TW201315083A - 用於市電併聯之同步調整的下降控制系統 - Google Patents

Abstract

一種用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，係用以連接複數分散式發電模組以及市電系統，該下降控制系統包含有一偵測計算模組、複數對應複數該分散式發電模組的調整控制模組。該偵測計算模組分別與複數該分散式發電模組與該市電系統併聯並分別取得一電壓差異、一相位角差異以及一頻率差異，接著利用該調整控制模組進行實功-頻率、虛功-電壓變化的下降控制以及相位角補償。本發明藉由虛功-電壓變化的下降控制方式排除電力系統中之阻抗變化影響，達到快速及穩定收斂的目的，有效進行市電系統與分散式發電模組之電力同步調整。

Description

用於市電併聯之同步調整的下降控制系統

本發明係有關一種市電及微電網之同步調整系統，尤指一種用於市電併聯之同步調整的下降控制系統。

隨著再生能源的發展，分散式能源產生系統(Distributed Generation Systems,DGSs)如微電網(micro grid)、智慧型微電網等技術被積極的研究發展。最主要被應用在這些微電網系統中的電力控制方法有主從式控制(Master-slave)以及下降控制(Droop control)方法等，主從式控制系統必須設定一台轉換器為主要轉換器，其餘便為從屬轉換器，當主要轉換器損壞時，連帶會使得所有從屬轉換器無法動作，並且主要轉換器的負載能力以及電壓電流輸出能力必須要大於從屬轉換器，才能同時控制多台附屬轉換器，因而設計較為複雜。而下降控制系統中，目前已知可進行多台轉換器的控制技術中，其無法解決因阻抗不匹配所造成的電壓浮動問題，因而利用下降控制進行的同步調整效果較差。

市電併聯之電力系統的運轉方式可分為孤島模式(islanded mode)及電網連接模式(grid-connected mode)。孤島模式之運轉因為不需要與其他電網路進行連接，因而無須進行電壓、頻率及相位之同步，此模式主要應用於自給自足的微電網中，而當微電網中的發電模組電力供過於求，便可以提供給市電(Utility grid)使用；或者當市電系統過於不穩，該微電網便會斷開與市電的併聯，而自行運作。當微電網與市電進行併聯時，便為電網連接模式，由於微電網與市電之間必須進行電力的交換或提供，因而電力之電壓、相位及頻率等皆必須進行同步調整，而同步調整即為電網連接模式中較為困難且亟需解決之問題。其中如J. M. Guerrero及其共同作者於IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol. 58,no. 1,pp. 158-172,Jan. 2011所發表之「Hierarchical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids─A General Approach Toward Standardization」，其揭露一種利用下降控制的方式進行微電網的電力調整，包含利用實功-頻率(real power-frequency)以及虛功-電壓振幅(reactive power-voltage)的下降控制方法，並且利用多階段控制(multilevel control)的方式進行電壓振幅、相位及頻率的同步調控，藉此解決各電力系統之間的連接不同步問題，而可使各電力系統相互併聯或串聯。但利用虛功-振幅的下降控制方法進行同步調控，並未考慮電力系統中之阻抗變化的問題，因而有可能會使得電力控制無法達到快速及穩定收斂的目的，且有可能會造成虛功無限循環的問題，使得電力同步調整的控制效果不佳。

本發明之主要目的，在於解決因為電力系統中之阻抗變化造成電壓控制不穩定的問題。

為達上述目的，本發明提供一種用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，係用以連接複數分散式發電模組以及市電系統，該下降控制系統包含有一開關單元、一偵測計算模組以及複數調整控制模組。

該開關單元設置於複數該分散式發電模組及該市電系統之間，其控制該分散式發電模組與該市電系統之電性連接狀態。該偵測計算模組分別與複數該分散式發電模組與該市電系統併聯並分別取得一第一電組成及一第二電組成，藉由該第一電組成以及該第二電組成而取得該分散式發電模組與該市電系統之一電壓差異、一相位角差異以及一頻率差異。複數該調整控制模組對應複數該分散式發電模組並與該偵測計算模組連接，其各包含有一進行相位同步的同步單元以及一下降控制單元，該同步單元係根據該相位角差異輸出一補償相位訊號，該下降控制單元包含有一實功-頻率下降控制器以及一虛功-電壓變化下降控制器，該實功-頻率下降控制器係根據該頻率差異輸出一頻率控制訊號，該虛功-電壓變化下降控制器則根據不同時間之電壓振幅變化輸出一電壓振幅控制訊號。

複數該分散式發電模組分別根據對應之複數該調整控制模組所輸出之補償相位訊號、頻率控制訊號以及該電壓振幅控制訊號進行電壓振幅、頻率以及相位之調整，進而同步於該市電系統之電壓振幅、頻率以及相位，並藉由控制該開關單元而使複數該調整控制模組與該市電系統電性連接。

由上述說明可知，本發明具有下列特點：

1.　藉由複數該偵測計算模組而使複數該調整控制模組對複數該分散式發電模組進行對應的同步調整，而可應用於多發電模組與市電之系統同步控制。

2.　利用虛功-電壓變化之下降控制方式排除電力系統中之阻抗變化影響，進而達到快速及穩定收斂的目的。

3.利用該下降控制單元以及該同步單元而分別進行複數該分散式發電模組之電壓振幅、頻率及相位的調整，而同步於該市電系統之電壓振幅、頻率以及相位，而可於電網連接模式中穩定運轉。

有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱「圖1」及「圖2」所示，本發明係為一種用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，係用以連接複數分散式發電模組10以及市電系統20，該下降控制系統包含有一設置於複數該分散式發電模組10及該市電系統20之間的開關單元30、一分別與複數該分散式發電模組10與該市電系統20併聯的偵測計算模組40、複數對應複數該分散式發電模組10並與該偵測計算模組40連接的調整控制模組50以及一與複數該分散式發電模組10連接以使用該分散式發電模組10產生之電力的負載單元60，而於本實施例中，該分散式發電模組10係透過一阻抗單元61與該負載單元60連接。該分散式發電模組10以及調整控制模組50係可相對應而為複數個，而本發明係以兩組作為說明。而該分散式發電模組10所輸出之電力係為V_PCC∠θ_PCC，而該市電系統20之電力則以V_G∠θ_G表示，其中θ_PCC及θ_G分別表示其對應電力的相位角。此外，本發明中之偵測計算模組40係透過一通訊介面70與該調整控制模組50連接，且透過該通訊介面70而可將一中央指令71傳輸至該調整控制模組50，以控制該調整控制模組50之動作。

該開關單元30控制該分散式發電模組10與該市電系統20之電性連接狀態，當該開關單元30斷開該分散式發電模組10與該市電系統20之電性連接時，係為孤島模式，該分散式發電模組10係直接提供電力予該負載單元60；而若該開關單元30使該分散式發電模組10與該市電系統20電性連接時，其係為電網連接模式，而使該負載單元60之電力係由該分散式發電模組10以及該市電系統20共同提供，又或者使該分散式發電模組10在提供負載單元60之電力之餘，亦提供電力輸出至該市電系統20。

該偵測計算模組40分別取得一相關於該分散式發電模組10之第一電組成11及一相關於該市電系統20的第二電組成21，藉由該第一電組成11以及該第二電組成21而取得該分散式發電模組10與該市電系統20之一電壓差異45、一相位角差異46以及一頻率差異44。請配合參閱「圖2」所示，其係為本發明一較佳實施例之偵測計算模組的運算示意圖，於取得該第一電組成11以及該第二電組成21後，分別進行一相位鎖定回路41(phase lock loop)之處理取得該頻率差異44，並透過一電壓振幅差異計算單元42取得該電壓差異45，以及透過一相位角差異計算單元43取得該相位角差異46。更詳細的說明，第一電組成21以及第二電組成11分別為三相電位而分別具有abc三個相位，進而表示為V_Ga、V_Gb、V_Gc、V_PCCa、V_PCCb及V_PCCc。並經過相位轉換為qde的表示方式：V_G ^qe、V_G ^de、V_PCC ^qe及V_PCC ^de，以進行後續處理。而透過該相位鎖定回路41中之低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)以及比例積分控制器(Proportional and Integration controller,PI)分別進行轉換後取得其對應頻率以及角速度(ω_G以及ω_PCC)。而透過該電壓振幅差異計算單元42以平方相加再開根號的方式去除電壓正負號之差異，取得電壓差異45。而該相位角差異46係由公式(1)對應「圖2」之相位角差異計算單元43完成：

請配合參閱「圖3」所示，該調整控制模組50包含有一進行相位角同步的同步單元51、一下降控制單元52以及一電壓控制單元53。該電壓控制單元53則與該偵測計算模組40以及該下降控制單元52連接，並根據該電壓差異45進行電壓調整而輸出至該下降控制單元52。該下降控制單元52包含有一實功-頻率下降控制器521(power-frequency droop controller,P-f droop controller)以及一虛功-電壓變化下降控制器522(reactive power-voltage variety droop controller,Q- controller)，需先說明的是，本發明所稱之電壓變化係指電壓隨時間之振幅變化，因而使用來表示電壓振幅變化而與電壓V進行區別。該實功-頻率下降控制器521係根據該頻率差異44輸出一頻率控制訊號，一頻率回復器54(Frequency restoration)與該實功-頻率下降控制器521連接，其係利用回授方式取得該實功-頻率下降控制器521之一訊息後，進行回授調整，而輸出一進行實功調整的實功設定值P _{0 x} 至該實功-頻率下降控制器521。該虛功-電壓變化下降控制器522則根據不同時間之電壓振幅變化輸出一電壓振幅控制訊號，一電壓變化回復器55與該虛功-電壓變化下降控制器522連接，其係利用回授方式取得該虛功-電壓變化下降控制器522之一訊息後，進行回授調整，用以調整一輸出至該虛功-電壓變化下降控制器522的虛功定位值。

其中，該實功-頻率下降控制器521以及該虛功-電壓變化下降控制器522所輸出之控制訊號係依據以下公式(2)、(3)運算而得：

其中，m _x 及n _x 為實功及虛功之下降因素(droop coefficients)，f _{0 x} 、及V _{0 x} 分別代表頻率初始值(norminal frequency)、電壓振幅變化的初始值(norminal )以及電壓強度初始值(norminal voltage magnitude)。P _{0 x} 及Q _{0 x} 分別代表實功以及虛功的設定值(set point)，其相關於該分散式發電模組10之電力儲存量。

且藉由上述(2)式中，其中，一般設定為0，表示無電壓振幅變化，Q _{0 x} 則代表在初始時的虛功設定值，藉此可得知本發明係藉由電壓振幅隨時間變化之積分值以決定下降控制之參數調整。該實功-頻率下降控制器521僅能調整藉由頻率差異44進行調整而使該分散式發電模組10輸出之電力的頻率相同於該市電系統20，但原本即存在之相位角差異46或者於調整時間內造成的相位角差異46，並無法藉由頻率同步的方式進行補償。而該同步單元51係根據該相位角差異46輸出一相位角補償訊號，藉此使得該分散式發電模組10所輸出之電力的相位角同步於該市電系統20。而於本發明中，該中央指令71係控制該同步單元51於何時間點相位角補償訊號進行相位角補償。其可由下列(4)及(5)式表達：

其中，GS代表中央指令，當中央指令為1時，即進行相位補償，若GS為0，則不進行補償。本發明之同步方式如下：於該開關單元30斷開而為孤島狀態時，該偵測計算模組40取得複數該分散式發電模組10之第一電組成11以及該市電系統20之第二電組成21，進而藉由計算取得該電壓差異45、該相位角差異46以及該頻率差異44。而後再藉由該調整控制模組50進行電壓補償及頻率補償，請配合參閱「圖4」所示，其係具有三個顯示狀態：改變負載時間點81、相位角補償時間點82以及開關閉合時間點83，本實施例於改變負載時間點81時改變負載的負載量，藉此觀察同步調整狀況。因而於改變負載時間點81之前，相位角變化曲線91因為頻率調整漸趨於一致，而漸趨於穩定，而電壓變化曲線92也隨著該調整控制模組50之電壓調整而使電壓差異45漸趨於0，而於改變負載時間點81之後，該電壓變化曲線92瞬間增大，代表電壓差異45因為負載的變化而改變，但隨即透過調整控制模組50之調整而使電壓差異45回復於0。此時，由於負載之改變亦使得頻率也隨之變化，因而該相位角變化曲線91顯示相位角開始改變，但於一段時間後，頻率調整漸趨於一致，因而相位角變化也漸趨於穩定，但分散式發電模組10與市電系統20之間仍存在著相位角差。接著於相位角補償時間點82時，如「圖3」所示，該中央指令71控制該同步單元51輸出該相位角補償訊號，透過該同步單元51進行相位角差異46之補償，而使相位角差異46補償至0，因而使分散式發電模組10與市電系統20達到同步。而於開關閉合時間點83時，該開關單元30使該分散式發電模組10與該市電系統20電性連接，進入微電網模式，開始電力的交換。

綜上所述，由於本發明藉由複數該偵測計算模組40而使複數該調整控制模組50對複數該分散式發電模組10進行對應的同步調整，而可應用於多發電模組與市電之系統同步控制。除此之外，利用虛功-電壓變化之下降控制方式排除電力系統中之阻抗變化影響，進而達到快速及穩定收斂的目的。最後，利用該下降控制單元52以及該同步單元51而分別進行複數該分散式發電模組10之電壓振幅、頻率及相位角的調整，而同步於該市電系統20之電壓振幅、頻率以及相位角，而可於電網連接模式中穩定運轉。因此本發明極具進步性及符合申請發明專利之要件，爰依法提出申請，祈　鈞局早日賜准專利，實感德便。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍內。

10．．．分散式發電模組

11．．．第一電組成

20．．．市電系統

21．．．第二電組成

30．．．開關單元

40．．．偵測計算模組

41．．．相位鎖定回路

42．．．電壓振幅差異計算單元

43．．．相位角差異計算單元

44．．．頻率差異

45．．．電壓差異

46．．．相位角差異

50．．．調整控制模組

51．．．同步單元

52．．．下降控制單元

521．．．實功-頻率下降控制器

522．．．虛功-電壓變化下降控制器

53．．．電壓控制單元

54．．．頻率回復器

55．．．電壓變化回復器

60．．．負載單元

61．．．阻抗單元

70．．．通訊介面

71．．．中央指令

81．．．改變負載時間點

82．．．相位角補償時間點

83．．．開關閉合時間點

91．．．相位角變化曲線

92．．．電壓變化曲線

圖1，係本發明一較佳實施例之方塊配置示意圖。

圖2，係本發明一較佳實施例之偵測計算模組的運算方塊示意圖。

圖3，係本發明一較佳實施例之調整控制模組的運算方塊示意圖。

圖4，係本發明一較佳實施例之同步過程反應曲線示意圖。

10．．．分散式發電模組

20．．．市電系統

30．．．開關單元

40．．．偵測計算模組

50．．．調整控制模組

51．．．同步單元

52．．．下降控制單元

53．．．電壓控制單元

60．．．負載單元

61．．．阻抗單元

70．．．通訊介面

71．．．中央指令

Claims (8)

1. 一種用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，係用以連接複數分散式發電模組以及市電系統，該下降控制系統包含有：一設置於複數該分散式發電模組及該市電系統之間的開關單元，該開關單元控制該分散式發電模組與該市電系統之電性連接狀態；一分別與複數該分散式發電模組及該市電系統併聯並分別取得一第一電組成及一第二電組成的偵測計算模組，該偵測計算模組藉由該第一電組成以及該第二電組成而取得該分散式發電模組與該市電系統之一電壓差異、一相位角差異以及一頻率差異；複數對應複數該分散式發電模組並與該偵測計算模組連接的調整控制模組，其各包含有一進行相位同步的同步單元以及一下降控制單元，該同步單元係根據該相位角差異輸出一補償相位訊號，該下降控制單元包含有一實功-頻率下降控制器以及一虛功-電壓變化下降控制器，該實功-頻率下降控制器係根據該頻率差異輸出一頻率控制訊號，該虛功-電壓變化下降控制器則根據不同時間之電壓振幅變化輸出一電壓振幅控制訊號；複數該分散式發電模組分別根據對應之複數該調整控制模組所輸出之補償相位訊號、頻率控制訊號以及該電壓振幅控制訊號進行電壓振幅、頻率以及相位之調整，進而同步於該市電系統之電壓振幅、頻率以及相位，並藉由控制該開關單元而使複數該調整控制模組與該市電系統電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，其中該調整控制模組更包含一與該偵測計算模組以及該下降控制單元連接的電壓控制單元，該電壓控制單元根據該電壓差異進行電壓調整並輸出至該下降控制單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，其中該調整控制模組更包含有一與該實功-頻率下降控制器連接的頻率回復器，該頻率回復器用以調整一輸出至該實功-頻率下降控制器的實功定位值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，其中該調整控制模組更包含有一與該虛功-電壓變化下降控制器連接的電壓變化回復器，該電壓變化回復器用以調整一輸出至該虛功-電壓變化下降控制器的虛功定位值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，其中更具有一與複數該分散式發電模組連接以使用該分散式發電模組產生之電力的負載單元。
6. 如申請專利範圍第5項所述之用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，其中複數該分散式發電模組各透過一阻抗單元與該負載單元連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，其中該偵測計算模組係透過一通訊介面與該調整控制模組連接。
8. 如申請專利範圍第7項所述之用於市電併聯之同步調整的下降控制系統，其中一中央指令係透過該通訊介面傳輸至該同步單元，而控制該同步單元輸出補償相位訊號。