TWI464994B - 具無縫併網功能之分散式發電系統及使分散式發電系統無縫併網之方法 - Google Patents

Description

具無縫併網功能之分散式發電系統及使分散式發電系統無縫併網之方法

本發明係提供一種具無縫併網功能之分散式發電系統及使分散式發電系統無縫併網之方法。

因現今國際環保意識抬頭，使得大型集中式發電廠及輸配電線路的建設越來越困難，投資成本也越來越高。此情形下，為提高電能的使用效率，分散式發電系統之概念已被提出。其中，分散式發電系統係透過減少負載的用電量並降低電能在輸送中之損耗，使得用電效率與電力品質大為提升。而小型的分散式發電系統，諸如汽電共生發電系統、太陽能發電系統及風力發電系統等，併入市電系統運轉亦必將成為未來電力自由化發展之方向。

分散式發電系統主要由反流器產生交流電源以供應予負載。而分散式發電系統若於孤島運轉時欲與市電系統併聯，必須考慮同步操作之問題，否則將會使得反流器的輸出電壓、頻率與相位異於市電系統，而導致過大的暫態電流。故當分散式發電系統以孤島運轉與市電系統併聯時，必須將市電端電壓資訊回授至反流器做同步的控制，不但增加訊號擷取複雜度亦降低併聯電網的靈活度。

因此，發展一種可解決上述缺失之方法或裝置，實為目前迫切需要解決之問題。

據此，本發明係為解決前述習知技術的缺點，目的在於提供一種具無縫併網功能之分散式發電系統及使分散式發電系統無縫併網之方法，以達到分散式發電系統與市電系統間不需通訊連結，即可任意地使分散式發電系統與市電系統得以併聯運轉。

為實現本發明之目的，提供一種具無縫併網功能之分散式發電系統，係用以驅動負載。分散式發電系統可與市電系統選擇性地併網。分散式發電系統包含：反流器、濾波電路、感測電路及控制單元。反流器係用以將直流電壓轉換為三相交流電壓，並輸出三相電流。濾波電路係電連接於反流器之輸出端，用以對三相交流電壓濾波後輸出節點交流電壓。感測電路根據節點交流電壓及三相電流輸出電壓訊號及電流訊號。控制單元，與感測電路及反流器電連接，係接收電壓訊號及電流訊號並控制反流器，當三相電流之電流值未超過門檻電流值時，使反流器工作於下降控制模式，而當分散式發電系統與市電系統併網且三相電流之電流值超過門檻電流值時，使反流器工作於過渡模式，當反流器於過渡模式時，控制單元將控制三相電流之電流值為零，而經過預先設定之延遲時間後，使反流器由過渡模式切換為下降控制模式。

為實現本發明之另一目的，提供一種使分散式發電無縫併網之方法，包含：使分散式發電系統運作於孤島運轉模式，此時分散式發電系統中之反流器係工作於下降控制模式，且反流器係用以將直流電壓轉換為三相交流電壓，並輸出三相電流；根據三相交流電壓及三相電流輸出電壓訊號電流訊號；藉由表示門檻電流值之參考值，持續地比對電流訊號與參考值以指示三相電流之電流值是否超過門檻電流值；使分散式發電系統與市電系統進行併網，此時三相電流之電流值將會超過門檻電流值，則控制反流器由下降控制模式切換為過渡模式；當反流器工作於過渡模式，將控制三相電流之電流值為零，且啟動鎖相迴路以更新三相交流電壓之相位，經過預先設定之延遲時間之後，反流器由過渡模式切換為下降控制模式。

因此，本發明可使得分散式發電系統與市電系統間不需通訊連結，可任意地使分散式發電系統與市電系統得以併聯運轉，以達到無縫併網之功能，且提高了電路應用上的自由度。

以下，將配合參照附圖，對本發明的實施例進行說明。後續說明中，相同元件即便於不同附圖中，仍會指定相同之標號。並且，本發明的後續說明中，將省略涉及的習知功能與特徵，以避免與本發明之標的混淆。

此外，在本發明描述元件時，雖使用例如：第一、第二、A、B、(a)、(b)或其他相似之用語及標號。此些用語皆非用以定義對應元件的本質、次序或排列，而僅用於與其他元件區別。請注意於通篇說明書中，描述一元件“結合”、“連接”、“接合”至另一元件，第一元件雖可能直接“結合”、“連接”、“接合”至第二元件，然亦表示可能存在第三元件“結合”、“連接”、“接合”於第一、第二元件之間。

請參照第1圖與第2圖。第1圖係繪示根據本發明實施例之具無縫併網功能之分散式發電系統於第一模式之電路方塊圖；第2圖係繪示根據本發明實施例之具無縫併網功能之分散式發電系統與市電系統併網於第二模式之電路方塊圖。如第1圖所示，具無縫併網功能之分散式發電系統100包含反流器101、濾波電路102、感測電路103及控制單元104。反流器101係用以將直流電壓V_dc 轉換為三相交流電壓V_ac1 ，並輸出三相電流I_ac1 以驅動負載200。由分散式發電系統100供電予負載200時，分散式發電系統100係運作於孤島運轉模式(islanding operation)，亦即第一模式，而於此實施例中，分散式發電系統100可透過開關300與市電系統400併網，即分散式發電系統100可由孤島運轉模式轉換為市電併網模式，亦即第二模式。於此實施例中，開關300可為但不限為固態開關。濾波電路102係用以將三相交流電壓V_ac1 轉換為節點交流電壓V_acn 。感測電路103係接收三相交流電壓V_ac1 及三相電流I_ac1 並輸出電壓訊號V_s 及電流訊號I_s 。感測電路103更根據直流電壓V_dc 而輸出直流電壓訊號V_dcs 。

控制單元104係與反流器101及感測電路103電連接，並用以控制反流器101，於此實施例中，控制單元104係接收電壓訊號V_s 、電流訊號I_s 及直流電壓訊號V_dcs 。於此實施例中，控制單元104包含：比對單元1041、第一控制器1042、第二控制器1043、模式訊號單元1044及鎖相迴路1045。比對單元1041係接收電壓訊號V_s 及電流訊號I_s 。於此實施例中，比對單元1041具有表示門檻電流值之參考值，且係藉由持續地比對電流訊號I_s 與參考值以指示三相電流I_ac1 之電流值是否超過門檻電流值。第一控制器1042及第二控制器1043係用以控制反流器組之工作模式，於此實施例中，第一控制器1042可為下降控制器，第二控制器1043可為過渡控制器。

而當分散式發電系統100運作於孤島運轉模式時，三相電流I_ac1 之電流值並不會超過門檻電流值，故模式訊號單元1044將控制第一控制器1042輸出下降控制訊號V₁ 至反流器101，使反流器101工作於下降控制模式。於本實施例中，下降控制模式之目的主要為協調複數組分散式發電系統100中之反流器101之併聯運轉時的實、虛功率輸出，並使得各分散式發電系統100中之反流器101之間無須通訊連結。

於此實施例中，每組分散式發電系統100中之反流器101之下降控制公式可以表示為：

ω_i =ω_o -m_i (P_oi -P_i )

E_i =E_o -n_i (Q_oi -Q_i )

其中，下標i代表每組分散式發電系統100中之反流器101之編號、m_i 為實功率下降控制係數、n_i 為虛功率下降控制係數、P_oi 為額定輸出實功、Q_oi 為額定輸出虛功、ω_o 為額定頻率、E_o 為額定電壓大小。調整輸出實功率是由調整角頻率來達成，調整輸出虛功率是由調整電壓振幅來達成。

當分散式發電系統100與市電系統400併網時，可藉由直接選定每組分散式發電系統100中之反流器101下降控制模式時的下降控制係數，使其與分散式發電系統100中之反流器101輸出額定實功成反比，如下列公式所示：

-m₁ P₀₁ =-m₂ P₀₂ =…=-m_i P_0i

P₁ /P_o1 =P₂ /P_o2 =…=P_i /P_oi

如此一來，每組分散式發電系統100中之反流器101輸出功率即與其額定輸出功率成正比，故可使每組分散式發電系統100中之反流器101達到協調輸出功率之目的。故下降控制模式可使得每組分散式發電系統100中之反流器101之間無須通訊連結，即可協調併聯運轉時的實、虛功率輸出。

但由於分散式發電系統100與市電系統400併網時，三相交流電壓V_ac1 之相位將異於市電系統400所輸出之市電電壓V_ac2 ，而此誤差將會造成三相電流I_ac1 之電流值過高，過高的電流值將會造成電路不正常動作或損壞。而當比對單元1041比對到三相電流I_ac1 之電流值超過門檻電流值時，模式訊號單元1044將控制第二控制器1043輸出過渡訊號V₂ 至反流器101，使得反流器101工作於過渡模式，此時負載200係由市電系統400所驅動。

而控制單元104於反流器101為過渡模式時將啟動鎖相迴路1045，且當反流器101工作於過渡模式時，控制單元104將控制使三相電流I_ac1 之電流值為零，由於三相電流I_ac1 之電流值為零，故代表節點交流電壓V_acn 與市電電壓V_ac2 之間無電位及相位差，即藉由使三相電流I_ac1 之電流值控制為為零，可使節點交流電壓V_acn 與市電電壓V_ac2 之相位相同。此時，感測電路103將根據與市電電壓V_ac2 之相位相同之節點交流電壓V_acn 輸出電壓訊號V_s ，鎖相迴路1045係基於此電壓訊號V_s 更新第一控制器1042所需之相位。經過預先設定之一段延遲時間後，模式訊號單元1044將控制第一控制器1042輸出下降控制訊號V₁ ，以控制反流器101將由過渡模式切換為下降控制模式，此時，負載200即由分散式發電系統100及市電系統400共同驅動，而完成無縫併網。

於此實施例中，鎖相迴路1045是一種用以調整電壓相位之方法，利用同步框轉換之計算將電壓轉換至同步參考框架下，產生實軸(q-axis)與虛軸(d-axis)，其中實軸代表同相位之量，虛軸代表正交之量，若鎖相迴路1045產生之相位與目標電壓相位相同，則代表正交量為零(即虛軸為零)，因此若將同步參考框架下虛軸之量控制為零，則鎖相迴路1045產生之相位便與目標電壓相位完全相同。

於本實施例中，控制單元104更包含反流器開關切換單元1047，反流器開關切換單元1047係依據直流電壓訊號V_dcs 控制反流器101是否作動，用以保護反流器101。而於一些實施例中，當反流器101由過渡模式切換為下降控制模式時，更新後之節點交流電壓V_acn 之相位將與市電電壓V_ac2 之相位仍有些許誤差，此誤差將會導致暫態環流之產生，故控制單元104將藉由電壓控制之方法啟動虛擬電感1046，使得電路中多了阻抗而得以抑制暫態環流。

因此，藉由將反流器101切換成過渡模式，並控制三相電流I_ac1 之電流值為零，再透過鎖相迴路1045更新第一控制器1042所需之相位後，可使得分散式發電系統100與市電系統400間不需通訊連結，可任意地使分散式發電系統100與市電系統400得以併聯運轉，以達到無縫併網之功能，且提高了電路應用上的自由度。

請參照第3圖並配合第1圖及第2圖，第3圖係繪示根據本發明實施例之市電系統與分散式發電系統併網時之電壓相位波形圖。於此實施例中，反流器101所輸出之三相交流電壓V_ac1 之波形為方波且具雜訊，濾波電路102主要為將三相交流電壓V_ac1 進行濾波而得到波形為弦波且不具雜訊之節點交流電壓V_acn ，而三相交流電壓V_ac1 係與節點交流電壓V_acn 具有相同之振幅及波形。另外，在三相平衡系統中，若欲控制三相系統的成份，必須將每一相位獨立控制，因此，於本說明中僅以節點交流電壓V_acn 之第一相位電壓V_acna 及市電電壓V_ac2 之第一相位電壓V_ac2a 表示。如第3圖所示，於初始時間t₀ 時，節點交流電壓V_acn 之第一相位電壓V_acna 之相位異於市電電壓V_ac2 之第一相位電壓V_ac2a ，而分散式發電系統100與市電系統400第一時間t₁ 進行併網，但由於相位之差異將會使得三相電流I_ac1 之電流值超過門檻電流值。

而當三相電流I_ac1 之電流值超過門檻電流值時，故控制單元104控制反流器101進入過渡模式，並使得反流器101所輸出之三相電流I_ac1 之電流值為零，再透過鎖相迴路1045更新三相交流電壓V_ac1 之相位，並藉由濾波電路102輸出一新的節點交流電壓V_acn 之第一相位V_acna ，經過預定之一段延遲時間後，即第二時間t₂ 時，控制單元104將控制反流器101切換成下降控制模式，且反流器101將重新開始輸出三相電流I_ac1 ，於此同時，控制單元104將啟動虛擬電感1046以抑制因為節點交流電壓V_acn 之相位與市電電壓V_ac2 相位仍然存在些許相位差而造成的暫態電流。此時，負載200即由分散式發電系統100及市電系統400共同驅動。而三相交流電壓V_ac1 之另兩相位電壓之調整方式如上，故不再贅述。

請參照第4圖並配合第1圖及第2圖，第4圖係繪示根據本發明實施例之使分散式發電系統無縫併網之方法流程圖。如第3圖所示，使分散式發電無縫併網之方法包含步驟301~步驟306。

於步驟301，使分散式發電系統100運作於孤島運轉模式，此時分散式發電系統100中之反流器101係由控制單元104中之第一控制器1042之控制而工作於下降控制模式，用以將直流電壓V_dc 轉換為三相交流電壓V_ac1 ，並輸出三相電流I_ac1 。此時，負載200係由分散式發電系統100驅動。

於步驟302，使分散式發電系統100中之感測電路103係接收三相交流電壓V_ac1 及三相電流I_ac1 而輸出電壓訊號V_s 及電流訊號I_s 。

於步驟303，使分散式發電系統100中之控制單元104中之比對單元1041接收電壓訊號V_s 及電流訊號I_s ，其中，比對單元1041具有表示門檻電流值之參考值，藉由持續地比對並基於電流訊號I_s 與參考值以指示三相電流I_ac1 之電流值是否超過門檻電流值。

於步驟304，使分散式發電系統100與市電系統400進行併網，此時三相電流I_ac1 之電流值將會超過門檻電流值，而控制單元104中之模式訊號單元1044將會輸出過渡訊號V₂ 至第二控制器1043，使第二控制器1043控制反流器101由下降控制模式切換為過渡模式。此時，負載200係由市電系統400驅動。

於步驟305，當反流器101工作於過渡模式，控制單元104將控制三相電流I_ac1 之電流值為零，且控制單元104亦將啟動鎖相迴路1045，鎖相迴路1045係基於電壓訊號V_s 以更新三相交流電壓V_ac1 之相位，使濾波電路102對更新之三相交流電壓V_ac1 進行濾波後輸出一新的節點交流電壓V_acn ，經過預先設定之一延遲時間之後，使反流器101由過渡模式切換為下降控制模式。於一些實施例中，此時控制單元104將啟動虛擬電感1046以抑制因為節點交流電壓V_acn 之相位與市電電壓V_ac2 相位仍然存在些許相位差而造成的暫態電流。

因此，藉由將反流器101切換成過渡模式，並控制三相電流I_ac1 之電流值為零，再透過鎖相迴路1045更新第一控制器1042所需之相位後，可使得分散式發電系統100與市電系統400間不需通訊連結，可任意地使分散式發電系統100與市電系統400得以併聯運轉，以達到無縫併網之功能，且提高了電路應用上的自由度。

綜上所述，本發明所述之具無縫併網功能之分散式發電可藉由下降控制方式使得反流器與反流器之間無需通訊連接，即可協調反流器於併聯運轉時的實、虛功率。另外，在分散式發電系統與市電系統併網瞬間，由過渡模式中的零電流控制抑制由於相位差所造成之過大的暫態電流，同時由鎖相迴路更新電壓相位，並且於分散式發電系統中設置虛擬電感以改善控模式轉換瞬間所造成的暫態環流，以達到分散式發電可隨時與市電系統併網或退出，增加電路應用之自由度。

此外，在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的“包括”、“包含”和“具有”係為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定於”。所引用的許多技術性與科技的辭彙來指稱特定元件，所屬領域中具有通常知識者應可理解。若說明書中未明確定義所述用語，通常使用的術語定義可依字典闡釋的意義，建構並等同其上下文中的相關描述，無應受限於字典內典範或過度制式化的意涵。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

100．．．分散式發電系統

101．．．反流器

102．．．濾波電路

103．．．感測電路

104．．．控制單元

1041．．．比對單元

1042．．．第一控制器

1043．．．第二控制器

1044．．．模式訊號單元

1045．．．鎖相迴路

1046．．．虛擬電感

1047．．．反流器開關切換單元

200．．．負載

300．．．開關

400．．．市電系統

V_dc ．．．直流電壓

I_ac1 ．．．三相電流

V_ac1 ．．．三相交流電壓

V_ac2 ．．．市電電壓

V_acn ．．．節點交流電壓

V_dcs ．．．直流電壓訊號

V_s ．．．電壓訊號

I_s ．．．電流訊號

V₁ ．．．下降控制訊號

V₂ ．．．過渡訊號

V_acna ．．．節點交流電壓之第一相位電壓

V_ac2a ．．．市電電壓之第一相位電壓

步驟301~步驟305

為能明確地闡釋本發明前述目的、特徵及優點，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細說明：

第1圖係繪示根據本發明實施例之具無縫併網功能之分散式發電系統於第一模式之電路方塊圖；

第2圖係繪示根據本發明實施例之具無縫併網功能之分散式發電系統與市電系統併網於第二模式之電路方塊圖；

第3圖係繪示根據本發明實施例之市電系統與分散式發電系統併網時之電壓相位波形圖；

第4圖係繪示根據本發明實施例之使分散式發電系統無縫併網之方法流程圖。

100．．．分散式發電系統

101．．．反流器

102．．．濾波電路

103．．．感測電路

104．．．控制單元

1041．．．比對單元

1042．．．第一控制器

1043．．．第二控制器

1044．．．模式訊號單元

1045．．．鎖相迴路

1046．．．虛擬電感

1047．．．反流器開關切換單元

200．．．負載

300．．．開關

400．．．市電系統

V_dc ．．．直流電壓

I_ac1 ．．．三相電流

V_ac1 ．．．三相交流電壓

V_ac2 ．．．市電電壓

V_acn ．．．節點交流電壓

V_dcs ．．．直流電壓訊號

V_s ．．．電壓訊號

I_s ．．．電流訊號

V₁ ．．．下降控制訊號

V₂ ．．．過渡訊號

Claims (8)

1. 一種具無縫併網功能之分散式發電系統，係用以驅動一負載，該分散式發電系統可與一市電系統選擇性地併網，其中該系統包含：一反流器，用以將一直流電壓轉換為一三相交流電壓，並輸出一三相電流；一濾波電路，係電連接於該反流器之輸出端，用以對該三相交流電壓濾波後輸出一節點交流電壓；一感測電路，根據該節點交流電壓及該三相電流輸出一電壓訊號及一電流訊號；以及一控制單元，與該感測電路及該反流器電連接，係接收該電壓訊號及該電流訊號並控制該反流器，當該三相電流之電流值未超過一門檻電流值時，使該反流器工作於一下降控制模式，而當該分散式發電系統與該市電系統併網且該三相電流之電流值超過該門檻電流值時，使該反流器工作於一過渡模式，當該反流器於該過渡模式時，該控制單元將控制該三相電流之電流值為零，而經過預先設定之一延遲時間後，使該反流器由該過渡模式切換為該下降控制模式。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具無縫併網功能之分散式發電系統，其中該分散式發電系統尚包含一固態開關用於與該市電系統選擇性地連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具無縫併網功能之分散式發電系統，其中該控制單元包含：一比對單元，具有表示該門檻電流值之一參考值，持續地比對該電流訊號與該參考值以指示該三相電流之電流值是否超過該門檻電流值； 一第一控制器及一第二控制器，係用以控制該反流器之工作模式；一模式訊號單元，用以控制該第一控制器及該第二控制器，當該三相電流之電流值未超過該門檻電流值時，該模式訊號單元將控制該第一控制器輸出一下降控制訊號至該反流器，使該反流器工作於一下降控制模式，而當該分散式發電系統與該市電系統併網，且該比對單元指示該三相電流之電流值超過該門檻電流值時，該模式訊號單元將控制該第二控制器輸出一過渡訊號至該反流器，使該反流器工作於一過渡模式；以及一鎖相迴路，係基於該電壓訊號更新該第一控制器之相位。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具無縫併網功能之分散式發電系統，其中當該反流器由該過渡模式切換為該下降模式時，該控制單元更啟動一虛擬電感，用以抑制模式切換間所產生之一暫態環流。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具無縫併網功能之分散式發電系統，其中該感測電路更根據該直流電壓輸出一直流電壓訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具無縫併網功能之分散式發電系統，其中該控制單元更包含一反流器開關切換單元，該反流器開關切換單元係依據該直流電壓訊號控制該反流器是否作動。
7. 一種使分散式發電無縫併網之方法，包含：使該分散式發電系統運作於孤島運轉模式，此時該分散式發電系統中之一反流器係工作於一下降控制模式，且該反流器 係用以將一直流電壓轉換為一三相交流電壓，並輸出一三相電流；根據該三相交流電壓及該三相電流輸出一電壓訊號一電流訊號；藉由表示該門檻電流值之一參考值，持續地比對該電流訊號與該參考值以指示該三相電流之電流值是否超過該門檻電流值；使該分散式發電系統與一市電系統進行併網，此時該三相電流之電流值將會超過該門檻電流值，則控制該反流器由該下降控制模式切換為一過渡模式；以及當該反流器工作於該過渡模式，將控制該三相電流之電流值為零，且啟動一鎖相迴路以更新該三相交流電壓之相位，經過預先設定之一延遲時間之後，該反流器由該過渡模式切換為該下降控制模式。
8. 如申請專利範圍第7項所述之使分散式發電具無縫併網功能之方法，其中當該反流器由該下降控制模式切換為該過渡模式時，更啟動一虛擬電感以抑制模式切換間所產生之一暫態環流。