TW200824220A - Control device and method of renewable energy system signgle-phase power conditioner - Google Patents

Description

200824220 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種再生能源糸統之早相電力調節器控 制裝置與方法，尤指一種針對一單相再生能源系統電力調 節器架構，透過適當的控制方法調控，以達到當電力系統 正常運作時，可與電力系統併聯供電；當電力系統故障時， 可將重要負載立即轉供，其為瞬時轉供，轉供時間可以忽 略不計；或是當再生能源系統進行維護時，重要負載亦可 立即轉供。另外透過所提之控制方法亦可使再生能源系統 電力調節器具有較佳轉換效率及輸出電壓波形。 【先前技術】 按，分散式能源或是再生能源發電設備常與電力系統 併聯運轉，以增進其應用場合及市場需求。但當再生能源 系統或電力系統故障時，此時重要負載仍需持續供電，即 重要負載需實行轉供。為了降低轉供時對於重要負載的影 響，轉供時間需越短越好，而轉供前後之電源電壓變化及 失真程度越小越好。 請參考美國專利US2005/0006958A1 Stephen等之敘 述，當電力系統正常供電時，轉供開關切換至電力系統， 並將再生能源轉換至電力系統，此模式亦稱併網模式 (Grid-tied mode)，此時負載之電力由電力系統提供◦當 電力系統發生異常而停止供電時，轉供開關切換至再生能 源發電系統，此時稱為獨立運轉模式（standalone mode)， 而再生能源發電系統只供應重要之負載，例如：停電緊急 5 200824220 照明、醫院重要維生儀器、或其他重要之精密儀器設備等 等◦在此切換過程中，由併網模式轉換至獨立供電模式， 轉供過程之暫態容易發生電壓或是電流突波。另外，因為 還需要一段偵測之時間，以致於實際電力系統發生異常至 轉供完成，已經經過相當長一段時間，另外亦需要一儲能 系統供給暫態輸出電力，以補償主要電源之不足。 另外參考美國專利US2003/0025397 A1 Douglas等亦是 利用相關電磁接觸器之轉供方法來進行轉供。同理，實際 電力系統發生異常至轉供完成，已經經過相當長一段時 間’轉供過程之暫恶容易發生電壓或是電流突波。 再者參考美國專利US6304006B1 Aaron等利用分離獨立 運轉與併網模式來供給重要負載電源。而當輔助發電設備 或是再生能源發電系統停止供電時，重要負載之電力供 給，則透過整流器R1 (或是可控整流系統），再經過濾波 電路（F1)，再透過匯流排以及獨立運轉型轉換器完成負載 之供電；或是由儲能元件透過匯流排以及獨立運轉型轉換 器完成負載之供電，因此增加部分之零件與介面複雜度。 當電力系統發生異常時，其轉供程序亦如前所述，轉供過 程之暫態容易發生電壓或是電流突波。 【發明内容】 基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種再生 能源系統之單相電力調節器控制裝置與方法，主要目的為 針對一單相再生能源系統電力調節器架構，透過適當的控 制方法調控，以達到當電力系統正常運作時，可與電力系 6 200824220 3耳:供電；當電力系統故障時’可將重要負載立即轉供， 時轉供’轉供時間可以忽略不計·歧當再生能源 ’、允仃維護時，重要負載亦可立即轉供。另外透過所提 ί法亦可使再生能源系統電力調節器具有較佳轉換 放率及輪出電壓波形。 制壯^達上4之目的，再生能源系統之單相電力調節器控 別衣置，其係包括有： 一電力系統，提供一般市用交流電； 再生能源系統，係指利用自然環境能量加以發電所產 生之電力； — ίϊϋ4轉換器，將再生能源系統之直流電做不同電 壓值轉換； ^ —=式電力調節器，將直流電及交流電做不同電壓值 ――控Λ器’，對併聯式電力調節器產生控制信號；以及 、匕消耗由併聯式電力調節器所傳送之電力。 圖本發明有更深人的朗，乃藉由以下圖示、 有料細說明，冀㈣衫查委員 【貧施方式】 炫配合下列之圖式說明 闕係，以利於貴審委做—瞭解;"切細結構，及其連結 請同時閱圖一、二、三、 — 四所示’係為本發明再生能系 7 200824220 統之單相電力調節器控 圖，其中包括；電力系、置之四種操作狀態功能方塊 系統用直流/直流轉換器14、併系統13、再生能源 (亦稱為轉供決策*) 器12、控制器 :雙向電力調節器 父流轉換哭12 ?、. + ^ / /;,L轉換态121及一直流/ 併聯式電;二電包力:， 交流轉換哭；Kdr 又流/直流轉換器121及一直产/ 系統可直流/直流轉換器，聯於直产鐘: 々四種主要的操作模式:㈣罝"“連’本 (1) 如圖—沐- 統供電镇式（路义71^’ 、載電力完全由市電提供：純電力系 電力系統11透式即A再^㈣統13故障或維修時， (2) 如 “力一 1112供應負載用電； 純再生 時，再生能为备纪〗 徑β )，當電力系統11故障 (3) ； 提供’剩餘圖電了 =至負市，電力完全由再生能源系統13 力系统U模式（路㈣再生能源系統13反饋供電電 了供给負载16用：源系統13電力過剩時，除 送回電力電，亦可將能量藉由併聯式電力調節』 (A如圖pq仏一工 足電力由市電提：能源系統電力提供負載，負載不 統叫再生能源系統式(路徑咖，即電力系 負載。 、’、、、 起透過併聯式電力調節器12供電 8 200824220 上述該再生能源系統13係指氫能、太陽能、風能、地熱 能、水力能、潮汐能、海洋熱能轉換及生質能之其中一者。 如圖五所示，係為本發明單相無轉供時間之再生能源系 統電力調節器電路架構圖，其中包括三組單臂雙開關的架 構及兩組電容電感濾波器，三組單臂雙開關電路分別為雙 向電力調節臂（Bidirectional power regulation leg)23 、共同臂（Common leg)24 及換流臂（Inverter leg)25，此電路可採一脈波寬度調變控制（Pulse Width Modulation，PWM)技術來進行操作。 利用上述元件，即可控制共同臂24及換流臂25，使得負 載29之端電壓同步於電力系統28之電壓波形；雙向電力調 節臂23及共同臂24則是調節負載29、再生能源系統21與電 力系統28之電力潮流平衡；該共同臂24連接至電力系統28 與負載29之共同端，負責調控電力系統28與負載29共同端 之電壓準位；該換流臂25經第二電容電感濾波器27連接至 負載29，負責調控輸出至負載29端之電壓，且換流臂25之 輸出電壓頻率與電力系統28電源相同；該三組單臂雙開關 電路之控制訊號由控制器15產生；該雙向電力調節臂23及 換流臂25之開關控制係利用一脈波寬度調整方法來進行控 制；該共同臂24之開關控制訊號與電力系統28電源同步， 且電力系統28電源同步之訊號可由電力系統28電源進行直 接或相移之其中一者動作後取得，且電力系統28電源同步 之訊號亦可由控制器内部產生。 如圖六A所示，係為共同臂開關之脈波寬度調變控制訊 200824220 號圖為了達到較好之輸出波形，共同臂之驅動訊號調變 方式可為同步於電力系統電源28之脈波寬度調變控制。 如圖六B所示，係為共同臂開關之方波切換控制訊號 圖’為了減少切換損失，共同臂驅動訊號之調變方式可為 同步於電力系統電源28之方波訊號。 、如圖/、C所示，係為共同臂開關之在零交越點附近做脈 統二又。周受控制訊號圖，共同臂之開關控制訊號與電力系 ^ :，28同步，為了較好之輸出波形與較少切換損失，且 令又越點附近做脈寬調變控制。 士圖/、D所示，係為共同臂開關之電力系統電源同步訊號圖， 即為電力系統電源28之弦波訊號。 如圖七所示，在再生能源系統21維修或故障而無法供 應電力時’可利用三組單臂雙開關電路直接將負載29轉供 至電力系統28，直接啟動雙向電力調節臂23及換流臂25之 上臂開關231及251元件，使得負載29電力直接由電力系統 28提供。 如圖八所示，在再生能源系統21維修或故障而無法供 應電力時，可利用三組單臂雙開關電路直接將負載29轉供 至電力系統，直接啟動雙向電力調節臂23及換流臂25之下 臂開關232及252元件，使得負載29電力直接由電力系統28 提供。 如圖九所示，在再生能源系統21維修或故障而無法供 應電力時，可利用三組單臂雙開關電路直接將負載29轉供 至電力系統28，間隔地同時啟動雙向電力調節臂23及換流 200824220 臂25之上臂開關231及251元件，以及同時啟動雙向電力調 節臂23及換流臂25之下臂開關（ 232、252 )元件，使得負 載29電力直接由電力系統28提供。 如圖十所示，其中該SI、S2、S3即為開關，在再生能 源系統21維修或故障而無法供應電力時，可利用三組單臂 雙開關電路以外之開關將負載29轉供至電力系統，直接啟 動開關S1及S2，使得負載29電力直接由電力系統28提供。 如圖十一所示，在再生能源系統21維修或故障而無法 供應電力時，可利用三組單臂雙開關電路以外之開關將負 載29轉供至電力系統28，直接啟動開關S3，使得負載電力 直接由電力系統28提供。 藉由上述圖一至圖十一之揭露，即可瞭解本發明再生能 源系統之單相電力調節器控制裝置與方法，主要為針對一 單相再生能源系統電力調節器架構，透過適當的控制方法 調控，以達到當電力系統正常運作時，可與電力系統併聯 供電；當電力系統故障時，可將重要負載立即轉供，其為 瞬時轉供，轉供時間可以忽略不計；或是當再生能源系統 進行維護時，重要負載亦可立即轉供。另外透過所提之控 制方法亦可使再生能源系統電力調節器具有較佳轉換效率 及輸出電壓波形，具有極高之商業價值，故提出專利申請 以獲求專利權之保護。 綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭 示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深富實施 之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未 見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明 200824220 專利之要件。 隹以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能 =之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 粑圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵芸 =犯圍内，謹請 f審查委員明鑑，並祈惠准，是所至 禱。 L圖式簡單說明】 圖，為本發明再生能系統之單相電力調節器控制裝置之 弟一操作狀態功能方塊圖； 圖一 ί為^ΓΓ ί生能系統之單相電力調節器控制裝置之 弟一刼作狀恶功能方塊圖； 圖三^為再生能系統之單相電力調節器控制裝置之 弟二知作狀恶功能方塊圖； 圖四，為本發明再生能系統之單相電節 弟四操作狀態功能方塊圖； 置之 圖五係=發明單相無轉供時間之再 态電路架構圖； 尔為电刀调即 圖六A係為共同臂開闕之脈波 =係為共同臂開關之方波切換二=:滅圖; 控制訊在零交越點附近做脈波寬度調變 共之電力_源_ 圖係為本發明三組單臂雙開闕電第二， 核式電路圖； 弟負裁備用轉供 200824220 圖八係為本發明三組單臂雙開關電路之第二負載備用轉供 模式電路圖； 圖九係為本發明三組單臂雙開關電路之第三負載備用轉供 模式電路圖； 圖十係為本發明附加開關之負載備用轉供第一模式電路 圖； 圖十一係為本發明附加開關備用開關之負載備用轉供第二 模式電路圖0 【主要元件符號說明】 11〜電力系統 12〜併聯式電力調節器 121〜交流/直流轉換器 122〜直流/交流轉換器 13〜再生能源系統 14〜直流/直流轉換器 15〜控制器 16〜負載 21〜再生能源系統 22〜直流/直流轉換器 23〜雙向電力調節臂 231〜上臂開關 232〜下臂開關 24〜共同臂 241〜上臂開關 200824220 242〜下臂開關 25〜換流臂 251〜上臂開關 252〜下臂開關 26〜第一電容電感濾波器 27〜第二電容電感濾波器 28〜電力系統 29〜負載 SI、S2、S3〜開關

Claims (1)

1. 200824220 十、申請專利範圍： .括=再生忐源系統之單相電力調節器控制裝置，其係包 二電力系統，提供一般市用交流電； —再^忐源系統，可藉由自然環境之能量來產生電力； —直流/直流轉換器，藉由將再生能源系統產生之直♦ 做不同電壓值之轉換； 电 式電力調節器’藉以將直流電及交流電做不同泰 :值之轉換’其係由—直流/交流轉換器及-交流/直 ★轉換器所構成； -t:态二對該併聯式電力調節器產生控制信號；以及 2如_，/由消耗由併聯式電力調節器所傳送之電力。 調節哭ϋ丨” U 4祕之早相電力 工制衣置，其中該再生能源系統 旎、風能、地熱能、水力能、 、_太除 \ 生質能之其中—者。 /朝“熱能轉換及 3.如申請專利範圍第J項所 調節器控制裝置，其t該再生能源;：=早相電力 載兒力可以由電力系統透過併聯 負 載。 P A私刀凋即态，送至負 •如申凊專利範圍第丨項所述之再生 ，器控制裝置’其中該電力系統故障時、，：:：電力 :由再生能源系統透過直流直、：力可 換器供電。 和谀為與一直交流轉 .如申請專利範圍第i項所述之再生能源系統之單相電力 15 200824220 調節器控制裝置，其中該再生能源系統運轉正常時，若 再生能源系統之輸出功率大於負載需求時，負載則由再 生能源系統透過直流直流轉換器與一直交流轉換器供 電；過多之電力則藉由雙向交流直流轉換器，反傀至電 力系統。 6. 如申請專利範圍第1項所述之再生能源系統之單相電力 調節器控制裝置，其中該再生能源系統輸出功率小於負 載需求時，負載則由再生能源系統透過直流直流轉換器 與一直交流轉換器供給部份電力；不足之電力則由電力 系統透過併聯型電力調節器，送至負載。 7. 如申請專利範圍第1項所述之再生能源系統之單相電力 調節器控制裝置，其中該併聯式電力調節器，其係包括 有一雙向電力調節臂、共同臂、換流臂之三組單臂雙開 關電路及二組電容電感滤波器所構成。 8. 如申請專利範圍第7項所述之再生能源系統之單相電力 調節器控制裝置，其中該雙向電力調節臂經一電容電感 濾波器連接至電力系統，負責調控直流鏈電壓及控制系 統之電力潮流。 9. 如申請專利範圍第7項所述之再生能源系統之單相電力 調節器控制裝置，其中該共同臂連接至電力系統與負載 之共同端，負責調控電力系統與負載共同端之電壓準 位。 10. 如申請專利範圍第7項所述之再生能源系統之單相電 力調節器控制裝置，其中該換流臂經一電容電感濾波器 連接至負載，負責調控輸出至負載端之電壓，且換流臂 200824220 之輸出電壓頻率與電力系統電源相同。 •如申凊專利II圍第7項所述之再生能 力調節器控制裝置，其中該三組單臂雙開：：之車相電 訊號由控制器產生。 又汗纟电路之控制 12·力^!料鄉㈣7韻敎衫㈣“之單相* 力调郎器控制裝置，其中該雙 、:之早相电 編“波寬 ^ ^ ip I- ^ fi iZTt l tnfl π ll ^*"st 力系統電源同步，且電力系統電_；=，號與電 系統電源進行直接或相移之其中二者就：由電力 力系統電源同步之訊號亦可由控制哭内部=仔、，且電 到較好之輸出波形，共同臂之 ^ ，為了達 步於電力系統電源之脈波寬度調變:=方式可為同 損失’共同臂驅動訊號之調變；二：了減少切換 電源之方波訊號。 大了為同步於電力系統 14. 如申請專利範圍第7項所述之再生A 力調節器控制裝置，其中1 〜源系統之單相電 力系統電源同步，為了'Γ同臂之開關控制訊號與電 失，共切換損 越點附近做脈寬調變控制。B Μ電源’且在零交 15. 如申請專利範圍第7項所述之再 力調節器控制裝置，其中該再 此"、系統之單相電 無法供應電力時，可直接啟統維修或故障而 又白电力凋節臂及換流臂 200824220 1關元件’使得負載電力直接 1 b· 如申請專刹鉻FI给7 r 兒刀糸統&供。 力調節器控制裝置，其中:::::原系統之單相電 無法供應電力時，可直接啟二Ί維K故障而 f„,l7U；,It!Γ4ΐ! ^^ 力凋即器控制裝置，ι中竽 ’、，、、、先之單相電 / 無法供應電力時，可线維修或故障而 換流臂之Γ時啟動雙向電力調節臂及 及換流臂之下=件7同時啟動雙向電綱 統提供。’開關凡件，使得負載電力直接由電力系 18'如申凊專利範圍第1項所述之再生能％ & 力調節器控制裝置，1中統之單相電 :Γ雙向電力調節臂=== 19输由，成，且設置有開_、S2、S3 _ •+二二r專利範圍第18項所述之再生能源系統之單相 電力調節器柝制壯班朴丄 尔、、兄 < 早相 而益法供庫、中該再生能源系統維修或故障 電力直接由電力系統提供。 使仔負載 電二二二專f :圍第18項所述之再生能源系統之單相 直接由電力㈣提供 關…使得負載電力 All，—雙開關電路所構成之併聯式電力調節 18 200824220 -雙向電力調節臂，用以 力系統三者間之電力潮流平衡.纟切4統與電 —輸出至負载端之電壓，·以及 一ςΜ ’連接至電力系統與負載之共同端，負 22. 电力系統與負載共同端之電壓準位。 、貝一空 如申請專利範圍第21項所述之三組單 =之併聯式電力調節器，其中該併聯式 更係包括有二組電容電感濾波器。