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TWM628678U - 智慧型多進多出能源轉換系統 - Google Patents

智慧型多進多出能源轉換系統 Download PDF

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TWM628678U
TWM628678U TW111201476U TW111201476U TWM628678U TW M628678 U TWM628678 U TW M628678U TW 111201476 U TW111201476 U TW 111201476U TW 111201476 U TW111201476 U TW 111201476U TW M628678 U TWM628678 U TW M628678U
Authority
TW
Taiwan
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converter
power
phase
output
phase inverter
Prior art date
Application number
TW111201476U
Other languages
English (en)
Inventor
陳瑄易
洪翊軒
Original Assignee
國立臺灣師範大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 國立臺灣師範大學 filed Critical 國立臺灣師範大學
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Abstract

一種智慧型多進多出能源轉換系統，用以驅動負載。智慧型多進多出能源轉換系統包括：耦接再生能源發電裝置的升降壓直流/直流轉換器、耦接儲能裝置的雙向直流/直流轉換器、直流側並聯耦接升降壓直流/直流轉換器與雙向直流/直流轉換器的三相逆變器、一側耦接市電端與負載且另一側耦接三相逆變器的交流側的變壓器、儲存單元與系統控制單元。系統控制單元依據儲存單元儲存的市電電價、負載的需求功率與市電端的輸出功率之間的關係表控制升降壓直流/直流轉換器、雙向直流/直流轉換器與三相逆變器，進而控制市電端是否對儲能裝置進行充電。

Description

智慧型多進多出能源轉換系統
本申請關於一種能源轉換系統，特別是有關於一種智慧型多進多出能源轉換系統。
近年來，隨著環保意識的抬頭，發展再生能源已成為重要議題之一。由於集中式再生能源發電系統會因能量轉化以及傳輸的過程產生大量耗損能源而存在效率低的問題，因此，可就近供應負載需求的分散式再生能源發電系統成為主要的發展方向。
為了協調分散式再生能源發電系統與市電併聯以驅動負載，以及增加分散式再生能源發電系統為用戶端帶來的價值，可根據供電與用電狀況，即時監控/調度分散式電源或儲能元件的能源轉換系統逐漸受到重視。其中，智能化高效率的能源管控成為能源轉換系統開發商不斷追求的目標之一。
然而，當前相關業者針對再生能源併網所推出的能源轉換系統，其包括的逆變系統採用規則式（Rule-based，RB）控制方式對不同能量進行調配，但負載、再生能源的發電功率與儲電量等各項數值均會隨時間變化而縝密變動，使得規則式控制策略的切換條件就無法兼顧所有可能性，導致能源無法調配至最佳化，以致能源使用效益下降。因此，如何提供一種具有主動式能源管理解決方案的智慧型多進多出能源轉換系統，已成為本技術領域人員努力追求之目標。
本申請實施例提供一種智慧型多進多出能源轉換系統，可以有效解決當前能源轉換系統包括的逆變系統採用規則式控制方式對不同能量進行調配，在性能上存在諸多限制的問題。
為了解決上述技術問題，本申請是這樣實現的：
提供了一種智慧型多進多出能源轉換系統，耦接再生能源發電裝置、市電端與儲能裝置，且驅動負載。智慧型多進多出能源轉換系統包括：升降壓直流/直流轉換器、雙向直流/直流轉換器、三相逆變器、變壓器、儲存單元與系統控制單元。升降壓直流/直流轉換器耦接再生能源發電裝置；雙向直流/直流轉換器耦接儲能裝置，雙向直流/直流轉換器與儲能裝置之間的電能為雙向傳輸；變壓器的一側耦接市電端與負載；三相逆變器的直流側並聯耦接升降壓直流/直流轉換器與雙向直流/直流轉換器，三相逆變器的交流側耦接變壓器的另一側。儲存單元用以儲存二維查表，其中，二維查表係由基於負載的需求功率、再生能源發電裝置的發電功率、儲能裝置的充放電功率、市電端的輸出功率與市電電價的最小等效能耗策略（Equivalent Consumption Minimization. Strategy，ECMS）所獲取，且為市電電價、負載的需求功率與市電端的輸出功率之間的關係表。系統控制單元耦接儲存單元、市電端、再生能源發電裝置、儲能裝置、雙向直流/直流轉換器、升降壓直流/直流轉換器與三相逆變器，系統控制單元用以依據二維查表控制升降壓直流/直流轉換器、雙向直流/直流轉換器與三相逆變器，進而控制市電端是否對儲能裝置進行充電。
在本申請實施例中，智慧型多進多出能源轉換系統透過系統控制單元依據基於待驅動的負載的需求功率、再生能源發電裝置的發電功率、儲能裝置的充放電功率、市電端的輸出功率與市電電價的最小等效能耗策略所獲取的二維查表，控制升降壓直流/直流轉換器、雙向直流/直流轉換器與三相逆變器，進而控制市電端是否對儲能裝置進行充電；因此，智慧型多進多出能源轉換系統基於最小用電成本的目的根據待驅動的負載的需求功率與市電電價，規劃由再生能源發電裝置、儲能裝置與/或市電端驅動負載，及控制控制市電端是否對儲能裝置進行充電。換句話說，智慧型多進多出能源轉換系統可搭配待驅動的負載的需求功率，快速最佳化調配能源輸出分配比例，使能源使用效益最大化。
以下將配合相關圖式來說明本新型的實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的組件或方法流程。
必須瞭解的是，使用在本說明書中的「包含」、「包括 」等詞，是用於表示存在特定的技術特徵、數值、元件和/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、元件、組件，或以上的任意組合。
必須瞭解的是，當組件描述為「連接 」或「耦接 」至另一組件時，可以是直接連結、或耦接至其他組件，可能出現中間組件。相反地，當組件描述為「直接連接 」或「直接耦接 」至另一組件時，其中不存在任何中間組件。
請參閱圖1，其為本申請的智慧型多進多出能源轉換系統、再生能源發電裝置、市電端、儲能裝置與負載的一實施例連接方塊示意圖。如圖1所示，智慧型多進多出能源轉換系統100耦接再生能源發電裝置50、市電端60與儲能裝置70，且驅動負載80。其中，再生能源發電裝置50可為但不限於太陽能面板或風力發電裝置，儲能裝置70可為但不限於蓄電池（例如：鉛酸電池、鋰電池），負載80為交流負載，但本實施例並非用以限定本申請。
在本實施例中，智慧型多進多出能源轉換系統100包括：升降壓直流/直流轉換器110、雙向直流/直流轉換器120、三相逆變器130、變壓器140、儲存單元150與系統控制單元160。其中，升降壓直流/直流轉換器110耦接再生能源發電裝置50；雙向直流/直流轉換器120耦接儲能裝置70，雙向直流/直流轉換器120與儲能裝置70之間的電能為雙向傳輸；變壓器140的一側耦接市電端60與負載80，三相逆變器130的直流側並聯耦接升降壓直流/直流轉換器110與雙向直流/直流轉換器120，三相逆變器130的交流側耦接變壓器140的另一側。因此，再生能源發電裝置50、儲能裝置70與市電端60併網供電。也就是說，智慧型多進多出能源轉換系統100透過升降壓直流/直流轉換器110與雙向直流/直流轉換器120將再生能源發電裝置50與儲能裝置70的輸出電壓提升至預設電壓（即直流鏈電壓準位），並透過三相逆變器130將升降壓直流/直流轉換器110與雙向直流/直流轉換器120所輸出的直流電轉換成交流電，再透過變壓器140與市電端60併網，進而與市電端60進行雙向功率傳遞。
在本實施例中，儲存單元150用以儲存二維查表，其中，二維查表係由基於負載80的需求功率、再生能源發電裝置50的發電功率、儲能裝置70的充放電功率、市電端60的輸出功率與市電電價的最小等效能耗策略所獲取，且為市電電價、負載80的需求功率與市電端60的輸出功率之間的關係表。系統控制單元160耦接儲存單元150、市電端60、再生能源發電裝置50、儲能裝置70、雙向直流/直流轉換器120、升降壓直流/直流轉換器110與三相逆變器130，系統控制單元160用以依據二維查表控制升降壓直流/直流轉換器110、雙向直流/直流轉換器120與三相逆變器130，進而控制市電端60是否對儲能裝置70進行充電。
具體地，最小等效能耗策略屬於即時控制策略之一，可事先將再生能源發電裝置50、市電端60、儲能裝置70與待驅動的負載80之各項數值進行窮舉法運算，以獲得最佳之能源分配比例策略（即找出最小消耗能量並以等效耗能的形式呈現）。
在一示例中，最小等效能耗策略的建構過程中，可先依照不同場域與規格定義出最適合的目標函數（例如：
Figure 02_image001
；
Figure 02_image003
為最低耗成本，單位為元；
Figure 02_image005
為市電轉換器之能源轉換效率比；
Figure 02_image007
為時段t之再生能源發電裝置50的發電功率，單位為瓦特（W）；
Figure 02_image009
為時段t之負載80的需求功率，單位為W；
Figure 02_image011
為時段t之儲能裝置70的充放電功率，單位為W；
Figure 02_image013
為市電電價便宜時段；
Figure 02_image015
為市電電價昂貴時段；
Figure 02_image017
為時間電價；
Figure 02_image019
為
Figure 02_image007
、
Figure 02_image009
、
Figure 02_image011
與
Figure 02_image017
的物理範圍限制量；
Figure 02_image021
為時段t之市電端60對儲能裝置70時的輸出功率；
Figure 02_image023
為儲能裝置70放電時時段t之市電端60的輸出功率）；接著，對再生能源發電裝置50、市電端60與儲能裝置70的輸出功率、負載80的需求功率與儲能裝置70的殘電量進行全域搜索，以For迴圈或if-then-else條件判斷全部可能的條件（例如：儲能裝置70的電量高且再生能源發電裝置50的發電量不足時，負載80的需求功率等於儲能裝置70的輸出功率；儲能裝置70的電量低但再生能源發電裝置50的發電量大於或等於負載80的需求功率時，再生能源發電裝置50的發電量不僅能供給負載80也能對儲能裝置70充電；儲能裝置70的電量低、再生能源發電裝置50的發電量不足與市電電價為便宜時段時，市電端60能滿足負載80且依照負載80的需求功率決定儲能裝置70的充電電流多寡），再藉由程式運算各參數，進而求出各個情況下的最小等效耗能；最後，將程式所計算得出之最小等效能耗儲存於一個矩陣中，進而建置儲存在儲存單元150中的二維查表，其中，二維查表為市電電價、負載80的需求功率與市電端60的輸出功率之間的關係表（如下表1所示，表1為二維查表的一實施例，表1的橫軸為正規化的市電電價（0至0.5屬於市電電價便宜時段，0.6至1.0屬於市電電價昂貴時段），表1的縱軸為負載80的需求功率（單位為千瓦特），表1呈現儲能裝置70的電量高時不同市電電價與負載80的需求功率所對應之市電端60的輸出功率（單位為千瓦特））。
表1
  0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0 0 0 0 0
0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0 0 0 0 0
0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0 0 0 0 0
0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0 0 0 0 0
0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0
0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0 0 0 0 0
0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0 0 0 0 0
0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0 0 0 0 0
0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0 0 0 0 0
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0 0 0 0 0
1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 0 0 0 0 0
1.2 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1
由於獲取二維查表的參數包括負載80的需求功率，因此，儲存單元150所儲存的二維查表會依據不同的負載80的輸出功率而有所不同，即可依據智慧型多進多出能源轉換系統100的用戶端的使用需求（即負載80的需求功率）自適應地在儲存單元150儲存對應的二維查表。系統控制單元160可依據二維查表控制升降壓直流/直流轉換器110、雙向直流/直流轉換器120與三相逆變器130，進而控制市電端60是否對儲能裝置70進行充電（例如：根據上表1可知，系統控制單元160可在市電電價便宜時段控制升降壓直流/直流轉換器110、雙向直流/直流轉換器120與三相逆變器130，以使再生能源發電裝置50與市電端60驅動負載80，市電端60對儲能裝置70進行充電；系統控制單元160可在市電電價昂貴時段控制升降壓直流/直流轉換器110、雙向直流/直流轉換器120與三相逆變器130，以使再生能源發電裝置50與儲能裝置70驅動負載80，市電端60不對儲能裝置70進行充電）。因此，系統控制單元160可對儲能裝置70的效能進行能量優化管理，並同時實現驅動負載80的最小用電成本。
在一實施例中，當系統控制單元160根據當前市電電價與當前負載需求功率無法直接在儲存單元150儲存的二維查表找到對應的數值時，系統控制單元160可將當前市電電價與當前負載需求功率採用雙線性插值法獲取二維查表中對應的市電端60的輸出功率，以控制升降壓直流/直流轉換器110、雙向直流/直流轉換器120與三相逆變器130。其中，雙線性插值法為本領域技術人員所熟悉，於此不再贅述。
在一實施例中，儲存單元150可儲存複數個二維查表，當負載80的需求功率或儲能裝置70的容量產生變化（例如：儲能裝置70內部增加與原有的蓄電池並聯的一個蓄電池）時，系統控制單元160依據不同的二維查表控制升降壓直流/直流轉換器110、雙向直流/直流轉換器120與三相逆變器130。
在一實施例中，系統控制單元160與儲存單元150整合成系統處理單元，即儲存單元150成為所述系統處理單元的內存。其中，系統處理單元可為但不限於中央處理器、微控制器或數位訊號處理器。
在一實施例中，請參閱圖2，其為本申請的智慧型多進多出能源轉換系統、再生能源發電裝置、市電端、儲能裝置與負載的一實施例連接結構示意圖。如圖2所示，智慧型多進多出能源轉換系統200除了包括升降壓直流/直流轉換器110、雙向直流/直流轉換器120、三相逆變器130、變壓器140、儲存單元150與系統控制單元160以外，還可包括第一脈衝寬度調變（Pulse-Width Modulation，PWM）電路270，第一PWM電路270耦接系統控制單元160、升降壓直流/直流轉換器110與雙向直流/直流轉換器120。其中，變壓器140可具有Y形連接的初級側與三角形連接的二次級側。
請參閱圖2與圖3，圖3為系統控制單元輸出第一控制信號給第一脈衝寬度調變電路的一實施例示意圖。如圖2與圖3所示，系統控制單元160可依據參考電壓
Figure 02_image025
以及再生能源發電裝置50的輸出電壓
Figure 02_image027
與輸出電流
Figure 02_image029
輸出第一控制信號給第一PWM電路270，以使第一PWM電路270控制升降壓直流/直流轉換器110的運作。具體地，系統控制單元160可先利用參考電壓
Figure 02_image025
與輸出電壓
Figure 02_image027
之間的電壓誤差值經電壓控制補償器52得到調節控制信號
Figure 02_image031
；接著，將依據二維查表所獲取的參考電流
Figure 02_image033
與調節控制信號
Figure 02_image031
進行相加，並將相加結果與輸出電流
Figure 02_image029
之間的電流誤差值經電流控制補償器54得到校正的均流控制信號
Figure 02_image035
（即第一控制信號）；最後，第一PWM電路270可將三角波的振幅與校正的均流控制信號
Figure 02_image035
進行比較，以輸出控制升降壓直流/直流轉換器110的運作之信號。其中，參考電壓
Figure 02_image025
可依據實際需求進行設定。也就是說，系統控制單元160可基於圖3的電壓迴路與電流迴路控制升降壓直流/直流轉換器110的運作，其中，透過圖3的電壓迴路可得到期望的輸出電壓
Figure 02_image027
的波形，透過圖3的電流迴路可獲取較快的動態響應。
請參閱圖2與圖4，圖4為系統控制單元輸出第二控制信號給第一脈衝寬度調變電路的一實施例示意圖。如圖2與圖4所示，系統控制單元160可依據參考電壓
Figure 02_image025
以及儲能裝置70的輸出電壓
Figure 02_image037
與輸出電流
Figure 02_image039
輸出第二控制信號給第一PWM電路270，以使第一PWM電路270控制雙向直流/直流轉換器120的運作。具體地，系統控制單元160可先利用參考電壓
Figure 02_image025
與輸出電壓
Figure 02_image037
之間的電壓誤差值經電壓控制補償器56得到調節控制信號
Figure 02_image041
；接著，將依據二維查表所獲取的參考電流
Figure 02_image033
與調節控制信號
Figure 02_image041
進行相加，並將相加結果與輸出電流
Figure 02_image039
之間的電流誤差值經電流控制補償器58得到校正的均流控制信號
Figure 02_image043
（即第二控制信號）；最後，第一PWM電路270可將三角波的振幅與校正的均流控制信號
Figure 02_image043
進行比較，以輸出控制雙向直流/直流轉換器120的運作之信號。也就是說，系統控制單元160可基於圖4的電壓迴路與電流迴路控制雙向直流/直流轉換器120的運作，其中，透過圖4的電壓迴路可得到期望的輸出電壓
Figure 02_image037
的波形，透過圖4的電流迴路可獲取較快的動態響應。
由圖3與圖4可知，系統控制單元160可基於電壓迴路與電流迴路的控制策略控制升降壓直流/直流轉換器110與雙向直流/直流轉換器120的運作，以使智慧型多進多出能源轉換系統200在儲能裝置70的輸出電壓
Figure 02_image037
與負載80的需求功率變動的情況下仍然穩定運作並維持輸出驅動負載80所需之能量。
在一實施例中，請參閱圖2，智慧型多進多出能源轉換系統200還可包括直流鏈電容
Figure 02_image045
，升降壓直流/直流轉換器110與三相逆變器130之間並聯直流鏈電容
Figure 02_image045
，系統控制單元160還可用以控制三相逆變器130，以穩定直流鏈電容
Figure 02_image045
的直流鏈電壓
Figure 02_image047
。
在一實施例中，請參閱圖2，智慧型多進多出能源轉換系統200還可包括第二PWM電路280與電流控制電路290，第二PWM電路280耦接三相逆變器130與電流控制電路290，電流控制電路290耦接系統控制單元160。系統控制單元160可依據三相鎖相迴路（Phase-Locked Loop，PLL）法將三相逆變器130產生的三相交流電與市電端60的交流電進行相位同步，並調控三相逆變器130的實功
Figure 02_image049
與虛功
Figure 02_image051
，以輸出三相命令電流
Figure 02_image053
、
Figure 02_image055
、
Figure 02_image057
給電流控制電路290，使得電流控制電路290依據三相命令電流
Figure 02_image053
、
Figure 02_image055
、
Figure 02_image057
與三相逆變器130的三相輸出電流
Figure 02_image059
、
Figure 02_image061
、
Figure 02_image063
產生第三控制信號給第二PWM電路280，進而使第二PWM電路280控制三相逆變器130的運作。
具體地，由於三相逆變器130的交流側與市電端60併聯，系統控制單元160需將三相逆變器130產生的三相交流電與市電端60的交流電相位同步，故系統控制單元160依據三相鎖相迴路法偵測市電端60的三相電壓相位角，作為三相逆變器130的三相電壓相位角的依據。其中，三相鎖相迴路法的運作流程（如圖5所示，圖5為本申請的三相鎖相迴路法的控制方塊圖）包括：量測三相線電壓
Figure 02_image065
、
Figure 02_image067
、
Figure 02_image069
，再利用三角公式求得市電端60的三相電壓相位角
Figure 02_image071
（
Figure 02_image073
）；依序將三相固定座標軸電壓
Figure 02_image075
、
Figure 02_image077
、
Figure 02_image079
轉換至兩相固定座標軸電壓
Figure 02_image081
、
Figure 02_image083
（
Figure 02_image085
，
Figure 02_image087
，其中，
Figure 02_image089
為市電端60的三相相電壓的峰值）；當市電端60的三相電壓相位角
Figure 02_image071
與鎖相迴路產生的角度
Figure 02_image091
不相同時，將兩相固定座標軸電壓
Figure 02_image081
、
Figure 02_image083
藉由同步旋轉座標軸轉換方程式轉換至兩相同步旋轉座標軸電壓
Figure 02_image093
、
Figure 02_image093
（
Figure 02_image095
，
Figure 02_image097
）；由於市電端60的三相電壓相位角
Figure 02_image071
與鎖相迴路產生的角度
Figure 02_image091
相同時，
Figure 02_image099
，
Figure 02_image101
0，因此，
Figure 02_image103
可代表為市電端60的三相相電壓的峰值，
Figure 02_image093
可代表市電端60的三相電壓相位角
Figure 02_image071
與鎖相迴路產生的角度
Figure 02_image091
之間的誤差量，故可將電壓之d軸分量目標值
Figure 02_image105
設為零（即期望電壓之d軸分量的誤差量為0），再利用比例積分控制器PI調節
Figure 02_image105
與
Figure 02_image093
之間的誤差產生控制命令
Figure 02_image107
，接著，再經過積分器
Figure 02_image109
獲得鎖相迴路角度
Figure 02_image091
，最後，將鎖相迴路角度
Figure 02_image091
輸入同步旋轉座標軸轉換方程式，形成閉迴路控制，迫使鎖相迴路角度
Figure 02_image111
趨近於市電端60的三相電壓相位角
Figure 02_image071
，進而達成鎖相之目的。
另外，由於智慧型多進多出能源轉換系統200需滿足負載80的需求功率，需確切地控制再生能源發電裝置50、儲能裝置70與市電端60的功率流向，因此，智慧型多進多出能源轉換系統200需要調節三相逆變器130提供的實功
Figure 02_image049
與虛功
Figure 02_image051
。具體地，智慧型多進多出能源轉換系統200利用上述閉迴路控制獲取三相逆變器130提供的實功
Figure 02_image049
與虛功
Figure 02_image051
（
Figure 02_image113
，
Figure 02_image115
，
Figure 02_image093
與
Figure 02_image103
為兩相同步旋轉座標軸電壓，
Figure 02_image117
與
Figure 02_image119
為兩相同步旋轉座標軸電流）；當市電端60的三相電壓相位角
Figure 02_image071
與鎖相迴路產生的角度
Figure 02_image091
相同時，
Figure 02_image099
，
Figure 02_image101
0，因此，
Figure 02_image121
，
Figure 02_image123
；由於實功對應q軸，其控制力為q 軸命令電流
Figure 02_image125
；虛功對應d軸，其控制力為d 軸命令電流
Figure 02_image127
，因此，系統控制單元160可控制
Figure 02_image125
與
Figure 02_image127
，進而實現調節實功
Figure 02_image049
與虛功
Figure 02_image051
。更詳細地說，請參閱圖2，在實功控制中，系統控制單元160可利用直流鏈電壓
Figure 02_image047
與系統需求所定義的直流鏈電壓命令
Figure 02_image129
產生q 軸命令電流
Figure 02_image125
；在虛功控制中，系統控制單元160可利用虛功
Figure 02_image051
與系統需求所定義的虛功命令
Figure 02_image131
產生d 軸命令電流
Figure 02_image133
然後，系統控制單元160可將
Figure 02_image125
與
Figure 02_image127
經由反同步旋轉座標軸轉換成三相命令電流
Figure 02_image053
、
Figure 02_image055
、
Figure 02_image057
，電流控制電路290依據三相命令電流
Figure 02_image053
、
Figure 02_image055
、
Figure 02_image057
與三相逆變器130的三相輸出電流
Figure 02_image059
、
Figure 02_image061
、
Figure 02_image063
產生三相控制命令電壓
Figure 02_image135
、
Figure 02_image137
、
Figure 02_image139
（即第三控制信號）給第二PWM電路280，進而使第二PWM電路280依據三相控制命令電壓
Figure 02_image135
、
Figure 02_image137
、
Figure 02_image139
產生脈波寬度調變信號，以控制三相逆變器130的運作。
在一實施例中，再生能源發電裝置50可為太陽能面板，系統控制單元160還可用以採用擾動觀察法追蹤太陽能面板的最大功率點，並控制升降壓直流/直流轉換器110，以使太陽能面板輸出最大功率。
具體地，系統控制單元160採用穩定可靠之擾動觀察法實現最大功率點追蹤，此方法藉由不斷擾動太陽能面板的操作電壓，並觀察其對輸出功率的影響，來達到太陽能面板輸出最大功率。舉例而言，假設太陽能面板的輸出功率較擾動前大，則表示太陽能面板的電壓可持續往更高的操作電壓移動；反之，太陽能面板的輸出功率較擾動前小，則下個週期即改變電壓變化方向；藉由上述方式，即可求得太陽能面板的命令電壓
Figure 02_image141
，再與實際的輸出電壓
Figure 02_image027
比較後產生控制信號，經過第一PWM電路270產生脈波寬度調變信號控制升降壓直流/直流轉換器110，以使太陽能面板輸出最大功率。
在一實施例中，請參閱圖2，三相逆變器130的三相相電壓降至百分之九十以下時，系統控制單元160可依據三相相電壓的下降比例調控三相逆變器130的實功
Figure 02_image049
與虛功
Figure 02_image051
，以對智慧型多進多出能源轉換系統200進行低電壓穿越保護。
具體地，當負載80、再生能源發電裝置50、儲能裝置70或市電端60出現干擾或異常（例如：兩相之間短路、相對地短路、雷擊或過載容易引發電壓驟降狀況）時，會產生電力品質不穩定之狀況，故為了保持電壓穩定，智慧型多進多出能源轉換系統200需要符合併網使用的法規要求。因此，智慧型多進多出能源轉換系統200可由三相逆變器130的電壓感測電路獲得三相線電壓，再透過正負零序分析，得到三相正負零序電壓，進一步合成三相相電壓。當負載80、再生能源發電裝置50、儲能裝置70或市電端60發生故障或異常時，三相電壓降至90%以下時，系統控制單元160可依故障電壓之下降比例，獲得所需注入虛功電流比例（例如：當電壓下降介於10%至50%時，則虛功電流比例為兩倍的最大下降電壓比例；當電壓下降超過50%，則虛功電流比例為100%），再配合上述之實虛功控制技術（虛功命令
Figure 02_image143
為三相逆變器130的視在功率與虛功電流比例的乘積，實功命令
Figure 02_image145
的平方與虛功命令
Figure 02_image143
的平方之總和為所述視在功率的平方），即可避免負載80、再生能源發電裝置50、儲能裝置70或市電端60因干擾或異常而發生電壓驟降之狀況。
綜上所述，本申請實施例的智慧型多進多出能源轉換系統可透過系統控制單元依據基於待驅動的負載的需求功率、再生能源發電裝置的發電功率、儲能裝置的充放電功率、市電端的輸出功率與市電電價的最小等效能耗策略所獲取的二維查表，控制升降壓直流/直流轉換器、雙向直流/直流轉換器與三相逆變器，進而控制市電端是否對儲能裝置進行充電；因此，智慧型多進多出能源轉換系統基於最小用電成本的目的根據待驅動的負載的需求功率與市電電價，規劃由再生能源發電裝置、儲能裝置與/或市電端驅動負載，及控制控制市電端是否對儲能裝置進行充電。另外，智慧型多進多出能源轉換系統可透過主動式功率控制技術與最佳化能量管理策略，主動控制再生能源發電裝置、市電端與儲能裝置之功率流向，使再生能源發電裝置、市電端與儲能裝置之輸出功率可被主動式分配，達到最佳化之能量管理。此外，智慧型多進多出能源轉換系統可透過調控三相逆變器的實功與虛功，以進行低電壓穿越保護。再者，當再生能源發電裝置為太陽能面板時，智慧型多進多出能源轉換系統可透過擾動觀察法控制升降壓直流/直流轉換器，以使太陽能面板輸出最大功率。
雖然在本申請的圖式中包含了以上描述的組件，但不排除在不違反新型的精神下，使用更多其他的附加組件，已達成更佳的技術效果。
雖然本新型使用以上實施例進行說明，但需要注意的是，這些描述並非用於限縮本新型。相反地，此新型涵蓋了所屬技術領域中的技術人員顯而易見的修改與相似設置。所以，申請專利範圍須以最寬廣的方式解釋來包含所有顯而易見的修改與相似設置。
50:再生能源發電裝置 52,56:電壓控制補償器 54,58:電流控制補償器 60:市電端 70:儲能裝置 80:負載 100,200:智慧型多進多出能源轉換系統 110:升降壓直流/直流轉換器 120:雙向直流/直流轉換器 130:三相逆變器 140:變壓器 150:儲存單元 160:系統控制單元 270:第一PWM電路 280:第二PWM電路 290:電流控制電路
Figure 02_image045
:直流鏈電容
Figure 02_image059
,
Figure 02_image061
,
Figure 02_image063
:三相輸出電流
Figure 02_image053
,
Figure 02_image147
,
Figure 02_image057
:三相命令電流
Figure 02_image035
,
Figure 02_image149
:校正的均流控制信號
Figure 02_image031
,
Figure 02_image151
:調節控制信號
Figure 02_image153
,
Figure 02_image155
:輸出電流
Figure 02_image157
:參考電流 PI:比例積分控制器
Figure 02_image075
,
Figure 02_image077
,
Figure 02_image079
:三相固定座標軸電壓
Figure 02_image065
,
Figure 02_image067
,
Figure 02_image069
:三相線電壓
Figure 02_image135
,
Figure 02_image137
,
Figure 02_image139
:三相控制命令電壓
Figure 02_image093
,
Figure 02_image159
:兩相同步旋轉座標軸電壓
Figure 02_image161
:電壓之d軸分量目標值
Figure 02_image047
:直流鏈電壓
Figure 02_image163
:參考電壓
Figure 02_image165
,
Figure 02_image167
:輸出電壓
Figure 02_image107
:控制命令
Figure 02_image169
:積分器
Figure 02_image171
:鎖相迴路角度
此處所說明的圖式用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在圖式中： 圖1為本申請的智慧型多進多出能源轉換系統、再生能源發電裝置、市電端、儲能裝置與負載的一實施例連接方塊示意圖； 圖2為本申請的智慧型多進多出能源轉換系統、再生能源發電裝置、市電端、儲能裝置與負載的一實施例連接結構示意圖； 圖3為系統控制單元輸出第一控制信號給第一脈衝寬度調變電路的一實施例示意圖； 圖4為系統控制單元輸出第二控制信號給第一脈衝寬度調變電路的一實施例示意圖；以及 圖5為本申請的三相鎖相迴路法的控制方塊圖。
50:再生能源發電裝置
60:市電端
70:儲能裝置
80:負載
100:智慧型多進多出能源轉換系統
110:升降壓直流/直流轉換器
120:雙向直流/直流轉換器
130:三相逆變器
140:變壓器
150:儲存單元
160:系統控制單元

Claims (10)

  1. 一種智慧型多進多出能源轉換系統，耦接一再生能源發電裝置、一市電端與一儲能裝置，且驅動一負載，該智慧型多進多出能源轉換系統包括： 一升降壓直流/直流轉換器，耦接該再生能源發電裝置； 一雙向直流/直流轉換器，耦接該儲能裝置，該雙向直流/直流轉換器與該儲能裝置之間的電能為雙向傳輸； 一變壓器，該變壓器的一側耦接該市電端與該負載； 一三相逆變器，該三相逆變器的一直流側並聯耦接該升降壓直流/直流轉換器與該雙向直流/直流轉換器，該三相逆變器的一交流側耦接該變壓器的另一側； 一儲存單元，用以儲存一二維查表，其中，該二維查表係由基於該負載的一需求功率、該再生能源發電裝置的一發電功率、該儲能裝置的一充放電功率、該市電端的一輸出功率與一市電電價的最小等效能耗策略（Equivalent Consumption Minimization. Strategy，ECMS）所獲取，且為該市電電價、該負載的該需求功率與該市電端的該輸出功率之間的關係表；以及 一系統控制單元，耦接該儲存單元、該市電端、該再生能源發電裝置、該儲能裝置、該雙向直流/直流轉換器、該升降壓直流/直流轉換器與該三相逆變器，該系統控制單元用以依據該二維查表控制該升降壓直流/直流轉換器、該雙向直流/直流轉換器與該三相逆變器，進而控制該市電端是否對該儲能裝置進行充電。
  2. 如請求項1所述的智慧型多進多出能源轉換系統，還包括一第一脈衝寬度調變（PWM）電路，耦接該系統控制單元、該升降壓直流/直流轉換器與該雙向直流/直流轉換器；該系統控制單元依據一參考電壓以及該再生能源發電裝置的一輸出電壓與一輸出電流輸出一第一控制信號給該第一PWM電路，以使該第一PWM電路控制該升降壓直流/直流轉換器的運作；該系統控制單元依據該參考電壓以及該儲能裝置的一輸出電壓與一輸出電流輸出一第二控制信號給該第一PWM電路，以使該第一PWM電路控制該雙向直流/直流轉換器的運作。
  3. 如請求項1所述的智慧型多進多出能源轉換系統，還包括一第二PWM電路與一電流控制電路，該第二PWM電路耦接該三相逆變器與該電流控制電路，該電流控制電路耦接該系統控制單元；該系統控制單元依據一三相鎖相迴路（Phase-Locked Loop，PLL）法將該三相逆變器產生的一三相交流電與該市電端的一交流電進行相位同步，並調控該三相逆變器的一實功與一虛功，以輸出一三相命令電流給該電流控制電路，使得該電流控制電路依據該三相命令電流與該三相逆變器的一三相輸出電流產生一第三控制信號給該第二PWM電路，進而使該第二PWM電路控制該三相逆變器的運作。
  4. 如請求項1所述的智慧型多進多出能源轉換系統，其中，該儲存單元儲存複數個該二維查表，當該負載的該需求功率或該儲能裝置的一容量產生變化時，該系統控制單元依據不同的該二維查表控制該升降壓直流/直流轉換器、該雙向直流/直流轉換器與該三相逆變器。
  5. 如請求項1所述的智慧型多進多出能源轉換系統，其中，該系統控制單元將一當前市電電價與一當前負載需求功率採用一雙線性插值法獲取該二維查表中對應的該市電端的該輸出功率，以控制該升降壓直流/直流轉換器、該雙向直流/直流轉換器與該三相逆變器。
  6. 如請求項1所述的智慧型多進多出能源轉換系統，其中，該系統控制單元與該儲存單元整合成一系統處理單元。
  7. 如請求項6所述的智慧型多進多出能源轉換系統，其中，該系統處理單元為一中央處理器、一微控制器或一數位訊號處理器。
  8. 如請求項1所述的智慧型多進多出能源轉換系統，其中，該再生能源發電裝置為一太陽能面板，該系統控制單元還用以採用一擾動觀察法追蹤該太陽能面板的一最大功率點，並控制該升降壓直流/直流轉換器，以使該太陽能面板輸出一最大功率。
  9. 如請求項1所述的智慧型多進多出能源轉換系統，還包括一直流鏈電容，該升降壓直流/直流轉換器與該三相逆變器之間並聯該直流鏈電容，該系統控制單元還用以控制該三相逆變器，以穩定該直流鏈電容的一直流鏈電壓。
  10. 如請求項1所述的智慧型多進多出能源轉換系統，其中，該三相逆變器的一三相相電壓降至百分之九十以下時，該系統控制單元依據該三相相電壓的一下降比例調控該三相逆變器的一實功與一虛功，以對該智慧型多進多出能源轉換系統進行低電壓穿越保護。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI860891B (zh) * 2023-11-17 2024-11-01 台達電子工業股份有限公司 主從充電控制方法及相關再生能源最大功率追蹤供電系統

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