+VIcVGc；g=VIaVGb+VIbVGc+VIcVGa，則可由該k/g計算單元21配合均方根單元22與相角計算單元24經運算後獲得下列式子：sin θ=2/3[(2V1-V2+2V3)k+(4V1+V2+V3)g]/√3(V1V2+V2V3+V1V3)。
如此，便可由該均方根單元22係用以運算出變流器12交流端三相電壓之均方根值，且由該相角計算單元23運算出sin θ，之後再由該轉換器24係將得到之sin θ轉換為△θ，並配合藉由鎖相迴路25得到變流器12交流端之相角θold與abc/dq為作park轉換，進而依據前述運算後之數據以該電壓/電流控制器26控制變流器12，使變流器12可輸出固定之電壓、頻率、相位及電流，使分散式發電源與市電於零相差之條件下同步併聯。
下列為本發明與習用之比較結果：
假設市電端11與變流器12交流端起始相角相差為180°，變流器12直流端電壓為700V，市電端11電壓為22.8kV，負載為10kW+j2.01kVar,20kW+j4.02kVar及1kW+j0.201kVar，以下模擬不同市電短路容量來作比較：
1.市電短路容量250MVA，在1.5465s變流器12交流端與市電端11併聯，第2圖為無併聯方法下的強制併聯，而第3圖為本發明推導方法下的同步併聯，第4圖為 市電端11與變流器12交流端的相角差，第5圖為負載上的三相電壓均方根值。
2.市電短路容量為500MVA，在1.5465s變流器12交流端與市電端11併聯，該第6圖為無併聯方法下的強制併聯，而該第7圖為推導方法下的同步併聯，第8圖為市電端11與變流器12交流端的相角差，第9圖為負載上的三相電壓均方根值。
3.市電短路容量為750MVA，在1.5547s變流器12交流端與市電端11併聯，該第10圖為無併聯方法下的強制併聯，而該第11圖為推導方法下的同步併聯，第12圖為市電端11與變流器12交流端的相角差，第13圖為負載上的三相電壓均方根值。
綜上所述，本發明分散式電源同步併網之方法可有效改善習用之種種缺點，可簡易得知分散式發電源與市電間平衡或不平衡狀態之相角差，以推估市電電壓之零交越點，使分散式發電源與市電於零相差之條件下同步併聯，進而可迅速且準確偵測分散式電源與市電之相角差，減少分散式電源與市電不同步時對於市電造成擾動之程度與時間，而使分散電源之併網操作達到穩定、強健及自動併網之功效；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‧‧‧小型微電網
11‧‧‧市電端
12‧‧‧變流器
2‧‧‧同步控制器
21‧‧‧k/g計算單元
22‧‧‧均方根單元
23‧‧‧相角計算單元
24‧‧‧轉換器
25‧‧‧鎖相迴路
26‧‧‧電壓/電流控制器

Claims (7)

  1. 一種分散式電源同步併網之方法，係於小型微電網之三相負載不平衡情況下，輸入其市電端與變流器交流端之三相電壓至同步控制器，由該同步控制器進行運算、轉換及比較後，得到一相角差，並將該相角差迴授至變流器，以利用此相角差作為變流器交流端與市電端同步併聯之參考角，進而讓同步控制器控制變流器進行同步，而使變流器可輸出固定之電壓、頻率、相位及電流；其中，該小型微電網係與同步控制器連接，而該同步控制器係包含有一k/g計算單元、一與k/g計算單元連接之均方根單元、一與均方根單元連接之相角計算單元、一與相角計算單元連接之轉換器、一與轉換器連接之鎖相迴路、及一與轉換器連接之電壓/電流控制器。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之分散式電源同步併網之方法，其中，該k/g計算單元係配合市電端與變流器交流端之各三相電壓進行所需之運算。
  3. 依申請專利範圍第2項所述之分散式電源同步併網之方法，其中，該市電端之A相電壓為VGa=Vgcos(ω t)、B相電壓為VGb=Vgcos(ω t-2/3 π)、C相電壓為VGc=Vgcos(ω t-4/3 π)，而該變流器交流端之A相電壓為VIa=V1cos(ω t-θ)、B相電壓為VIb=V2cos(ω t-2/3 π-θ)、C相電壓為VIc=V3cos(ω t-4/3 π-θ)，若該k=VIaVGa+VIbVGb+VIcVGc，而該g=VIaVGb+VIbVGc+VIcVGa，則可由k/g計算單元配合均方根單元與相角計算單元經運算後 獲得：sin θ=2/3[(2V1-V2+2V3)k+(4V1+V2+V3)g]/√3(V1V2+V2V3+V1V3)。
  4. 依申請專利範圍第3項所述之分散式電源同步併網之方法，其中，該均方根單元係用以運算出變流器交流端三相電壓之均方根值。
  5. 依申請專利範圍第3項所述之分散式電源同步併網之方法，其中，該相角計算單元係用以運算出sin θ。
  6. 依申請專利範圍第3項所述之分散式電源同步併網之方法，其中，該轉換器係將得到之sin θ轉換為△θ，並配合藉由鎖相迴路得到變流器交流端之相角θold與abc/dq為作park轉換。
  7. 依申請專利範圍第1項所述之分散式電源同步併網之方法，其中，該電壓/電流控制器係用以控制變流器，使變流器可輸出固定之電壓、頻率、相位及電流。
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