TWI627811B - Synchronous parallel control method between power system regions - Google Patents

Abstract

一種電力系統區域間之同步併聯控制方法，係於兩個區域電網中第一區域電網與第二區域電網具有相位差且有三相電壓不平衡及諧波分量同時存在之情況下，輸入該第一、二區域電網介面母線電壓至一同步控制器，該同步控制器位在該第一或二區域電網之中，由該同步控制器進行運算、轉換及比較後得到一相位差，並將該相位差迴授至所處區域電網之逆變器，以利用此相位差作為該第一、二區域電網同步併聯之調控參考，進而讓該同步控制器控制該逆變器進行同步，而使該逆變器可輸出無縫同步之電壓、頻率及相位。藉此，透過考慮相電壓之公式，將同步控制器運用傅立葉轉換及派克轉換結合鎖相迴路進行區域電網與區域電網之間之同步併聯相位差計算，可適用於兩個同時具諧波與不平衡電壓之區域電網同步併聯，無需複雜之控制法則或調整控制增益，即可達到快速及無縫同步之實用功效。

Description

電力系統區域間之同步併聯控制方法

本發明係有關於一種電力系統區域間之同步併聯控制方法，尤指涉及一種考慮相電壓之公式，特別係指可適用於兩個同時具諧波（harmonics）與不平衡（Imbalance）電壓之區域電網（Zonal Grid）同步併聯，可達到快速及無縫同步（synchronization）之實用功效者。

按，中華民國專利I509935所請為「分散式電源同步併網之方法」，該專利係強調市電端為理想電源，區域電網端為三相不平衡及諧波；惟其與本發明強調兩端均為區域電網，且兩端有負載不平衡與諧波影響之技術並不相同。中華民國專利M259196與589791所請分別為「同相控制器」與「同步並聯式電壓轉換裝置」，兩者專利皆為一般之單相低壓之電子電路，且考慮理想的電源下之同步併聯；惟其與本發明適用高壓380 V以上之三相交流系統，且電源兩端有負載不平衡與諧波影響之技術並不相同。以及中華民國專利I599134所請為「獨立微電網中兩分隔區域之同步方法」，該專利為考慮一獨立微電網中兩分隔區域之同步方法，係於多區域組成之獨立微電網中兩個具不同之基頻與電壓之分隔區域；惟其與本發明適用於大電力系統中任意規模之區域電網，且考量之電力品質因素係三相不平衡及諧波之技術並不相同。 鑑於上述前案僅考慮一個具諧波與不平衡電壓之微電網同步併聯，且就目前發表技術中並未有針對可適用於兩個同時具諧波與不平衡電壓之區域電網同步併聯之報導，惟此是分散式發電之區域電網中實際面臨之問題，實有發展應對之新方法之必要。故，ㄧ般習用者係無法以目前技術符合使用者於實際使用時針對區域電網與區域電網之間的同步併聯相位差計算之所需。

本發明之主要目的係在於克服習知技藝所遭遇之上述問題，並提供一種考慮分散式發電之區域電網，實現兩個區域電網之間同步之新方法 ，可適用於兩個同時具諧波與不平衡電壓之區域電網同步併聯之電力系統區域間之同步併聯控制方法。 本發明之次要目的係在於提供一種透過考慮相電壓之公式，將同步控制器運用傅立葉轉換（Fourier Transform, FT）及派克轉換（Park Transform）結合鎖相迴路（Phase-locked Loop, PLL）進行區域電網與區域電網之間之同步併聯相位差計算，並結合於逆變器以減少兩個區域電網之相位差，經本發明運用實際區域電網模擬結果，證明本方法不需要複雜之控制法則或調整控制增益，即可達到快速及無縫同步等實用功效之電力系統區域間之同步併聯控制方法。 為達以上之目的，本發明係一種電力系統區域間之同步併聯控制方法 ，係於兩個區域電網中第一區域電網與第二區域電網具有相位差且有三相電壓不平衡及諧波分量同時存在之情況下，輸入該第一區域電網與該第二區域電網介面母線電壓至一同步控制器，該同步控制器位在該第一區域電網或該第二區域電網之中，由該同步控制器進行運算、轉換及比較後得到一相位差，並將該相位差迴授至所處區域電網之逆變器，以利用此相位差作為該第一區域電網與該第二區域電網同步併聯之調控參考，進而讓該同步控制器控制該逆變器進行同步，而使該逆變器可輸出無縫同步之電壓、頻率及相位； 其中一個區域電網含有該同步控制器，而該同步控制器係包含有一k ₁及k ₂計算單元、一與該k ₁及k ₂計算單元連接之傅立葉轉換計算單元、一與該k ₁及k ₂計算單元及該傅立葉轉換計算單元連接之相位差計算單元、一與該相位差計算單元連接之PI控制器、一與該PI控制器連接之鎖相迴路、以及一與該PI控制器連接之電壓/電流控制器，而該k ₁及k ₂計算單元係配合該第一區域電網與該第二區域電網各介面母線電壓進行所需之運算，再配合該PI控制器對運算結果進行轉換，當操作時，該第一區域電網介面母線電壓中A相電壓為 、B相電壓為 、C相電壓為 ，而第二區域電網介面母線電壓中A相電壓為 、B相電壓為 、C相電壓為 ，若 ，而 ，則可由該k ₁及k ₂計算單元配合該傅立葉轉換計算單元與該相位差計算單元經運算後獲得 ；該PI控制器係將得到之 轉換 為 ，並藉由該鎖相迴路得到該同步控制器所處區域之相位差 取得新相位差 後，作派克（Park，即abc轉dq）轉換，其中，該 為第一區域電網介面A相母線於h次諧波電壓幅值；該 為第二區域電網介面A相母線於h次諧波電壓幅值；H為考慮的總諧波次；以及P _1shh、P _{1c hh}、P _2shh與P _{2c hh}為四個計算出的常數。 於本發明上述實施例中，該傅立葉轉換計算單元係用以運算出區域電網交流端介面母線各次諧波電壓之幅值。 於本發明上述實施例中，該電壓/電流控制器係用以控制該逆變器，使該逆變器可輸出無縫同步之電壓、頻率及相位。

電力系統區域與區域間之公共耦合點必須符合相關標準。當區域電網要進行併聯時，不同的兩個區域電網不論電壓幅值、相角都不盡相同，此時區域電網是一個電壓不平衡與失真的系統。對此，本發明提出適用於兩個同時具諧波與不平衡電壓之區域電網同步併聯控制技術。請參閱『第１圖～第５圖』所示，係分別為本發明之方塊流程示意圖、本發明以情境一比較無同步下在t=0.7秒併聯示意圖、本發明以情境一模擬考慮 而在t=0.7475秒達到無縫併聯示意圖、本發明以情境二模擬考慮 而在t=0.7503秒達到無縫併聯示意圖、及本發明以情境二所得 之變化示意圖。如圖所示：本發明係一種電力系統區域間之同步併聯控制方法，係於兩個區域電網之第一區域電網１與第二區域電網２具有相位差且有三相電壓不平衡及諧波分量同時存在之情況下，輸入該第一區域電網１與該第二區域電網２介面母線電壓至一同步控制器３，該同步控制器３可位在該第一區域電網１或該第二區域電網２任一者中，由該同步控制器３進行運算、轉換及比較後得到一相位差，並將該相位差迴授至所處區域電網之逆變器４，以利用此相位差作為該第一區域電網１與該第二區域電網２同步併聯之調控參考，進而讓該同步控制器３控制該逆變器４進行同步，而使該逆變器４可輸出無縫同步之電壓、頻率及相位。 由第１圖觀之，該兩個區域電網１、２係與該同步控制器３連接，而該同步控制器３係包含有一k ₁及k ₂計算單元３１、一與該k ₁及k ₂計算單元３１連接之傅立葉轉換計算單元３２、一與該k ₁及k ₂計算單元３１及該傅立葉轉換計算單元３２連接之相位差計算單元３３、一與該相位差計算單元３３連接之PI控制器３４、一與該PI控制器３４連接之鎖相迴路３５、以及一與該PI控制器３４連接之電壓/電流控制器３６，而該k ₁及k ₂計算單元３１係配合該第一區域電網１與該第二區域電網２各介面母線電壓進行所需之運算，再配合該PI控制器３４對運算結果進行轉換。 當操作時，假設在兩個區域電網中，即第一區域電網１與第二區域電網２，該兩區域電網１、２有相位差 且有負載不平衡及諧波分量同時存在時，本發明係提出一關係式，可藉由此關係式改善區域電網交流端之相位差。以下為關係式推導： 第一區域電網１介面母線電壓如下： A相電壓為 ； B相電壓為 ； C相電壓為 。 第二區域電網２介面母線電壓如下： A相電壓為 ； B相電壓為 ； C相電壓為 。 其中，該 為第一區域電網１介面A相母線於h次諧波電壓幅值；以及該 為第二區域電網２介面A相母線於h次諧波電壓幅值。 令： ； ，則可由該k ₁及k ₂計算單元３１配合該傅立葉轉換計算單元３２與該相位差計算單元３３運算。若對第一區域電網１及第二區域電網２只取二次諧波項計算，則： ； ； ； ； 令上述兩式中， 之 係數以符號 、 之係數以符號 表示之；以及 之 係數以符號 、 之係數以符號 表示之，則 及 可簡寫成： ； ， 將上式整理後可得到 之關係式： ； 對於通案，考慮第一區域電網１及第二區域電網２，各取1、2、…、H次諧波項計算，則 之關係式為： ； 即 。 如是，本發明利用此 之關係式實現同步控制器３之架構如第１圖所示，並利用第１圖中所建立之區域電網１、２架構，進行區域電網１、２間之同步併聯。假設所提出之同步控制器３在第二區域電網２中，便可由該傅立葉轉換計算單元３２運算出第二區域電網２介面母線電壓之峰值，且由該相位差計算單元３３運算出 ，之後再由該PI控制器３４係將得到之 轉換為 ，並配合藉由該鎖相迴路３５得到該第二區域電網２之相位差 。當取得新相位差 後，作派克轉換（abc轉dq），利用d軸與q軸電壓執行電壓/電流控制器３６以控制逆變器４，使逆變器４可輸出無縫同步之電壓、頻率及相位以減少兩區域電網１、２之相位差來達到參考端區域電網與追蹤端區域電網之相位角同步。 下列為本發明之模擬比較結果： 本發明之同步併聯控制方法使用第１圖之區域電網系統做研究分析，第一區域電網１有微渦輪發電機１１（電壓/頻率模式，45kW）、兩組太陽光伏陣列１２（定實功/虛功模式，60kW）、及兩組風力發電機１３（定實功/虛功模式，25kW）及五組負載組成，其中微渦輪發電機１１為電壓與頻率參考。第二區域電網２有太陽光伏陣列２１（定實功/虛功模式，60kW）與儲能系統２２（電壓/頻率模式，45kWh）及兩組負載組成，其中逆變器４具有本發明之同步控制器３。第一區域電網１透過靜態開關（Static Switch, SS）５連接第二區域電網２。區域電網額定負載電壓為380V。 情境一：兩區域電網１、２之電壓大小與頻率皆相同，相位差 為120°。如第２圖所示，靜態開關在t=0.7秒時閉合，此時因無同步，所以發生巨大暫態。如第３圖所示，在相同情況下，應用本發明之方法模擬，0.5秒時開始進行同步併聯動作，接近t=0.7475秒時，藉由第１圖同步控制器３兩區域電網１、２可無縫併聯。 情境二：兩區域電網１、２之負載不平衡且有諧波存在，第一區域電網１之五組三相負載為40kW+3.02kVAr、20kW+1.01kVAr、30kW+2.01kVAr，第二區域電網２之兩組三相負載為30kW+3.02kVAr 、20kW+1.01kVAr、40kW+2.01kVAr，低通濾波器參數為L=1100μH、C=2300μF其截止頻率為100Hz，總諧波失真率（Total Harmonic Distortion）為5.62%，相位角 為120°。如第４圖與第５圖所示，本發明之同步控制器３在t=0.5秒時開始進行同步併聯動作，接近t=0.7503藉由 使兩區域電網１、２可無縫併聯及相位角趨近於零。 藉此，本發明係考慮分散式發電之區域電網，實現兩個區域電網之間同步之新方法，可適用於兩個同時具諧波與不平衡電壓之區域電網同步併聯。由相位差且有三相電壓不平衡與諧波電壓引起之實際相位差 ，在本發明中充分被考慮進來。透過考慮相電壓之公式，同步控制器運用傅立葉轉換及派克轉換結合鎖相迴路進行區域電網與區域電網之間之同步併聯相位差計算，並結合於逆變器以減少兩區域電網之相位差，而經本發明運用實際區域電網模擬結果，足以驗證本方法不需要複雜之控制法則或調整控制增益，即可達到快速及無縫同步之實用功效。 綜上所述，本發明係一種電力系統區域間之同步併聯控制方法，可有效改善習用之種種缺點，透過考慮相電壓之公式，可適用於兩個同時具諧波與不平衡電壓之區域電網同步併聯，無需複雜之控制法則或調整控制增益，即可達到快速及無縫同步之實用功效，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所需，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‧‧‧第一區域電網
１１‧‧‧微渦輪發電機
１２‧‧‧太陽光伏陣列
１３‧‧‧風力發電機
２‧‧‧第二區域電網
２１‧‧‧太陽光伏陣列
２２‧‧‧儲能系統
３‧‧‧同步控制器
３１‧‧‧k₁及k₂計算單元
３２‧‧‧傅立葉轉換計算單元
３３‧‧‧相位差計算單元
３４‧‧‧PI控制器
３５‧‧‧鎖相迴路
３６‧‧‧電壓/電流控制器
４‧‧‧逆變器
５‧‧‧靜態開關

第１圖，係本發明之方塊流程示意圖。 第２圖，係本發明以情境一比較無同步下在t=0.7秒併聯示意圖。 第３圖，係本發明以情境一模擬考慮 而在t=0.7475秒達到無縫併 聯示意圖。 第４圖，係本發明以情境二模擬考慮 而在t=0.7503秒達到無縫併 聯示意圖。 第５圖，係本發明以情境二所得 之變化示意圖。

Claims (3)

1. 一種電力系統區域間之同步併聯控制方法，係於兩個區域電網 （Zonal Grid）中第一區域電網與第二區域電網具有相位差且有三相電壓不平衡（Imbalance）及諧波分量（harmonics）同時存在之情況下，輸入該第一區域電網與該第二區域電網介面母線電壓至一同步控制器，該同步控制器位在該第一區域電網或該第二區域電網之中，由該同步控制器進行運算、轉換及比較後得到一相位差，並將該相位差迴授至所處區域電網之逆變器，以利用此相位差作為該第一區域電網與該第二區域電網同步（synchronization）併聯之調控參考，進而讓該同步控制器控制該逆變器進行同步，而使該逆變器可輸出無縫同步之電壓、頻率及相位； 其中一個區域電網含有該同步控制器，而該同步控制器係包含有一k ₁及k ₂計算單元、一與該k ₁及k ₂計算單元連接之傅立葉轉換計算單元、一與該k ₁及k ₂計算單元及該傅立葉轉換計算單元連接之相位差計算單元、一與該相位差計算單元連接之PI控制器、一與該PI控制器連接之鎖相迴路（Phase-locked Loop, PLL）、以及一與該PI控制器連接之電壓/電流控制器，而該k ₁及k ₂計算單元係配合該第一區域電網與該第二區域電網各介面母線電壓進行所需之運算 ，再配合該PI控制器對運算結果進行轉換； 當操作時，該第一區域電網介面母線電壓中， A相電壓為 、 B相電壓為 、 C相電壓為 ， 而第二區域電網介面母線電壓中， A相電壓為 、 B相電壓為 、 C相電壓為 ， 若 ，而 ，則可由該k ₁及k ₂計算單元配合該傅立葉轉換計算單元與該相位差計算單元經運 算後獲得 ； 該PI控制器係將得到之 轉換為 ，並藉由該鎖相迴路得到該同步控制器所處區域之相位 後，計算得新相位 後 ，作派克（Park，即abc轉dq）轉換，其中，該 為第一區域電網介面A相母線於h次諧波電壓幅值；該 為第二區域電網介面A相母線於h次諧波電壓幅值；H為考慮的總諧波次；以及P _1shh、P _{1c hh}、P _2shh與P _{2c hh}為四個計算出的常數。
2. 依申請專利範圍第１項所述之電力系統區域間之同步併聯控制方 法，其中，該傅立葉轉換計算單元係用以運算出區域電網交流端介面母線各次諧波電壓之幅值。
3. 依申請專利範圍第１項所述之電力系統區域間之同步併聯控制方 法，其中，該電壓/電流控制器係用以控制該逆變器，使該逆變器可輸出無縫同步之電壓、頻率及相位。