TWI558054B

TWI558054B - Multi - group regional mutual - aid power generation system

Info

Publication number: TWI558054B
Application number: TW104130258A
Authority: TW
Inventors: Bin Juine Huang; Kang Li; Kung Yen Lee; Cheng Kang Guan; Po Chien Hsu; Yi Hung Wang; Jong Fu Yeh; Tzt Chiao Tang
Original assignee: Bin Juine Huang
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2016-11-11
Also published as: TW201711330A

Description

多元多群組區域互助型發電系統

本發明涉及一種多元互聯疊層式多群組區域互助型發電系統，尤指一種能透過交流電網電力傳輸及切換調控技術，及可依用戶數量需求，將同類互聯基本單元，向上疊加擴增為多元疊層式多群組區域互助型發電系統，整合區域內自然能源發電電源，有效降低地球資源消耗的環保電力系統。

工業革命後，世界各國大量使用化石燃料，隨著科技發展，核能的使用也日漸普及，但使用這些能源造成環境極大的影響，包括核能的外洩災害、大量二氧化碳排放造成的溫室效應，造成海洋平均溫度上升，及產生的廢氣與雨水化合所形成的酸雨等問題，導致環境污染、大量生物死亡、氣候發生巨變，百年來種下的因果終會回報到人們身上。

同時，近年來，人類開始思索以再生能源替代非再生能源，包括水力、風力、地熱、海洋能、廢物轉換、太陽能和生質能；但在再生能源研發過程中，技術上的不純熟和原料來源等問題，導致再生能源使用的比率並未達到預期的理想值。

發展再生能源，邁向低碳社會，已是無可避免的趨勢，因此未來的電力系統，勢必要降低石化能源比例，擴大再生能源利用，由於再生能源大多屬間歇性能源，具規模小而分散的特性，與目前佔比極高的集中式發電系統有所差別，未來的電力系統，勢必得加強分散式電源與區域電網技術，才能因應未來的挑戰與需求。

目前微型電網是將一系列的負載與發電電源，整合成為單一可控制的系統，提供電力與熱能，主要由微型電源、電力設備、靜態切換開關及自動監控系統所組成；微型電網可與大電網並聯運轉，由大電網平衡微型電網內的電力供需，在大電網故障時，亦可獨立運轉。

微型電網的實際應用情境，必須整合電力傳輸、資通訊控制及能源管理技術[如發電預估、負載預測及電能調度]，可以根據每天的用電所需及價格變化，整合分散式電源的供應狀況。

但是，雖然目前各國都紛紛投入分散式能源微型電網技術，且近年來更是大力投入技術發展，但目前尚無專屬技術規範，導致相關設備缺乏可交換性及共用性，缺乏系統整合，而且每增加一發電系統，就需要重新評估、設計微型電網，建置成本居高不下，應用性低下，最重要的是，雖然能降低整體耗電量，但效能仍然有限，消費者較為無感，難以享受到實際的好處，而目前的太陽光發電系統通常都屬併網型回售電力給電網，申請簽約手續及發電系統安裝施工，不但耗時且所費不貲。

有鑑於此，如何提供一種能便於應用，建置成本低，有別於傳統微型電網及併網型回售電力的電網，且能讓消費者真正感受到，整體性能與經濟效益之提昇的多元多群組區域互助型發電系統，便成為本發明欲改進的課題。

本發明在於提供一種能提高自然能源發電系統性能與提升用戶用電經濟效益的多元多群組區域互助型發電系統，本發明之技術手段方法有別於本人先前發明所申請案號103142456號「區域互助型電力系統」，其申請案號103142456號中技術特徵之一為運用DC直流電做為電力調度的輸送電源；而本發明之特點，則為運用較高電壓的AC交流側做為電力調度的輸送電源，其優點更具有降低電力調度時輸送電源的電流與壓降等，能更有效的減少系統的電力損耗，以進一步更提升整體系統效能及電力配線材料的成本降低；本發明之技術特徵之一在於可以結合兩個混合型發電子系統(2)及一個中央控制系統(1)，組成一最小型電力互助系統單元【稱為“互聯基本單元(100)”】再將同類互聯基本單元(100)不斷的向上疊加擴增，並可依用戶數量需求向上疊加不斷擴增為金字塔狀的多元疊層式多群組之電力互助系統，增進實用性及應用層面，本技術之特點之一，在於可讓兩個混合型發電子系統(2)互聯，相互進行電力支援，一互聯基本單元(100)組成區域互助型發電系統時，具智慧判斷功能的中央控制系統(1)即會進行兩個混合型發電子系統(2)之間的電力調度動作。

為解決前述問題及達到本發明的目的，本發明的技術手段，是這樣實現的，為一種多元多群組區域互助型發電系統，其特徵在於：所述多元多群組區域互助型發電系統是由一最小型電力互助系統單元【稱為“互聯基本單元(100)”】所組成，其包含有一中央控制系統(1)、及兩個與該中央控制系統(1)電連接的混合型發電子系統(2)，並可依用戶數量需求，將兩個互聯基本單元(100)並聯成一群組，兩個該群組可再並聯成另一較大群組，如此向上疊加擴增為疊層式多群組電力互助系統，形成金字塔狀之互助電網；所述中央控制系統(1)，其包含有一能控制該混合型發電子系統(2)之運作方式的互助式中央電力調度控制器(11)、及對應於該混合型發電子系統(2)而設置且能相互電連接的一電力調度開關(12)；所述混合型發電子系統(2)，其包含有一自然能源(22)、及一客戶端控制器(21)；其中客戶端控制器(21)包含有一充放電控制器(23)、一蓄電池(24)、一獨立型換流器(25)、及一電力切換裝置(26)，該充放電控制器(23)為與該自然能源(22)和獨立型換流器(25)電連接，且該獨立型換流器(25)還與電力切換裝置(26)及中央控制系統(1)內部的電力調度開關(12)電連接，當有兩個混合型發電子系統(2)與中央控制系統(1)相互連接時，就形成一套基本型的互聯基本單元(100)；該互助式中央電力調度控制器(11)與各個混合型發電子系統(2)透過資訊傳輸線(4)做通訊連接，收集與傳輸相關資訊，能偵測該混合型發電子系統(2)整體運作狀態並傳遞相關資訊至該互助式中央電力調度控制器(11)；該蓄電池(24)為與該充放電控制器(23)電連接，該獨立型換流器(25)為與對應的該電力切換裝置(26)電連接，該電力切換裝置(26)再與市電(27)、交流負載(28)電連接；所述互助式中央電力調度控制器(11)，其能依據各個該混合型發電子系統(2)由資訊傳輸線(4)所傳遞而來的該相關資訊，來判斷各個該混合型發電子系統(2)的運作狀態，做為判斷電力互相調度的依據以進行電力的調配，讓各個該混合型發電子系統(2)經常處於最佳發電狀態，提升效能；本發明並可依用戶數量需求，將兩個互聯基本單元(100)並聯成一群組，兩個該群組可再並聯成另一較大群組，如此向上疊加擴增為疊層式多群組電力互助系統，形成金字塔狀之互助電網；更優選的是，參照圖式第二圖，所述中央控制系統a(1a)、中央控制系統b(1b)，其包含有相互電連接並受該互助式中央電力調度控制器(11)所控制而運作的一電力調度開關(12)、及電力調度開關Ⅱ(13)，該電力調度開關Ⅱ(13)能與鄰近的該電力調度開關(12)電連接，以連接由混合型發電子系統(2)構成的互聯基本單元(100)，向上疊加擴增群組，疊加兩套互聯基本單元(100)時，就成為如圖式第二圖所示的2+2群組的區域電力互助系統(200)，疊加四套互聯基本單元(100)時，就成為如圖式第三圖所示的4+4群組的區域電力互助系統(400)，而形成本發明所述的多元多群組區域互助型發電系統；本發明所述多元多群組區域互助型發電系統多元疊層自由擴增另一呈現方式，係由多個互聯基本單元所組成，互聯基本單元其包含有一中央控制系統(1)、及N個與該中央控制系統(1)電連接的混合型發電子系統(2)而構成一電力互助系統，其中每兩組互聯基本單元加以並聯再藉由一個中央控制系統(1)向上一層相連接，以此方式向上疊加擴增群組，疊加兩套互聯基本單元，成為N+N群組的區域電力互助系統，並聯兩個N+N群組，成為2N+2N群組的區域電力互助系統(N=2就是二元)，而形成的多元多群組區域互助型發電系統，以此方式由下往上多元疊層自由擴增形成金字塔電網結構。

更優選的是，所述客戶端控制器(21)其為與對應的該充放電控制器(23)及該獨立型換流器(25)和該電力切換裝置(26)電連接，該電力切換裝置(26)再與市電(27)、交流負載(28)電連接；其電力調度係透過電力切換裝置(26)將交流電輸送到其他混合型發電子系統(2)以供被支援的交流負載(28)使用。

更優選的是，所述電力調度開關(12)及電力調度開關Ⅱ (13)和電力切換裝置(26)，其三者皆是繼電器。

更優選的是，所述資訊傳輸線(4)傳送該混合型發電子系統(2)信號，其至上端中央控制系統(1)包含有該自然能源(22)、該充放電控制器(23)、該蓄電池(24)、該獨立型換流器(25)、該電力切換裝置(26)等相關狀態資訊，以供判斷電力調度的依據以進行電力的調配。

更優選的是，所述自然能源(22)，其是為下列之一：太陽能板(22PV)發電裝置、風力發電裝置、水力發電裝置、潮汐發電裝置。

更優選的是，所述電力切換裝置(26)係透過交流電輸送到其他混合型發電子系統(2)以供被支援的交流負載(28)使用；其優點在於因系統中的直流電電壓低而交流電的電壓較高，以交流電直接供電力調度傳輸使用，能有效降低傳輸電流及產生的壓降，電力傳輸線(5)線徑就可變小，不但較易布線施工且可有效降低電線材料成本。

與現有技術相比，本發明的作用及效果如下：

第一點：通過中央控制系統(1)及混合型發電子系統(2)的應用，透過上層的中央控制系統(1)，進行各單位混合型發電子系統(2)間的互助分配調控，在維持單位相同的混合型發電子系統(2)建置成本下，能夠提升整體效能，進而提升單位混合型發電子系統(2)的市電替代率，使太陽能發電取代市電比率提升，最後提升混合型發電子系統(2)的性能與經濟效益。

第二點：本發明多元多群組區域互助型發電系統在一個基本型互聯基本單元(100)的電網中所示為例，相較於獨立型和併網型的太陽能發電電力系統，能避免在蓄電池(24)滿載且負載不大之情況下(例如白天人員外出未啟用負載時)，所造成的太陽能發電電力無法蓄電的損失浪費，亦可以避免一般併網型太陽能發電系統於發電時的尖峰時刻，回售市電電網造成的衝擊，而本發明則不會影響到市電電網的穩定性，並且不需因要擴增市電電網設備規模而耗費經費。

第三點：通過中央控制系統(1)，能將至少兩個混合型發電子系統(2)的個體戶形成一個基本型互聯基本單元(100)的電網，向上疊加擴增群組，疊加兩套互聯基本單元(100)時，就成為如圖式第二圖所示的2+2群組的區域電力互助系統(200)，疊加四套互聯基本單元(100)時，就成為如圖式第三圖所示的4+4群組的區域電力互助系統(400)，而形成本發明所述的多元多群組區域互助型發電系統，以此方式由下往上疊加自由擴增形成金字塔結構的互助型發電系統；本發明所述多元多群組區域互助型發電系統多元疊層自由擴增另一呈現方式，係由多個互聯基本單元所組成，互聯基本單元其包含有一中央控制系統(1)、及N個與該中央控制系統(1)電連接的混合型發電子系統(2)而構成一電力互助系統，其中每兩組互聯基本單元加以並聯再藉由一個中央控制系統(1)向上一層相連接，以此方式向上疊加擴增群組，疊加兩套互聯基本單元，成為N+N群組的區域電力互助系統，並聯兩個N+N群組，成為2N+2N群組的區域電力互助系統(N=2就是二元)，而形成的多元多群組區域互助型發電系統，以此方式由下往上多元疊層自由擴增形成金字塔電網結構；與傳統由上而下須經由整體規劃上層電網與其控制器繁雜步驟之電網概念不同，本發明設計簡單化，容易應用。

第四點：本發明多元多群組區域互助型發電系統，其技術特徵之一則是利用各混合型發電子系統(2)之AC交流電力做為電力調度的輸送電源，其優點更具有降低電力調度時輸送電源的電流與壓降等，能更有效的減少系統的電力損耗，以進一步更提升整體系統效能及電力配線材料的成本降低。

100‧‧‧互聯基本單元

200‧‧‧2+2群組的區域電力互助系統

400‧‧‧4+4群組的區域電力互助系統

1‧‧‧中央控制系統

1a‧‧‧中央控制系統a

1b‧‧‧中央控制系統b

1c‧‧‧中央控制系統c

11‧‧‧互助式中央電力調度控制器

12‧‧‧電力調度開關

13‧‧‧電力調度開關Ⅱ

2‧‧‧混合型發電子系統

2A‧‧‧混合型發電子系統A

2B‧‧‧混合型發電子系統B

2C‧‧‧混合型發電子系統C

2D‧‧‧混合型發電子系統D

2E‧‧‧混合型發電子系統E

2F‧‧‧混合型發電子系統F

2G‧‧‧混合型發電子系統G

2H‧‧‧混合型發電子系統H

21‧‧‧客戶端控制器

22‧‧‧自然能源

22PV‧‧‧太陽能板

23‧‧‧充放電控制器

24‧‧‧蓄電池

25‧‧‧獨立型換流器

26‧‧‧電力切換裝置

27‧‧‧市電

28‧‧‧交流負載

3‧‧‧電力傳輸線

4‧‧‧資訊傳輸線

5‧‧‧向上擴充連接示意線

6‧‧‧第一層中央控制系統CCU-a

7‧‧‧第二層中央控制系統CCU-b

8‧‧‧第三層中央控制系統CCU-c

第一圖：本發明的由兩個混合型發電子系統(二元)組成的最小互聯基本單元示意圖。

第二圖：本發明的將兩個互聯基本單元並聯成一個2+2群組的區域電力互助系統示意圖。

第三圖：本發明的將兩個2+2群組再並聯成另一較大的4+4群組的區域電力互助系統示意圖。

如第一圖至第三圖所示，圖中揭示出，為一種多元多群組區域互助型發電系統，其特徵在於：所述多元多群組區域互助型發電系統，其包含有一中央控制系統(1)、及兩個與該中央控制系統(1)電連接的混合型發電子系統(2)；所述中央控制系統(1)，其包含有一能控制該混合型發電子子系統(2)之運作方式的互助式中央電力調度控制器(11)、及對應於該混合型發電子系統(2)而設置且能相互電連接的至少一電力調度開關(12)；如第一圖所示混合型發電子系統(2)，其包含有一自然能源(22)、及一客戶端控制器(21)；其中客戶端控制器(21)包含有一充放電控制器(23)、一蓄電池(24)、一獨立型換流器(25)、及一電力切換裝置(26)，該充放電控制器(23)為與該自然能源(22)和獨立型換流器(25)電連接，且該獨立型換流器(25)還與電力切換裝置(26)及中央控制系統(1)內部的電力調度開關(12)電連接，當有兩個混合型發電子系統(2)與中央控制系統(1)相互連接時，就形成一套基本型的互聯基本單元(100)；該互助式中央電力調度控制器(11)與各個混合型發電子系統(2)透過資訊傳輸線(4)做通訊連接，收集與傳輸相關資訊，能偵測該混合型發電子系統(2)整體運作狀態並傳遞相關資訊至該互助式中央電力調度控制器(11)；該蓄電池(24)為與該充放電控制器(23)電連接，該獨立型換流器(25)為與對應的該電力切換裝置(26)電連接，該電力切換裝置(26)再與市電(27)、交流負載(28)電連接；所述互助式中央電力調度控制器(11)，其能依據各個該混合型發電子系統(2)由資訊傳輸線(4)所傳遞而來的該相關資訊，來判斷各個該混合型發電子系統(2)的運作狀態，做為判斷電力調度的依據以進行電力的調配，讓各個該混合型發電子系統(2)於獨立供電模式、至少一個其他該混合型發電子系統(2)協助並聯供電模式、市電(10)供電模式間做切換；本發明並可依用戶數量需求，將兩個互聯基本單元(100)並聯成一群組，兩個該群組可再並聯成另一較大群組，如此向上疊加擴增為疊層式多群組電力互助系統，形成金字塔狀之互助電網架構。

其中，最主要的核心概念，如第二圖、第三圖所示通過中央控制系統(1)，能將兩個混合型發電子系統(2)的個體戶形成一個電網單位，也就是一套基本型的互聯基本單元(100)，其中每兩組互聯基本單元(100)能再藉由一個中央控制系統(1)相連接，以此方式向上疊加擴增群組，疊加兩套互聯基本單元(100)時，就成為如圖式第二圖所示的2+2群組的區域電力互助系統(200)，疊加四套互聯基本單元(100)時，就成為如圖式第三圖所示的4+4群組的區域電力互助系統(400)，而形成本發明所述的多元多群組區域互助型發電系統，以此方式由下往上疊加自由擴增型成金字塔結構的互助型發電系統；本發明所述多元多群組區域互助型發電系統多元疊層自由擴增另一呈現方式，係由多個互聯基本單元所組成，互聯基本單元其包含有一中央控制系統(1)、及N個與該中央控制系統(1)電連接的混合型發電子系統(2)而構成一電力互助系統，其中每兩組互聯基本單元加以並聯再藉由一個中央控制系統(1)向上一層相連接，以此方式向上疊加擴增群組，疊加兩套互聯基本單元，成為N+N群組的區域電力互助系統，並聯兩個N+N群組，成為2N+2N群組的區域電力互助系統(N=2就是二元)，而形成的多元多群組區域互助型發電系統，以此方式由下往上多元疊層自由擴增形成金字塔電網結構；與傳統由上而下須經由整體規劃上層電網與其控制器繁雜步驟之電網概念不同，本發明設計簡單化，容易應用，通過中央控制系統(1)調度多個混合型發電子系統(2)的電力，提升整體性能與經濟效益，建置成本不會因而增加，同時，還能藉由互相支援混合型發電子系統(2)剩餘的電力，降低蓄電成本，進而提升單位混合型發電子系統(2)的效能以及其市電替代率，能降低互相支援區域內的市電耗電量，也就是說，能降低消費者所付出的市電電費，能讓消費者真正感受到，再生能源的優點，整體性能與經濟效益的提昇；最重要的是，本發明多元多群組區域互助型發電系統，雖然會使用到市電，但卻不會回售電力至市電電網，所以不用擔心會影響到原有市電電網，也就是說，與傳統電網互不影響。

再者，本發明是利用各混合型發電子系統(2)之AC交流電力做為電力調度的輸送電源，其優點更具有降低電力調度時輸送電源的電流與壓降等，能更有效的減少系統的電力損耗，以進一步更提升整體系統效能及電力配線材料的成本降低。

再其次，如第一圖所示本發明以一套基本型的互聯基本單元(100)為單位，其包含一中央控制系統(1)、兩個混合型發電子系統(2)的個體戶組成，其基本運作分為兩種模式，第一種為獨立運轉模式，表示中央控制系統(1)上連接兩個個體戶混合型發電子系統(2)之電力調度開關(12)為斷路，因此可由混合型發電子系統(2)獨立判斷由市電或是自然能源供應給交流負載(28)；第二種模式為支援模式，表示中央控制系統(1)上連接兩個個體戶混合型發電子系統(2)之電力調度開關(12)為接通，此時兩個混合型發電子系統(2)的個體戶其中一個體戶混合型發電子系統(2)負責進行電力調度給另一個體戶混合型發電子系統(2)，而上述第二種模式其是發生於兩個個體戶之其一個體戶蓄電池(24)達到飽充(此時產生發電損失)，且另一組個體戶之蓄電池(24)未飽充且具備足夠蓄電空間，此時將達到蓄電池(24)飽充的個體戶之電力分配給本身負載與另一個體戶之負載，藉由提高耗電量來降低系統發電損失，而蓄電池(24)未飽充的個體戶之負載則由蓄電池(24)飽充之個體戶供應，因此其自然能源(22)發電量則可全數充入蓄電池(24)中，以達到提升整體效能，使自然能源(22)發電取代市電比率提高和促進經濟效益。

本發明採用多元疊層式，往上疊加成多群組區域互助型發電系統的方法是這樣實現的，如第二圖所示，每兩個混合型發電子系統(2)能藉由連接上一層CCU-a中央控制系統a(1a)達到互聯電網的效果形成一套互聯基本單元(100)，而兩套互聯基本單元(100)能再藉由連接上一層之CCU-b中央控制系統b(1b)達到擴展為2+2群組的區域電力互助系統(200)電網的效果；又如第三圖所示，每四個混合型發電子系統(2)又能藉由連接更上一層CCU-c中央控制系統c(1c)達到擴展為4+4群組的區域電力互助系統(400)電網的效果，以此方法向上類推，而達不斷往上疊加之目的及擴展效果；本發明所述多元多群組區域互助型發電系統多元疊層自由擴增另一呈現方式，係由多個互聯基本單元所組成，互聯基本單元其包含有一中央控制系統(1)、及N個與該中央控制系統(1)電連接的混合型發電子系統(2)而構成一電力互助系統，其中每兩組互聯基本單元加以並聯再藉由一個中央控制系統(1)向上一層相連接，以此方式向上疊加擴增群組，疊加兩套互聯基本單元，成為N+N群組的區域電力互助系統，並聯兩個N+N群組，成為2N+2N群組的區域電力互助系統(N=2就是二元)，而形成的多元多群組區域互助型發電系統，以此方式由下往上多元疊層自由擴增形成金字塔電網結構；再如第二圖所示，當CCU-b中央控制系統b(1b)連接兩套互聯基本單元(100)之電力調度開關(12)為斷路，則各別兩套互聯基本單元(100)可獨立運作；而當混合型發電系統子系統A(2A)蓄電池(24)達到飽充產生發電損失、混合型發電系統子系統B(2B)蓄電池(24)蓄電空間不足、混合型發電系統子系統C(2C)蓄電池(24)蓄電空間充足、混合型發電系統子系統D(2D)蓄電池(24)蓄電空間不足，則此時CCU-b中央控制系統b(1b)之電力調度開關(12)為接通，混合型發電系統子系統A(2A)會將電力調度給混合型發電系統子系統C(2C)，而不影響混合型發電系統子系統B(2B)及混合型發電系統子系統D(2D)之獨立運作。

如第一圖所示，市電供電模式：當所有混合型發電子系統(2)的蓄電池(24)，皆處於低電壓保護點(LVP)供態時，即混合型發電子系統(2)提供的電力不足，中央控制系統(1)會作動使電力調度開關(12)切開，將所有混合型發電子系統(2)間的電路切斷，再讓各混合型發電子系統(2)的客戶端控制器(21)中電力切換裝置(26)作動，使用市電(27)來供電，以免影響到交流負載(28)的運作。

上述中，所述自然能源(22)電源其是為下列之一：太陽能板(22PV)發電裝置、風力發電裝置、水力發電裝置、潮汐發電裝置，其中，又以太陽能板(22PV)發電裝置，為較優、較佳的應用選擇，相對於其他種自然發電方式，成本較低，且安裝設置較為便利，維護上問題也較少。

如第二圖所示，上述中CCU-a中央控制系統a(1a)之電力調度開關(12)為對下層子系統的電力調度開關，電力調度開關Ⅱ(13)為對上層的電力調度開關，且該電力調度開關(12)能與鄰近的該混合型發電子系統(2)電連接及該電力調度開關Ⅱ(13)能與鄰近的CCU-b中央控制系統b(1b)電連接。

如第一圖所示，上述中，所述資訊傳輸線(4)所做通訊連接相關資訊，其包含有負載資訊(負載電流值、負載電壓值)、電網資訊(電網電流值、電網電壓值)、及電池資訊(電池電流值、電池電壓值)，透過利用這些相關資訊，讓中央控制系統(1)能準確的判斷，本發明多元多群組區域互助型發電系統當前的運作狀態，以有效的進行電力調配，相對於傳統型電網，能更為簡潔的運作，降低整體構置的成本與時間並可提升整體效能，和提高經濟效益，能快速地投入應用，更具實用性。

以上依據圖式所示的實施例詳細說明本發明的構造、特徵及作用效果；由於符合產業利用性、新穎性及進步性之要件，遂爰依法提出發明專利申請，惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，但本發明不以圖面所示限定實施範圍，因此舉凡與本發明意旨相符的修飾性變化，只要在均等範圍內都應涵屬於本發明專利範疇。