TW201328108A - 微電網系統中再生能源發電之分散式電源系統的控制方法 - Google Patents

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TW201328108A TW100150050A TW100150050A TW201328108A TW 201328108 A TW201328108 A TW 201328108A TW 100150050 A TW100150050 A TW 100150050A TW 100150050 A TW100150050 A TW 100150050A TW 201328108 A TW201328108 A TW 201328108A
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Kai-Chung Chu
Jian-Tang Liao
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本發明係揭露一種用於一電網系統之控制方法，其中該電網系統包括複數個分散式電源系統，且各該分散式電源系統各具有一相位角控制裝置，包含下列之步驟：藉由各該相位角控制裝置以決定各該對應之分散式電源系統之一輸出電壓之一相位角；以及運用各該相位角以決定各該分散式電源系統之一輸出/輸入功率潮流。

Description

微電網系統中再生能源發電之分散式電源系統的控制方法
本發明涉及微電網系統中再生能源發電之分散式電源(Distributed Energy Resource,DER)系統的控制方法，尤指一種具有一功率補償迴圈之微電網系統中再生能源發電之分散式電源系統的控制方法。
微電網系統由分散式電源系統與本地負載所組成，當發生故障或異常現象，導致微電網系統與市電隔離時，微電網系統將轉換成孤島運轉模式。
有關現有之微電網系統中再生能源發電之分散式電源系統的控制方法中，例如，下降控制法(Droop Control)，在進入孤島運轉模式時，是運用功率分擔方法來律定各個分散式電源系統對於本地負載所應分擔之輸出功率，亦即，其僅以系統額定大小分配維持微電網系統電力穩定所需之功率，但卻未考慮各個分散式電源系統中之再生能源的輸出會受天候因素影響，以至於微電網系統處於孤島運轉模式時，其輸出功率/電壓會有因天氣變化而不穩定之現象；此外，該下降控制法尚需透過通訊介面來連繫各個分散式電源系統，以使其達成功率之平衡，益增其控制方法之複雜度。
職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良發明之意念，終能發明出本案之「微電網系統中再生能源發電之分散式電源系統的控制方法」。
本案之主要目的在於提供一種具有一功率補償迴圈之微電網系統中再生能源發電之分散式電源的控制方法，使得在孤島運轉模式下，每一分散式電源系統完全無需透過通訊介面聯繫協調其他分散式電源系統，而可自行控制其變流器輸出端電壓之相位角，以達成功率平衡。
本案之又一主要目的在於提供一種用於一電網系統之控制方法，其中該電網系統包括複數個分散式電源系統，且各該分散式電源系統各具有一相位角控制裝置，包含下列之步驟：藉由各該相位角控制裝置以決定各該對應之分散式電源系統之一輸出電壓之一相位角；以及運用各該相位角以決定各該分散式電源系統之一輸出/輸入功率潮流。
本案之下一主要目的在於提供一種用於一電網系統之控制方法，其中該電網系統包括複數個分散式電源系統、一該電網系統與一市電之耦合點(PCC)和一包括一控制器之功率補償迴圈，包含下列之步驟：當運轉於一孤島模式時，如一特定之分散式電源系統之一實功不足，致使一參考電壓與一直流匯流排電壓間產生一變化時，使該特定之分散式電源系統之一輸出電壓的一相位角落後於該PCC之一電壓相位角；自其他操作在一相位角領先狀態的分散式電源引進功率以進行一功率補償；以及當該功率補償發生後，使該特定分散式電源系統之該直流匯流排電壓回復到該參考電壓。
為了讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第一圖所示為本專利所考慮的微電網系統之示意圖，該系統中每一分散式電源系統皆由一升壓型直流-直流轉換器(各具一輸出電壓，例如：V d1、V d2與V d3)與一電壓型直流-交流變流器VSI(各具一輸出電壓，例如：v o1、v o2與v o3)所組成，該系統更包括複數個本地負載(例如：本地負載1、本地負載2與本地負載3)。為維持微電網系統供電可靠度，在微電網系統中之該複數個分散式電源系統至少需要一穩定直流(DC)電源(如柴油發電機、充飽電之電池等)作為主要電源(DG3)，而其餘則可為輸出受天氣影響的再生能源(DG1、DG2)。
微電網系統與市電之耦合點(Point of Common Coupling,PCC)透過靜態轉換開關(Static Transfer Switch,STS)與市電連結。在市電並聯模式下，每一分散式電源系統調節自己本身的輸出電壓(v o1、v o2與v o3)，並透過預先設計之串聯電感(L 1、L 2與L 3)控制輸出/輸入功率潮流(power flow)。
當發生故障或異常現象導致微電網系統與市電隔離時，微電網系統藉STS開啟轉換成孤島運轉模式。每一分散式電源系統皆為連續性地調節其輸出電壓，因此可平順的切換微電網系統的運轉模式。
在孤島運轉模式時，微電網系統與市電隔離，因此微電網系統內本地負載由分散式電源系統供應。為維持系統電壓及頻率穩定，此運轉模式下須考量負載需量與分散式電源系統發電量之平衡問題。故此模式下再生能源未必操作於最大功率點，而僅以滿足本地負載電力需求為主要考量。若本地負載或再生能源發電量變動而導致電力不足時，本發明所提出之控制方法可提供自動功率補償控制，以彌補不足的電能需求，進而維持微電網系統於孤島運轉模式之穩定度。
本發明所提供之微電網系統中分散式電源系統之控制方法，使每一個分散式電源系統皆以相同控制器運轉，複數個分散式電源系統之間可獨立運作及自動補償不足之功率，而不須透過通訊介面溝通。本發明所提供之微電網系統中分散式電源系統的控制方法，可分為「市電並聯模式」與「孤島運轉模式」兩部份，分別詳述如下：
一、市電並聯模式
VSI的輸出功率潮流控制主要以傳統電力系統匯流排間功率潮流控制方法為基礎，其概念架構圖如第二圖所示。其中E為VSI輸出電壓、V為市電電壓、Z為傳輸線阻抗值(經設計後額外加入)、φ為E與V之間的相位角差。
其中經由VSI傳送至市電之實功P與虛功Q可經由下式表示：
虛功及實功分別藉相位角差φ與電壓差E-V控制，以VSI為基礎的分散式電源系統能夠控制其輸出電壓的相位角和大小，因此藉著調節分散式電源系統輸出電壓之相位角，而可控制注入市電之實功。
第三圖為市電並聯模式下之分散式電源系統的控制方塊圖，此方塊圖包含了兩個控制迴圈，功率控制迴圈是為了控制注入到市電電的功率，而功率補償迴圈則是為了預防分散式電源操作於超過其能力的情況。
在功率控制迴圈內，PI控制器藉著調整功率相位角差ΔΦ將功率指令P *與注入實功P Li 之間的誤差最小化。而迴圈內的限制器(Limiter)則用於避免誤差過大而導致本發明所提出之控制方法不穩定。藉由鎖相迴路(PLL)偵測市電電壓的相位角Φ g，並與相位角差ΔΦ總和得到相位角指令(Φ *)，傳送相位角指令Φ *到正弦波產生器使其產生與相位角指令Φ *同相位的正弦波，此正弦波再乘上系統電壓峰值(110×1.414 V)則作為電壓參考指令V * rer。透過電壓控制器，以達成根據電壓參考指令V * ref調整輸出電壓可達到分散式電源系統注入至電網系統的功率操作目的。
如第一圖所示，分散式電源系統的直流-直流轉換器用以穩定變流器輸入端之直流匯流排電壓(200 Vdc)。設定V d,ref(200 Vdc)調整轉換器的直流匯流排電壓，然而一旦功率輸出指令P *超過分散式電源系統所能提供之功率，則直流匯流排電壓即無法維持於200 Vdc。因此所提功率補償迴圈之目的即為了避免分散式電源系統操作於超過其能力之情況下。在功率補償迴圈中，當V d.ref和V di電壓誤差發生時(即直流測無法維持200V)，藉PI控制器將誤差補償以減少功率指令，使輸入電源和功率指令平衡以調整直流匯流排電壓回升至參考電壓V d,ref。
二、孤島運轉模式
第四圖為孤島運轉模式時分散式電源系統的控制方塊圖。在正常情況下，當每一分散式電源系統有足夠電力供應各自的本地負載時，分散式電源系統能調整本身輸出電壓之相位角，使其與進入孤島模式前所擷取到PLL訊號所定義的參考相位角同相。因此無功率於分散式電源系統間傳遞，每一分散式電源系統能夠獨立供應電力至本地負載。
一旦本地負載需求超過再生能源之最大功率點，分散式電源系統之直流匯流排電壓V di將無法維持參考值V d,ref(200V)。此情況下參考電壓V d,ref和匯流排電壓V di的誤差將導致相位角指令Φ *減少(藉由減少ΔΦ)，使變流器輸出電壓相位角落後PCC電壓相位角，如此一來，實功不足的分散式電源系統將自其他操作在相位角領先的分散式電源系統引進功率。功率補償發生後，匯流排電壓將會回復到參考電壓V d,ref。
前述所提控制流程可運轉於市電並聯與孤島運轉兩種模式下，且考量再生能源輸出不穩定之特性，每一分散式電源系統能夠獨立運作與互相協調而不需透過通訊介面。
實施例：
1.一種用於一電網系統之控制方法，其中該電網系統包括複數個分散式電源系統，且各該分散式電源系統各具有一相位角控制裝置，包含下列之步驟：藉由各該相位角控制裝置以決定各該對應之分散式電源系統之一輸出電壓之一相位角；以及運用各該相位角以決定各該分散式電源系統之一輸出/輸入功率潮流。
2.根據實施例1所述之方法，更包括下列之步驟：當該電網系統運作於一市電並聯模式時，運用各該分散式電源系統之該輸出電壓與一市電之一額定電壓間之一差值，以決定各該分散式電源系統傳送至該市電之一虛功；以及當該電網系統運作於該市電並聯模式時，運用各該分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角，以決定各該分散式電源系統傳送至該市電之一實功。
3.根據實施例1或2所述之方法，更包括下列之步驟：當該電網系統運作於一孤島模式時，使各該分散式電源系統調整其本身之該輸出電壓之該相位角；使該經調整之相位角與進入該孤島模式前各該分散式電源系統所獲得之一參考相位角相同；以及使各該分散式電源系統分別依據該經調整之相位角以供應一特定之功率至一對應之本地負載。
4.根據以上任一實施例所述之方法，其中該使各該分散式電源系統步驟更包括下列之步驟：當該特定之功率超過一特定之分散式電源系統之一最大功率點時，該特定之功率大於該最大功率點之一值，將使該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角落後於該額定電壓之一相位角；使該相位角落後之該特定之分散式電源系統自其他具有一領先之相位角之各個分散式電源系統引進一補償功率以進行一功率補償；以及當該功率補償完成後，該相位角落後之該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角將會與該額定電壓之該相位角相同。
5.根據以上任一實施例所述之方法，其中該使各該分散式電源系統步驟更包括一步驟：當該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角落後於該額定電壓之該相位角，且無任何具有該領先之相位角之特定之分散式電源系統時，使該相位角落後之該特定之分散式電源系統被關閉。
6.一種用於一電網系統之控制方法，其中該電網系統包括複數個分散式電源系統、一該電網系統與一市電之耦合點(PCC)和一包括一控制器之功率補償迴圈，包含下列之步驟：當運轉於一孤島模式時，如一特定之分散式電源系統之一實功不足，致使一參考電壓與一直流匯流排電壓間產生一變化時，使該特定之分散式電源系統之一輸出電壓的一相位角落後於該PCC之一電壓相位角；自其他操作在一相位角領先狀態的分散式電源引進一功率以進行一功率補償；以及當該功率補償發生後，使該特定分散式電源系統之該直流匯流排電壓回復到該參考電壓。
7.根據實施例6所述之方法，更包括下列之步驟：當該電網系統運作於一市電並聯模式時，運用各該分散式電源系統之該輸出電壓與該市電之一額定電壓間之一差值，以決定各該分散式電源系統傳送至該市電之一虛功；以及當該電網系統運作於該市電並聯模式時，運用各該分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角，以決定各該分散式電源系統傳送至該市電之一實功。
8.根據實施例6或7所述之方法，更包括下列之步驟：當該電網系統運作於一孤島模式時，使各該分散式電源系統調整其本身之該輸出電壓之該相位角；使該經調整之相位角與進入該孤島模式前之各該分散式電源系統所獲得之一參考相位角相同；以及使各該分散式電源系統分別依據該經調整之相位角以供應一特定之功率至一對應之本地負載。
9.根據以上任一實施例所述之方法，其中該使各該分散式電源系統步驟更包括下列之步驟：當該特定之功率超過一特定之分散式電源系統之一最大功率點時，該特定之功率大於該最大功率點之一值，將使該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角落後於該額定電壓之一相位角；使該相位角落後之該特定之分散式電源系統自其他具有一領先之相位角之各個分散式電源系統引進一補償功率以進行一功率補償；以及當該功率補償完成後，該相位角落後之該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角將會與該額定電壓之該相位角相同。
10.根據以上任一實施例所述之方法，其中該使各該分散式電源系統步驟更包括一步驟：當該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角落後於該額定電壓之該相位角，且無任何具有該領先之相位角之特定之分散式電源系統時，使該相位角落後之該特定之分散式電源系統被關閉。
綜上所述，本發明在於提供一種具有一功率補償迴圈之微電網系統中再生能源發電之分散式電源系統的控制方法，使得在孤島運轉模式下，每一分散式電源系統完全無需透過通訊介面聯繫協調其他分散式電源系統，而可自行控制其變流器輸出端電壓之相位角，以達成功率平衡，故其確實具有進步性與新穎性。
是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
第一圖：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例之一微電網系統之示意圖；
第二圖：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例之一功率潮流模組之等效電路圖；
第三圖：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例之一市電並聯模式下之控制方塊圖；以及
第四圖：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例之一孤島運轉模式下之控制方塊圖。

Claims (10)

  1. 一種用於一電網系統之控制方法，其中該電網系統包括複數個分散式電源系統，且各該分散式電源系統各具有一相位角控制裝置，包含下列之步驟：藉由各該相位角控制裝置以決定各該對應之分散式電源系統之一輸出電壓之一相位角；以及運用各該相位角以決定各該分散式電源系統之一輸出/輸入功率潮流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括下列之步驟：當該電網系統運作於一市電並聯模式時，運用各該分散式電源系統之該輸出電壓與一市電之一額定電壓間之一差值，以決定各該分散式電源系統傳送至該市電之一虛功；以及當該電網系統運作於該市電並聯模式時，運用各該分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角，以決定各該分散式電源系統傳送至該市電之一實功。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括下列之步驟：當該電網系統運作於一孤島模式時，使各該分散式電源系統調整其本身之該輸出電壓之該相位角；使該經調整之相位角與進入該孤島模式前各該分散式電源系統所獲得之一參考相位角相同；以及使各該分散式電源系統分別依據該經調整之相位角以供應一特定之功率至一對應之本地負載。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該使各該分散式電源系統步驟更包括下列之步驟：當該特定之功率超過一特定之分散式電源系統之一最大功率點時，該特定之功率大於該最大功率點之一值，將使該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角落後於該額定電壓之一相位角；使該相位角落後之該特定之分散式電源系統自其他具有一領先之相位角之各個分散式電源系統引進一補償功率以進行一功率補償；以及當該功率補償完成後，該相位角落後之該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角將會與該額定電壓之該相位角相同。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該使各該分散式電源系統步驟更包括一步驟：當該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角落後於該額定電壓之該相位角，且無任何具有該領先之相位角之特定之分散式電源系統時，使該相位角落後之該特定之分散式電源系統被關閉。
  6. 一種用於一電網系統之控制方法，其中該電網系統包括複數個分散式電源系統、一該電網系統與一市電之耦合點(PCC)和一包括一控制器之功率補償迴圈，包含下列之步驟：當運轉於一孤島模式時，如一特定之分散式電源系統之一實功不足，致使一參考電壓與一直流匯流排電壓間產生一變化時，使該特定之分散式電源系統之一輸出電壓的一相位角落後於該PCC之一電壓相位角；自其他操作在一相位角領先狀態的分散式電源引進一功率以進行一功率補償；以及當該功率補償發生後，使該特定分散式電源系統之該直流匯流排電壓回復到該參考電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包括下列之步驟：當該電網系統運作於一市電並聯模式時，運用各該分散式電源系統之該輸出電壓與該市電之一額定電壓間之一差值，以決定各該分散式電源系統傳送至該市電之一虛功；以及當該電網系統運作於該市電並聯模式時，運用各該分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角，以決定各該分散式電源系統傳送至該市電之一實功。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包括下列之步驟：當該電網系統運作於一孤島模式時，使各該分散式電源系統調整其本身之該輸出電壓之該相位角；使該經調整之相位角與進入該孤島模式前之各該分散式電源系統所獲得之一參考相位角相同；以及使各該分散式電源系統分別依據該經調整之相位角以供應一特定之功率至一對應之本地負載。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該使各該分散式電源系統步驟更包括下列之步驟：當該特定之功率超過一特定之分散式電源系統之一最大功率點時，該特定之功率大於該最大功率點之一值，將使該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角落後於該額定電壓之一相位角；使該相位角落後之該特定之分散式電源系統自其他具有一領先之相位角之各個分散式電源系統引進一補償功率以進行一功率補償；以及當該功率補償完成後，該相位角落後之該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角將會與該額定電壓之該相位角相同。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該使各該分散式電源系統步驟更包括一步驟：當該特定之分散式電源系統之該輸出電壓之該相位角落後於該額定電壓之該相位角，且無任何具有該領先之相位角之特定之分散式電源系統時，使該相位角落後之該特定之分散式電源系統被關閉。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI574481B (zh) * 2015-12-11 2017-03-11 Nat Chung-Shan Inst Of Science And Tech Hybrid power supply

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI574481B (zh) * 2015-12-11 2017-03-11 Nat Chung-Shan Inst Of Science And Tech Hybrid power supply

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