TWI673931B - 微電網、儲能系統與電壓補償方法 - Google Patents

Abstract

一種電壓補償方法，用於補償微電網的正規化電壓，其步驟說明如下。首先，監控所述微電網的所述正規化電壓。接著，判斷所述微電網的所述正規化電壓是否超出特定範圍。然後，在所述微電網的所述正規化電壓超出所述特定範圍時，透過變流器依據所述微電網的所述正規化電壓提供補償的虛功給所述微電網。如此，所述電壓補償方法可以使得所述微電網的系統穩定度與安全性得到提升。

Description

微電網、儲能系統與電壓補償方法

本發明有關於一種微電網技術，且特別是一種利用儲能系統的虛功對微電網的正規化電壓進行補償的微電網、儲能系統與電壓補償方法。

為了減少消耗石化燃料所造成的溫室效應，世界各國正積極開發再生能源，例如太陽能系統與風力機系統便是常見的再生能源應用。然而，不論是太陽能系統或是風力機系統，都有輸出能源並非穩定的問題。簡單地說，大量再生能源的增加將造成配電末端之電壓變動，因此在供電與微電網應用中，皆需要搭配儲能系統作有效的電力管理和調節。

一般來說，微電網由市電、儲能系統、分散電源(即，再生能源)與負載組合而成。正常情況下，負載的用電由市電以及分散能源提供，儲能系統則作為能量的緩衝，以穩定電力的供需。當微電網的電壓異常(例如，負載有異常大量耗電)時，在沒有搭配電壓補償策略的情況下，分散電源會與微電網解併，以確保系統設備的安全。

請參照圖1，圖1是IEEE 1547A標準規格書中對於分散電源解併之規範的示意圖。於圖1中，橫軸表示微電網的正規化電壓(以pu為單位，係為微 電網的電壓除以市電的額定電壓)，以及縱軸表示微電網之電力信號的頻率(以Hz為單位)。於圖1中，根據微電網之電力信號的正規化電壓與頻率，可以定義出數個區域R1、R2與R3。當微電網的狀態落在區域R1，則無須將分散電源自微電網解併。當微電網的狀態落在區域R2，則需要在2秒內將分散電源自微電網解併。另外，當微電網的狀態落在區域R3，則需要在1秒內將分散電源自微電網解併。

現有技術中用於微電網進行電壓補償的方法有變壓器手動控制、變壓器分接開關(tap changer)、電容併聯與靜止同步補償(STATCOM)等方法。然而，上述電壓補償方法有著電壓補償精確度不足、僅能單向補償以及耗時等缺點。

基於本發明的至少一個實施例，本發明提供一種微電網、儲能系統與電壓補償方法，其可以自動與雙向地補償微電網的正規化電壓，且能具有較高的電壓補償精確度。

基於本發明的至少一個實施例，本發明提供一種微電網、儲能系統與電壓補償方法，其能夠減少分散電源解併的機率，且能增加微電網的系統穩定度與安全性。

本發明實施例提供一種電壓補償方法，用於補償微電網的正規化電壓，其步驟說明如下。首先，監控所述微電網的所述正規化電壓。接著，判斷所述微電網的所述正規化電壓是否超出特定範圍。然後，在所述微電網的所述正 規化電壓超出所述特定範圍時，透過變流器依據所述微電網的所述正規化電壓提供補償的虛功給所述微電網。

本發明實施例提供一種儲能系統，此儲能系統包括電壓量測單元、控制單元與變流器。所述電壓量測單元用以量測微電網的電壓。所述控制單元電性連接所述電壓量測單元，其用以根據量測的所述微電網的所述電壓，計算出所述微電網的正規化電壓，以及判斷所述微電網的所述正規化電壓是否超出特定範圍。所述變流器電性連接所述控制單元，其中在所述微電網的所述正規化電壓超出所述特定範圍時，所述控制單元依據所述微電網的所述正規化電壓控制所述變流器提供補償的虛功給所述微電網。

本發明實施例提供一種微電網，所述微電網包括儲能系統、分散電源與負載。所述儲能系統併聯於市電，所述分散電源併聯於所述儲能系統，以及所述負載併聯於所述分散電源，其中儲能系統係用以執行所述電壓補償方法。

可選地，所述變流器被設計為最多僅拿特定比例的額定功率來作為補償用的所述虛功。

可選地，所述特定比例為50%。

可選地，在所述微電網的所述正規化電壓超出所述特定範圍，且所述微電網的所述正規化電壓未小於等於0.9pu或大於等於1.1pu時，作為補償用的所述虛功係與所述微電網的所述正規化電壓呈現線性關係。當所述微電網的所述正規化電壓小於等於0.9pu或大於等於1.1pu時，作為補償用的所述虛功為所述特定比例的所述額定功率。

可選地，所述特定範圍為0.95pu至1.05pu

可選地，分散電源為再生能源的電源。

綜上所述，本發明實施例提供一種微電網、儲能系統與電壓補償方法，其具有較高的電壓補償精確度、雙向補償功能與自動補償功能。另外，所述微電網、儲能系統與電壓補償方法還能增加微電網的系統穩定度與安全性。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1‧‧‧市電

2‧‧‧微電網

21‧‧‧儲能系統

22‧‧‧分散電源

23‧‧‧負載

3‧‧‧電壓量測單元

4‧‧‧控制單元

5‧‧‧變流器

501‧‧‧功率開關元件

502‧‧‧RLC濾波電路

503‧‧‧回授電流增益器

504‧‧‧回授電壓增益器

505‧‧‧鎖相迴路

506‧‧‧帕克轉換器

507‧‧‧帕克反轉換器

508‧‧‧弦波脈寬調變器

509、510‧‧‧比例積分控制器

511、512‧‧‧減法器

513‧‧‧加法器

514‧‧‧電流感測模組

Id_cmd、Iq_cmd‧‧‧電流控制信號

R1~R3‧‧‧區域

S11~S13‧‧‧步驟

Vdc‧‧‧直流電壓

Vcontrol‧‧‧控制參考電壓

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是IEEE 1547A標準規格書中對於分散電源解併之規範的示意圖。

圖2是本發明實施例之微電網的方塊示意圖。

圖3是本發明實施例之電壓補償曲線的示意圖。

圖4A是本發明實施例之儲能系統的方塊示意圖。

圖4B是本發明實施例之變流器的方塊示意圖。

圖5是本發明實施例之電壓補償方法的流程圖。

圖6A是未進行電壓補償之微電網的正規化電壓曲線的示意圖。

圖6B是使用本發明實施例之電壓補償方法進行電壓補償之微電網的正規化電壓曲線與補償虛功電流曲線的示意圖。

本發明實施例提供一種能夠使用儲能系統之變流器的虛功來替微電網之電壓進行補償的微電網、儲能系統與電壓補償方法，其中微電網包括儲能系統，儲能系統包括變流器，且儲能系統用以執行電壓補償方法。儲能系統會監控微電網的正規化電壓，並且在正規化電壓超出特定範圍(例如，0.95pu至1.05pu的特定範圍)時，儲能系統中的變流器會根據正規化電壓提供虛功至微電網，以補償微電網(或分散電源的節點)的正規化電壓。

據此，微電網中的分散電源可以不用自微電網解併，並且持續地運轉。另外，當微電網發生故障使得正規化電壓偏離標準值太多，或者微電網故障持續太久時，分散電源仍會與微電網解併。此時，即使使用虛功進行補償，也無法使微電網的正規化電壓穩定，因此，將分散電源與微電網解併會是較佳的作法。

可選地，前述特定範圍可以依據實際情況進行調整，且變流器可被設計成最多僅能拿出部分的額定功率作虛功(例如，最多僅能拿50%的額定功率作虛功)，以確保變流器仍有輸出實功的餘裕。

首先，請參照圖2，圖2是本發明實施例之微電網的方塊示意圖。微電網2包括儲能系統21、分散電源22與負載23，其中市電1、儲能系統21、分散電源22與負載23彼此併聯。微電網2使用的電力信號為交流電，且在不失一般性 的情況下為三相交流電，其額定電壓可能是110伏特或220伏特，以及電力信號的標準頻率為60Hz。然而，上述內容僅是舉例，且本發明不限制於此。

市電1用以提供電力給微電網2中的負載23使用，以及在儲能系統21的充電期間，將電能儲存儲能系統21中。不失一般性的情況下，市電的電力信號為110伏特或220伏特之60Hz的三相交流電，但本發明不以此為限制。儲能系統21作為能量的緩衝以穩定電力的供需，且可以分別在充電期間與放電期間儲存與釋放電能。分散電源22一樣用以提供電力給負載23使用，且分散電源22產生的電能不像市電1那樣穩定，其中分散電源22可能是再生能源的電力源，例如太陽能系統或風力機系統等，但本發明不以此為限制。負載23可以是各種需要消耗電力的設備，諸如電器、電腦、燈或顯示設備等，且本發明不以此為限制。

於本實施例中，儲能系統21還可以監控微電網2的正規化電壓。當微電網2發生故障或異常，導致正規化電壓下降或上升時，儲能系統21可以根據微電網2的正規化電壓是否落在特定範圍之外，來決定是否將其變流器的虛功提供至微電網2，以補償微電網2(或分散電源的節點)的正規化電壓，其中儲能系統21之變流器是根據微電網2的正規化電壓來決定要輸出多少虛功給微電網2。如此，在微電網2的正規化電壓未偏離標準值(即，1pu)太多的情況或微電網故障異常的時間沒有很久時，分散電源22不會逕自微電網2解併。

舉例來說，特定範圍可以是0.95pu至1.05pu。在微電網2的正規化電壓是1.02pu時，儲能系統21不會使用變流器的虛功來進行補償。然而，當微電網2的正規化電壓等於或大於1.05pu時，儲能系統21透過變流器產生負的虛功來進行補償，以及當微電網2的正規化電壓小於或等於0.95pu時，儲能系統21透過變流器產生正的虛功來進行補償。

另外，為了確保變流器的餘裕，變流器最多僅可以僅拿出50%的額定功率來作虛功，要補償的虛功與微電網2的正規化電壓之間呈現線性關係。例如，當微電網2的正規化電壓等於0.95pu時，變流器提供10%的正虛功來補償微電網2的正規化電壓，以及當微電網2的正規化電壓等於或小於0.9pu時，變流器提供50%的正虛功來補償微電網2的正規化電壓。類似地，當微電網2的正規化電壓等於1.05pu時，變流器提供10%的負虛功來補償微電網2的正規化電壓，以及當微電網2的正規化電壓等於或大於1.1pu時，變流器提供50%的負虛功來補償微電網2的正規化電壓。

再者，如前面所述，在微電網2的正規化電壓偏離標準值太多的情況或微電網2故障異常的時間很久時，分散電源21會自微電網2解併。例如，微電網2的正規化電壓為1.5pu，雖然，變流器嘗試提供50%的負虛功來補償微電網2的正規化電壓，但仍不易微電網2的正規化電壓拉至1pu附近，故此時，須將分散電源21自微電網2解併。

接著，請參照圖3，圖3是本發明實施例之電壓補償曲線的示意圖。在微電網2的正規化電壓為A2pu至A1pu之間時，無需對微電網2進行正規化電壓的補償。在微電網2的正規化電壓等於A1pu時，變流器輸出D2千乏(kVar)的負虛功，且在微電網2的正規化電壓大於或等於1.1pu時，變流器輸出D4千乏(kVar)的負虛功，其中在微電網2的正規化電壓介於A1pu與1.1pu之間時，變流器要輸出的負虛功可以依照線性關係計算出來。同樣地，在微電網2的正規化電壓等於A2pu時，變流器輸出D1千乏(kVar)的正虛功，且在微電網2的正規化電壓大於或等於0.9pu時，變流器輸出D3千乏(kVar)的正虛功，其中在微電網2的正規化電壓介於A2pu與0.9pu之間時，變流器要輸出的正虛功可以依照線性關係計算出來。

在此請注意，雖然圖3的電壓補償曲線表現出要補償的虛功與微電網2的正規化電壓之間可呈現線性關係，但本發明並不以圖3的電壓補償曲線為限制。換言之，在其他實施例中，要補償的虛功與微電網2的正規化電壓之間亦可呈現非線性關係。另外，在一般情況下，可以設計成A1等於A2，D1等於D2，以及D3等於D4。然而，本發明可以不以此為限制。舉例來說，A1可以不等於A2，D1可以不等於D2，以及D3可以不等於D4。

接著，進一步地說明，儲能系統21的其中一種實現方式，且以下說明的實現方式並非用以限制本發明。請同時參照圖2與圖4A，圖4A是本發明實施例之儲能系統的方塊示意圖。儲能系統21包括電壓量測單元3、控制單元4與變流器5，其中電壓量測單元3與變流器5電性連接(併聯)微電網2，控制單元4電性連接電壓量測單元3，以及變流器5電性連接與控制單元4。

電壓量測單元3用以量測微電網2的電壓。控制單元4接收電壓量測單元3所量測的電壓，並計算出微電網2的正規化電壓。接著，控制單元4根據微電網2的正規化電壓決定電流控制信號。變流器5接收電流控制信號產生補償虛功電流，以輸出相應的虛功對微電網2的正規化電壓進行補償，以減少分散電源22解併的機率。

接著，進一步地說明變流器5的其中一種實現方式，且以下說明的實現方式並非用以限制本發明。請參照圖4B，圖4B是本發明實施例之變流器的方塊示意圖。變流器5包括儲能元件(用以輸出直流電壓Vdc)、功率開關元件501、RLC濾波電路502、回授電流增益器503、回授電壓增益器504、鎖相迴路505、帕克轉換器506、帕克反轉換器507、弦波脈寬調變器508、比例積分控制器(proportional-integral controller，簡稱為PI控制器)509、510、減法器511、512、加法器513與電流感測模組514。

功率開關元件501透過電流感測模組514電性連接回授電流增益器503，並且直接電性連接RLC濾波電路502，回授電壓增益器504電性連接RLC濾波電路502與鎖相迴路505，以及RLC濾波電路502電性連接(併聯)微電網。鎖相迴路505電性連接帕克轉換器506與帕克反轉換器507，以及帕克轉換器506電性連接回授電流增益器503與減法器511、512。減法器511、512分別電性連接比例積分控制器509、510，比例積分控制器509、510分別電性連接加法器513與帕克反轉換器507，以及加法器513還電性連接帕克反轉換器507。弦波脈寬調變器508電性連接帕克反轉換器507與功率開關元件501。

功率開關元件501接收自儲能元件輸出的直流電壓Vdc與自弦波脈寬調變器508輸出的多個脈寬調變信號，並且根據多個脈寬調變信號產生三相電流，三相電流經過電流感測模組514中的三個電流傳感器，可感應出三相電流信號。回授電流增益器503對三相電流信號進行放大，並輸出給帕克轉換器506。RLC濾波電路502接收三相電流後進行濾波，並輸出用於虛功補償的三相電流至微電網。回授電壓增益器504擷取微電網的單相電壓，並輸出單相信號給鎖相迴路505。鎖相迴路505根據單相電壓信號獲取參考相位θ，並將參考相位θ輸出給帕克反轉換器507與帕克轉換器506。

帕克轉換器506根據參考相位θ將放大後的的三相電流信號轉換成直軸、交軸(DQ)信號。減法器511將來自於控制單元的電流控制信號Iq_cmd減去來自於帕克轉換器506的交軸信號，以及減法器512將來自於控制單元的電流控制信號Id_cmd減去將來自於帕克轉換器506的直軸信號。比例積分控制器509與510分別用以減法器512與511的輸出進行比例積分運算。加法器513用以將比例積分控制器509的輸出加上控制參考電壓Vcontrol。接著，帕克反轉換器507接 收加法器513與比例積分控制器510輸出的兩個控制信號(可形成交軸、直軸信號)，並依據參考相位θ將此DQ信號轉換為三相控制信號。

弦波脈寬調變器508接收帕克反轉換器507輸出的三相控制信號，並且依據此三相控制信號產生多個脈寬調變信號給功率開關元件501，以使得功率開關元件501可以產生相應的三相電流給RLC濾波電路502。於圖4B中，功率開關元件501共有六個功率開關，且三相控制信號共有六個，以控制六個功率開關來產生相應的三相電流給RLC濾波電路502。如此，透過控制單元產生相應的電流控制信號Id_cmd、Iq_cmd，變流器5便能產生對應的虛功來補償微電網。在此請注意，電流控制信號Id_cmd、Iq_cmd是基於電壓補償曲線與根據微電網的正規化電壓來決定，且以本案圖3的電壓補償曲線來說，在微電網的正規化電壓超出特定範圍、小於等於1.1pu與大於等於0.9pu時，電流控制信號Id_cmd、Iq_cmd與微電網的正規化電壓成線性關係。

接著，請參照圖5，圖5是本發明實施例之電壓補償方法的流程圖，其中所述電壓補償方法可由圖2的儲能系統21中的變流器來執行。於步驟S11中，透過儲能系統的電壓量測單元量測微電網的電壓，並透過儲能系統的控制單元計算出微電網的正規化電壓，以藉此監控微電網的正規化電壓。於步驟S12中，儲能系統的控制單元判斷微電網的正規化電壓是否超出特定範圍，例如0.95pu至1.05pu的範圍。若微電網的正規化電壓超出特定範圍，則執行步驟S13，以及若微電網的正規化電壓未超出特定範圍，則持續執行步驟S11。於步驟S13中，儲能系統的控制單元根據微電網的正規化電壓產生電流控制信號給儲能系統的變流器，且儲能系統的變流器據此產生相應的補償虛功電流給微電網，以藉此讓變流器根據正規化電壓提供虛功給微電網進行正規化電壓的補償。

接著，進一步地說明本發明其中一實施例的電壓補償方法可達到的效能。請參照圖6A與圖6B，圖6A是未進行電壓補償之微電網的正規化電壓曲線的示意圖，以及圖6B是使用本發明實施例之電壓補償方法進行電壓補償之微電網的正規化電壓曲線與補償虛功電流曲線的示意圖。如圖6A所示，當微電網發生異常時，微電網的正規化電壓可能會跑到1.1pu或0.88pu，且分散電源會因此自微電網解併。於圖6B中，當微電網發生異常時，由於變流器會提供補償虛功電流至微電網，因此微電網的正規化電壓可以小於1.1pu或大於0.88pu，而不會使分散電源自微電網解併。

綜上所述，本發明實施例所提供的微電網、儲能系統與電壓補償方法能利用儲能系統的虛功對微電網的正規化電壓進行補償，以減少分散能元自微電網解併的機率，故能增加微電網的系統穩定度與安全性。再者，由於本發明實施例所提供的微電網、儲能系統與電壓補償方法是在微電網的正規化電壓超出特定範圍時，依據微電網的正規化電壓來決定要使用多少虛功補償微電網的正規化電壓，因此，本發明實施例所提供的微電網、儲能系統與電壓補償方法具有較高的電壓補償精確度、雙向補償功能與自動補償功能。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

Claims (8)

1. 一種電壓補償方法，用於補償微電網的正規化電壓，所述微電網包括與市電並聯且彼此並聯的儲能系統、分散電源以及負載，所述電壓補償方法包括：監控所述微電網的所述正規化電壓；判斷所述微電網的所述正規化電壓是否超出特定範圍；以及在所述微電網的所述正規化電壓超出所述特定範圍時，透過所述儲能系統的變流器依據所述微電網的所述正規化電壓提供補償的虛功給所述微電網；其中在所述微電網的所述正規化電壓超出所述特定範圍，且所述微電網的所述正規化電壓未小於等於0.9pu或大於等於1.1pu時，作為補償用的所述虛功係與所述微電網的所述正規化電壓呈現線性關係；當所述微電網的所述正規化電壓小於等於0.9pu或大於等於1.1pu時，作為補償用的所述虛功為所述特定比例的所述額定功率。
2. 根據請求項第1項所述之電壓補償方法，其中所述變流器被設計為最多僅拿特定比例的額定功率來作為補償用的所述虛功。
3. 根據請求項第2項所述之電壓補償方法，其中所述特定比例為50%。
4. 根據請求項第1項所述之電壓補償方法，其中所述特定範圍為0.95pu至1.05pu。
5. 一種儲能系統，包括：電壓量測單元，用以量測微電網的電壓； 控制單元，電性連接所述電壓量測單元，用以根據量測的所述微電網的所述電壓，計算出所述微電網的正規化電壓，以及判斷所述微電網的所述正規化電壓是否超出特定範圍；變流器，電性連接所述控制單元，其中在所述微電網的所述正規化電壓超出所述特定範圍時，所述控制單元依據所述微電網的所述正規化電壓控制所述變流器提供補償的虛功給所述微電網；其中，所述儲能系統、市電與所述微電網的分散電源以及負載並聯；其中，在所述微電網的所述正規化電壓超出所述特定範圍，且所述微電網的所述正規化電壓未小於等於0.9pu或大於等於1.1pu時，作為補償用的所述虛功係與所述微電網的所述正規化電壓呈現線性關係；當所述微電網的所述正規化電壓小於等於0.9pu或大於等於1.1pu時，作為補償用的所述虛功為所述特定比例的所述額定功率。
6. 根據請求項第5項所述之儲能系統，其中所述變流器被設計為最多僅拿特定比例的額定功率來作為補償用的所述虛功。
7. 一種微電網，包括：儲能系統，併聯於市電；分散電源，併聯於所述儲能系統；以及負載，併聯於所述分散電源；其中所述儲能系統用以執行如請求項第1至4項其中一項所述之電壓補償方法。
8. 根據請求項第7項所述之微電網，其中所述分散電源為再生能源的電源。