TWI418809B - Isolation operation detection method for mains voltage control type electric energy converter - Google Patents
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Description
本發明係關於一種市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，尤其是指一種僅在分散式發電系統所產生之電能與總負載所消耗之電能平衡或電力系統故障時，才對電壓控制式電能轉換器之輸出電壓進行擾動，以判斷是否發生孤島運轉之偵測方法。
小型發電系統或再生能源發電系統(如太陽能發電、風力發電、燃料電池發電等)，可視之為一分散式發電系統，這些分散式發電系統可被併聯至市電電源系統，以供電至負載。由於分散式發電系統與市電電源系統併聯運作時，必須有相關的保護機制，以確保運作時的安全性，其中「孤島運轉偵測」即是其中一種必要之保護機制。孤島運轉偵測係在市電電源系統因故障或維護等原因而切離時，分散式發電系統持續供電而形成，此孤島運轉現象將嚴重危害維修市電電源系統人員的安全與損壞電力設備。
因此，以下係簡略說明數件針對偵測孤島運轉的相關專利文獻。中華民國發明專利公告第I278635號係揭露一種主動式的「孤島偵測方法」，其利用對電力系統進行擾動，需要一高解析度之量測設備以偵測系統電壓頻率和大小之變動，再比較其前後差異並調整函數以決定一調整量，作為下次加入一微量之輸出電流頻率或是相位的變化量，再依系統電壓大小與系統電壓頻率來判斷是否發生孤島運轉。但此方法需對電力系統持續擾動，其有影響電力品質之缺點，且需高解析度量測設備，導致量測成本增加。
又如美國專利第7,275,002號(Islanding detection and protection method)，係揭露一種利用改變負相序電壓量來擾動電力系統，偵測系統電壓頻率之變化來判定是否發生孤島運轉，當電力系統斷電產生孤島運轉時，因注入負相序電壓，故使系統電壓產生頻率漂移，利用正迴授方式加快系統電壓頻率之漂移量，因而偵測出發生孤島運轉。但此方法需改變負相序電壓量來持續擾動電力系統，故只適用於三相電力系統，且對電力系統持續擾動，故亦影響到電力品質。
再如美國專利第7,106,564號(Devices and methods for detecting islanding operation of a static power source)，係先利用一電能轉換器與市電電壓鎖相，而電能轉換器所產生之電壓頻率與市電電壓頻率有些微的變化，並判斷此次電壓頻率與上次電壓頻率之變化量，若沒大於最小頻率變化量時，表示市電正常，則每週期將重新改變電能轉換器輸出電壓頻率；反之，若此次電壓頻率與上次電壓頻率變化量大於最小頻率變化量之設定值時，將會累積頻率變化量，將下次輸出電壓頻率變動量與上次相加，再次偵測市電頻率是否正常，若市電頻率超出正常值範圍時，表示發生孤島運轉。但此方法同樣是對電力系統持續擾動，故會影響到電力品質。
由於目前已知的主動式孤島運轉偵測方法，皆需要對電力系統進行持續性地擾動，故會影響電力系統之電力品質，有鑑於此，本發明之主要目的係提供一種市電併聯型電壓控制電能轉換器之孤島運轉偵測方法，在電力系統正常且分散式發電系統所產生之電能與總負載所消耗之電能不平衡時，電壓控制式電能轉換器之輸出電壓並不會對電力系統進行擾動；反之，只有在分散式發電系統所產生之電能與總負載所消耗之電能平衡或電力系統故障時，電壓控制式電能轉換器之輸出電壓才會對電力系統進行擾動，以判斷是否發生孤島運轉。
為達成前述目的，本發明市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法係包含：將一分散式發電系統連接至一市電電源，並供電給一負載，該分散式發電系統包含有一直流電源及一電壓控制式電能轉換器，其提供一基本實功率至該市電電源；若市電電源之市電電壓與電壓控制式電能轉換器之輸出電壓相減後之值其絕對值大於一預先設定誤差值，則判定該市電電源為正常，令一孤島偵測擾動信號設定為零，該電壓控制式電能轉換器輸出電壓不產生孤島偵測擾動；及若該市電電源端電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓相減後之值其絕對值小於該預先設定誤差值，令該電壓控制式電能轉換器產生一孤島偵測擾動信號，並重新偵測該市電電源端電壓與該電壓控制式電能轉換器輸出電壓並相減後取其絕對值，再次判斷該絕對值是否仍小於該預先設定誤差值，若該絕對值仍小於該預先設定誤差值，即判斷為發生孤島運轉現象，並將該市電電源與分散式發電系統解聯。
本發明之另一目的係提供
一種市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，係應用於具有一市電電源、一分散式發電系統及一負載之電力系統，該市電電源經由一第一電磁開關與一連結電感串聯並連接至該負載，該分散式發電系統則經由一第二電磁開關連接該負載且包含有一直流電源與一電壓控制式電能轉換器，該方法包含：
a.偵測該市電電源之市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓；
b.將該市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓相減並取其絕對值，判斷該絕對值是否大於一預先設定誤差值；
c.若該絕對值大於該預先設定誤差值，則將一孤島偵測擾動信號設定為零，並控制該第一電磁開關與第二電磁開關閉合，使市電電源及分散式發電系統與該負載連接，並回歸前述步驟a；
d.若該絕對值小於該預先設定誤差值，將孤島偵測擾動信號設定不為零，並再次重新偵測該市電電源之市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓；
e.重新將該市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓相減，並對兩者之差值取其絕對值，判斷該絕對值是否仍大於該預先設定誤差值；
f.若該絕對值大於該預先設定誤差值，係執行前述步驟c；
g.若該絕對值小於該預先設定誤差值，係判定為發生孤島運轉，並控制該第一電磁開關與第二電磁開關打開，令市電電源及分散式發電系統與該負載斷離。
藉由前述技術手段，本發明於市電電源正常供電而分散式發電系統所產生之電能和負載所消耗總電能未達到平衡時，該電壓控制式電能轉換器不會加入一孤島偵測擾動信號，以維持良好的供電品質，保持較低總諧波失真率。
實際上，發生該分散式發電系統所產生電能與負載總消耗之電能達到功率平衡之機會極少，且發生之時間甚短，因此本發明所提出之孤島運轉偵測方法不但能準確偵測出孤島運轉，且不需要持續擾動電壓控制式電能轉換器之輸出電壓，所以可大幅減少擾動分散式發電系統之時間與次數，以維持良好的供電品質。
再者，市電電源異常時時，電壓控制式電能轉換器透過輸出電壓擾動，亦可有效的判斷出是否發生孤島運轉現象。
請參考第一圖所示，本發明係應用於此電源系統架構，該電源系統主要包含一市電電源(10)、一分散式發電系統(20)、一負載(30)、一第一電磁開關(40)、一第二電磁開關(50)及一連結電感(60)。其中分散式發電系統(20)包含一直流電源(21)與一電壓控制式電能轉換器(22)，該市電電源(10)經由該第一電磁開關(40)及連結電感(60)串連而連接至該負載(30)，該分散式發電系統(20)則經由該第二電磁開關(50)連接至該負載(30)。
本發明所提出孤島運轉偵測方法之技術特點除了有效偵測出孤島運轉以外，與其它主動式偵測孤島運轉方法最大不同即在於，當市電電源(10)正常且有能量進出市電電源(10)時，分散式發電系統(20)並不會對電力系統進行擾動，可提高整體電力品質；反之，本發明之孤島偵測技術只有在市電電源(10)斷電或當分散式發電系統(20)所產生之電能恰巧等於該負載(30)所消耗電能時，才會於電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓加入一孤島偵測擾動信號△V來判斷是否發生孤島運轉，其基本原理說明如下：本發明分散式發電系統之孤島運轉偵測方法係由該電壓控制式電能轉換器(22)所實現，請參考第二圖所示為該電壓控制式電能轉換器(22)之控制方塊，該電壓控制式電能轉換器(22)為一電壓控制式直流/交流電能轉換器，其輸出電壓之參考信號經由計算而得到。若市電電壓可表示為：
v s
(t
)=V s
sin(ωt
) (1)
期望該電壓控制式電能轉換器(22)之控制使市電電源之市電電流為純弦波，且功率因數達到單位功因，則市電電流可表示為
i s
(t
)=±I s 1
sin(ωt
) (2)
在第(2)式中，+I s 1
定義為該市電電流與市電電壓同相位，而實功電力潮流從市電電源(10)經由連結電感(60)流向電壓控制式電能轉換器(22)。相對的，-I s 1
定義為市電電流與市電電壓相位相反(互差180度)，實功電力潮流從電壓控制式電能轉換器(22)經由連結電感(60)流入市電電源(10)中。因此電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
可表示為：
從第(3)式中可知，不論實功之電力潮流方向為何，連結電感(60)兩端電壓與市電電壓皆相互垂直，故稱連結電感(60)兩端電壓為一垂直電壓，電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
可從市電電壓減去該垂直電壓來獲得。市電電壓可由一第一電壓檢出器(705)直接量測得到，而連結電感(60)兩端電壓之相位也已經確認固定，因此尚未確認之參數為該連結電感(60)之兩端電壓振幅大小。從第(3)式中，連結電感(60)端電壓之振幅與流經市電電流之振幅成比例，而市電電源(10)實功之電力潮流大小又與市電電流振幅大小成比例，故該連結電感(60)端電壓之振幅將決定市電電源(10)實功之電力潮流大小。
根據第(3)式中可看出，市電電壓減去連結電感(60)端電壓即可獲得電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
之參考信號，其中，市電電壓可由該第一電壓檢出器(705)直接偵測獲得，而連結電感(60)端電壓為一純弦波電壓，並且與市電電壓相互垂直。
偵測到的市電電壓經由一帶通濾波器(706)處理，該帶通濾波器(706)之中心頻率與市電電壓基本波頻率相同，目的是為了濾除市電電壓中所含之諧波成份。帶通濾波器(706)之輸出經由一相移電路(707)產生一落後90度之電壓信號輸出，而相移電路(707)所產生之電壓波形就是該連結電感(60)端電壓之波形。為了避免以複雜的運算方式來計算負載(30)所消耗的實功量與該分散式發電系統(20)所產生之實功量，藉由調整電壓控制式電能轉換器(22)之一直流匯流排電壓(23)可獲取該連結電感(60)端電壓之振幅。
利用一第二電壓檢出器(700)偵測電壓控制式電能轉換器(22)之直流匯流排電壓(23)，利用一減法器(701)將直流匯流排電壓(23)減掉一直流匯流排設定電壓，其所產生之誤差信號再送往一比例積分控制器(702)，該直流匯流排設定電壓是考慮於穩態時，該電壓控制式電能轉換器(22)所需之直流匯流排電壓(23)大小而設定。本發明在發生孤島運轉時會產生一孤島偵測擾動信號ΔV
，此孤島偵測擾動信號即第二圖所示之孤島偵測擾動信號ΔV
，若市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
相減後之值取其絕對值，若該絕對值大於一預先設定誤差值時，則該孤島偵測擾動信號ΔV
為零；反之，若市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
相減後之值其絕對值小於預先設定誤差值時，即輸出孤島偵測擾動信號ΔV
。
此孤島偵測擾動信號ΔV
藉由一加法器(704)與比例積分控制器(702)之輸出信號相加，該加法器(704)之輸出為連結電感(60)端電壓之振幅大小。相移電路(707)之輸出信號與連結電感(60)端電壓之振幅信號經由一乘法器(708)相乘，以獲得連結電感(60)端電壓。
將乘法器(708)輸出之連結電感(60)端電壓與市電電源(10)經由該第一電壓檢出器(705)檢測出之電壓信號一併輸入至一減法器(709)相減，以獲得一參考信號，再將此參考信號與經由一第三電壓檢出器(710)對該電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓檢測所獲得之電壓信號利用一減法器(711)相減，減法器(711)所獲得的誤差信號送至一波形控制器(712)，將波形控制器(712)輸出信號輸入至一脈寬調變及驅動電路(713)以驅動電壓控制式電能轉換器(22)之電力電子開關。
請參考第三圖所示，為本發明之孤島運轉偵測方法流程圖，其主要步驟如下：偵測市電電源(10)之市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
(81)；判斷市電電源(10)之市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
相減後之值其絕對值是否大於一預先設定誤差值Verr(82)；若市電電源(10)之市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
相減後之值其絕對值大於該預先設定誤差值Verr時，則連結電感(60)端電壓將不會被改變，此時，孤島偵測擾動信號△V設定為零，第一與第二電磁開關(40)(50)閉合(86)，電壓控制式電能轉換器(22)不產生電壓擾動信號並持續運轉；反之，若市電電源(10)之市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
相減後之值其絕對值小於該預先設定誤差值Verr時，則孤島偵測擾動信號ΔV
不等於零(83)，此將會加入垂值電壓之振幅，而該預先設定誤差值Verr是為了避免量測上的誤差，其值非常小但不等於零，因此，將孤島偵測擾動信號ΔV
加入連結電感(60)端電壓之振幅；重新偵測市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
(84)；判斷市電電源(10)之市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
相減後之值其絕對值是否大於該預先設定誤差值Verr(85)；若市電電源(10)之市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
相減後之值其絕對值大於預先設定誤差值Verr時，表示目前市電電源(10)正常，只是分散式發電系統(20)所產生之電能恰巧與負載所消耗的總電能相等，因此，孤島偵測擾動信號ΔV
設定為零，第一與第二電磁開關(40)(50)維持閉合(86)，電壓控制式電能轉換器(22)輸出不產生電壓擾動並持續運轉；反之，經由加入不等於零之孤島偵測擾動信號ΔV
後，若市電電源(10)之市電電壓Vs與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓V C
相減後之值其絕對值仍然小於該預先設定誤差值Verr時，表示偵測出該分散式發電系統(20)正處於孤島運轉中，因此將第一與第二電磁開關(40)(50)打開(87)，使分散式發電系統(20)切離市電電源(10)，並切離負載(30)，停止系統運轉。
本發明所提出的孤島運轉偵測方法係在該連結電感(60)端電壓幾乎等於零的時候，加入一不等於零之電壓振幅擾動量ΔV
以破壞整體系統功率平衡，如果市電電壓與電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓其壓差仍小於一預先設定誤差值Verr時，將可偵測出發生孤島運轉，此也表示經過垂直電壓一振幅擾動量來破壞實功平衡後，介於市電電源(10)與電壓控制式電能轉換器(22)間之連結電感(60)依然沒有電流流動。因此，本發明所提出之孤島偵測方法在最困難偵測的情況下，依然能有效偵測出孤島運轉。
相較於傳統主動式孤島運轉偵測方法，本發明所提出孤島運轉偵測方法之優點在於當市電電源(10)正常供電而分散式發電系統(20)所產生之電能和負載(30)所消耗總電能未達到平衡時，該電壓控制式電能轉換器(22)並不會加入孤島偵測擾動信號，因此不會對市電電源(10)產生擾動，使市電電流波形可達到近似正弦波，並且與市電電壓同相位或相位相反(相差180度)，故不會為了偵測孤島運轉而影響電力品質。因此，本發明所提出之孤島運轉偵測方法，於市電電源(10)正常供電而分散式發電系統(20)所產生之電能和負載(30)所消耗總電能未達到平衡時，並無加入任何孤島偵測擾動信號，市電電流可一直保持較低總諧波失真率。
實際應用上，發生分散式發電系統(20)所產生電能與負載(30)總消耗之電能達到功率平衡之機會極少，且發生之時間甚短，因此本案所提出孤島運轉偵測方法不但能準確偵測出孤島運轉，且不需要持續擾動電壓控制式電能轉換器(22)之輸出電壓，分散式發電系統(20)將會大幅減少擾動之時間與次數。
以上所述者，皆僅為本發明之較佳實施例而已，並非用限定本發明實施之範圍。即凡依本發明之申請專利範圍由熟悉本案背景技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，皆不脫離如申請專利範圍所欲保護者，而為本發明專利範圍所涵蓋。
(10)．．．市電電源
(20)．．．分散式發電系統
(21)．．．直流電源
(22)．．．電壓控制式電能轉換器
(23)．．．直流匯流排電壓
(30)．．．負載
(40)．．．第一電磁開關
(50)．．．第二電磁開關
(60)．．．連結電感
(700)．．．第二電壓檢出器
(701)．．．減法器
(702)．．．比例積分控制器
(704)．．．加法器
(705)．．．第一電壓檢出器
(706)．．．帶通濾波器
(707)．．．相移電路
(708)．．．乘法器
(709)．．．減法器
(710)．．．第三電壓檢出器
(711)．．．減法器
(712)．．．波形控制器
(713)．．．脈寬調變及驅動電路
第一圖：本發明市電電源系統與分散式發電系統架構圖。
第二圖：結合本發明分散式發電系統之孤島運轉偵測發方法之電壓控制式電能轉換器其控制方塊圖。
第三圖：本發明孤島運轉偵測方法之流程圖。
Claims (7)
- 一種市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，包含：將一分散式發電系統連接至一市電電源，並供電給一負載，該分散式發電系統包含有一直流電源及一電壓控制式電能轉換器，其提供一基本實功率至該市電電源；若市電電源之市電電壓與電壓控制式電能轉換器之輸出電壓相減後之值其絕對值大於一預先設定誤差值，則判定該市電電源為正常，令一孤島偵測擾動信號設定為零，該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓不產生孤島偵測擾動；及若市電電源之市電電壓與電壓控制式電能轉換器之輸出電壓相減後之值之值其絕對值小於該預先設定誤差值，令一孤島偵測擾動信號不等於零，該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓產生孤島偵測擾動，再重新偵測市電電源之市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓並取其相減後之值其絕對，再次判斷該相減後之值其絕對值是否仍小於該預先設定誤差值，若該相減後之值其絕對值仍是小於該預先設定誤差值，即判斷為發生孤島運轉現象，並將該市電電源與分散式發電系統解聯。
- 如申請專利範圍第1項所述市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，其中該孤島偵測擾動信號係擾動一連結電感之端電壓，該連結電感連接於該市電電源與該電壓控制式電能轉換器之間。
- 如申請專利範圍第2項所述市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，其中該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓係根據一參考信號而決定。
- 如申請專利範圍第3項所述市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，其中該參考信號係由一市電電壓減去一連結電感端電壓而得。
- 如申請專利範圍第4項所述市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，該連結電感端電壓係為一正弦信號，其與該市電電源之市電電壓垂直。
- 如申請專利範圍第1項所述市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，當該市電電源為正常時，利用該電壓控制式電能轉換器控制使該分散式發電系統可送回一純正弦波電流，該純正弦波電流與該市電電源之電壓同頻率與同相位或相位相反(相差180度)。
- 一種市電併聯型電壓控制式電能轉換器之孤島運轉偵測方法，係應用於具有一市電電源、一分散式發電系統及一負載之電力系統，該市電電源經由一第一電磁開關與一連結電感串聯而連接至該負載，該分散式發電系統則經由一第二電磁開關連接該負載且包含有一直流電源及一電壓控制式電能轉換器，該方法包含：a.偵測該市電電源之市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓；b.將該市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓相減並對兩者之差值取其絕對值，判斷該絕對值是否大於一預先設定誤差值；c.若該絕對值大於該預先設定誤差值，係將一孤島偵測擾動信號設定為零，並控制該第一電磁開關與第二電磁開關閉合，使市電電源及分散式發電系統與該負載連接，並回歸前述步驟a；d.若該絕對值小於該預先設定誤差值，將孤島偵測擾動信號設定不為零，並再次重新偵測該市電電源之市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓；e.重新將該市電電壓與該電壓控制式電能轉換器之輸出電壓相減，並對兩者之差值取其絕對值，判斷該絕對值是否仍大於該預先設定誤差值；f.若該絕對值大於該預先設定誤差值，係執行前述步驟c；g.若該絕對值小於該預先設定誤差值，係判定為發生孤島運轉，並控制該第一電磁開關與第二電磁開關打開，令市電電源及分散式發電系統與該負載斷離。
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