TW201431238A - 虛擬發電廠 - Google Patents
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Abstract
一種虛擬發電廠，係包含複數用戶端單元、複數電力控制單元及至少一區域電力控制單元，其中，該用戶端單元具有用戶負載電力供電、電力發電、電力儲能及回賣電力之控制功能，該電力控制單元分別連結及控制各用戶端單元之市電電力供應及回賣電力集中回饋至市電電源網路，該區域電力控制單元連結各電力控制單元，以儲存及監控各電力控制單元之區域市電電力供應及回賣電力資訊。
Description
本發明係關於一種虛擬發電廠，尤指一種應用於區域群體用戶電力供應，及具有區域電力自動經濟調度供電與電力回賣供電網路之虛擬發電廠。
按，習知電力用戶供電網路為單向供電系統，從實體發電廠經輸電線路以如345仟伏(KV)超高壓輸送至一次變電所或二次變電所，轉換成較低之22仟伏(KV)電壓後，再經由區域或市區配電網路以單向三線之220伏特電壓供應至各個用戶端，此種習知以實體發電廠為主的供電系統，在輸電及配電系統中，因為電力在冗長輸、配電線路及多層變電所或配電所的電力轉換過程中，通常會損耗電力4-5%，不但損耗太多無效之電力，且需花費大量之火力、核能、水力、汽電或風力等實體發電廠之建置成本，並且，上述冗長的輸、配電線路架設成本、電力損耗及各變電所、配電所之建置成本，亦是使發電成本及用戶端每度用電電費高居不下之主要原因，尤其是國際原油、煤炭及天然氣等習知實體發電廠所主要仰賴之發電原料頻頻喊漲，發電成本及用戶端每度用電電費向上調漲，已是不可避免之趨勢。
然而，為了因應習知以實體發電廠為主之供電系統所帶來之發電成本及用戶端每度用電電費向上調漲之問題，或有萌生改良者，推出如用戶端的綠能節能措施或消極性的智慧型電網技術，例如：中華民國專利公報第M391231號「整合電力線網路與網際網路之遠端安全監控裝置」新型專利案及發明專利公開號第201145745號「利用智慧電網之家庭資源管理系統」發明專利公開案，則揭示消極性之電力用戶端負載節能監控裝置及消極性家庭用戶智慧電網管理系統，除了用戶端之用戶必需在於每個常
用的電力負載上改變及加裝相關之負載監測裝置外，對於發電電力回饋之效果，亦只能獨善其身，無法對相鄰或所屬之區域電力供電有所重大回饋及產生顯著之電力經濟調度功效，無法立即提供產業利用，對於實體發電廠之供電系統業者而言，並沒有實際降低發電成本及容量之經濟效益與助益。
除此之外，在其他相關之先前專利技術文獻方面，如中華民國專利公報發明專利公開號第201041267號「智慧型混合式電源轉換控制系統」發明專利公開案，則揭示一種習知用戶端電源儲能系統經多重直流、交流電源間轉換之電源系統，以及，中華民國專利公報第M384459號「綠能複合電力轉換裝置」新型專利案，則揭示在交流市電及多個綠能電源以直流匯流排模組為一平台，再搭配以一具有電流分配與脈衝寬度調變(PWM)控制技術的微處理器來進行直流對直流(DC TO DC)或直流對交流(DC TO AC)的電源轉換控制及負載供電，相同地，此兩者習知電源系統亦僅是獨善其身之用戶端供電系統，對於區域內之電力供電及電力經濟調度並沒有實質之助益，且該電源系統經多重直流、交流轉換設備進行轉換後，同樣會耗損大量的電力，最終真正能挹注供電系統之電力實屬有限。
另外，又如官方單位行政院原子能委員會所提出之相關先前專利技術，如中華民國專利公報發明專利公開號第201115874號「微電網儲能備用電源之網絡連接方式與調度方法」發明公開案及發明專利公開號第201216586號「具備智慧型調度管理之電網架構」發明公開案，則分別針對微電網及電網之經濟調度提出對策技術及架構，但僅限於微電網之儲能裝置軟體概念及大系統電網之經濟調度，對於要落實在如社區或村里間之區域型態用戶端供電及發電經濟調度，則沒有具體的技術與對策，且無法將該系統或方法或架構直接轉移至社區或村里間之區域用戶端的電力供應與發電經濟調度使用。
上述習知實體發電廠或智慧型電網等技術，由於需建置龐大成本之實體發電廠及輸、配電線路，以及，冗長輸、配電線路所造成之電力耗損，或者只有適用於單一用戶端使用之智慧型電網，而不適合應用於
如社區或村里間之區域型供電或賣電等智慧型電網，致使存在有電力供電成本及每度用電電費居高不下及調漲等不符電力供電經濟效益及經濟調度之問題與缺點。
緣此，本發明之主要目的，係在提供一種虛擬發電廠，係包含複數用戶端單元、複數電力控制單元及至少一區域電力控制單元，其中，該用戶端單元具有用戶負載電力供電、電力發電、電力儲能及回賣電力之控制功能，該電力控制單元分別連結及控制各用戶端單元之市電電力供應及回賣電力集中回饋至市電電源網路，該區域電力控制單元連結各電力控制單元，以儲存及監控各電力控制單元之區域市電電力供應及回賣電力資訊。
本發明之虛擬發電廠之功效，係在於藉由該用戶端單元之智慧型電錶進行第一層之電力供電及賣電管理架構，並且，該用戶端單元更具備有電力集中器、電力分配器及儲能控制器，可以針對至少一種發電裝置之發電電力作集中處理，以及供電之電力分配與至少一儲能器之儲電控制，另外，該電力控制單元可以直接結合於現有的電力公司之桿上變壓器或路旁亭式變壓器，並整合控制與管理複數個用戶端單元間之電力供電與賣電之電力經濟調度，形成第二層之電力供電及賣電管理架構，再藉由該區域電力控制單元整合儲存與管理複數個電力控制單元間之電力供電及賣電資訊，形成第三層之電力供電及賣電管理架構，藉由此多層之電力供電及賣電管理架構，不需要另外仰賴智慧型電網之建置，而可以適用於如中、小型社區或村里間之區域型自給自助的虛擬發電廠供電模式，且直接可利用目前既有之輸、配電線路，而不需建置高成本之實體發電廠及冗長之輸、配電線路，也不會產生因冗長輸、配電線路所造成之電力耗損，可大幅降低發電成本及用戶端每度用電電費。
100‧‧‧虛擬發電廠
10‧‧‧用戶端單元
11‧‧‧智慧型電錶
111‧‧‧電力匯流排端
112‧‧‧電力輸出端
113‧‧‧電力輸入端
12‧‧‧電力集中器
121‧‧‧發電裝置
13‧‧‧電力分配器
131‧‧‧配電盤
131A‧‧‧用電負載
131B‧‧‧用電負載
131C‧‧‧用電負載
14‧‧‧儲能控制器
141‧‧‧儲能控制器
20‧‧‧電力控制單元
21‧‧‧通訊介面模組
22‧‧‧微處理器
23‧‧‧電力切換裝置
30‧‧‧區域電力控制單元
31‧‧‧通訊介面模組
32‧‧‧中央處理單元
33‧‧‧儲存裝置
200‧‧‧電力匯流排
300‧‧‧市電電源
A1‧‧‧用戶群組
A2‧‧‧用戶群組
A3‧‧‧用戶群組
A4‧‧‧用戶群組
A5‧‧‧用戶群組
第一圖為本發明之虛擬發電廠之系統方塊結構圖；第二圖為本發明之虛擬發電廠之用戶端單元之方塊電路圖；
第三圖為本發明之虛擬發電廠之電力控制單元之方塊電路圖；第四圖為本發明虛擬發電廠之區域電力控制單元之方塊電路圖；第五圖為本發明虛擬發電廠之較佳應用例圖。
請參閱第一圖及第二圖所示，本發明之虛擬發電廠100係包括複數用戶端單元10，具有用戶負載電力供電、電力發電、電力儲能及回賣電力之控制功能，各用戶端單元10之型式不限，在本發明中係列舉包括至少一智慧型電錶11、電力集中器12、電力分配器13及儲能控制器14所組成為例，其中，該智慧型電錶11具有計算每度用電電費、回賣電費及市電電源、回賣電源間之初步電力經濟調度控制功能，該智慧型電錶11並設有一電力匯流排端111、一電力輸出端112及一電力輸入端113，該電力匯流排端111供連結至一電力匯流排200，該電力匯流排200包括交流市電電源及回賣電源饋線，該電力輸出端112供輸出交流市電電源，該電力輸入端113供輸入回賣電源，以讓智慧型電錶11針對該電力匯流排端111之交流市電電源及電力輸入端113輸入之回賣電源間進行初步之電力經濟調度控制，換言之，即是針對交流市電電源與回賣電源間之電力需求，而決定該電源輸出端112之市電電源投入與否。
該電力集中器12，連結該智慧型電錶11之電源輸入端113及至少一發電裝置121，該發電裝置121之型式不限，可以為一固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)、質子交換膜燃料電池(PEM Fuel Cell，簡稱PEM FC)、風力發電機或太陽能電池等發電裝置，在本發明中係以固態氧化物燃料電池為例，其發電效率較高，可達60%，比目前習知之循環式天然氣發電機組之發電效率45%還高，且該固態氧化物燃料電池排碳量為0.3kg(公斤)/KWH(仟瓦/小時)，較目前習知實體發電廠之發電機組發電所產生之平均排碳量為0.6kg/kWH還低，該發電裝置121並提供發電電力給該電力集中器12整合後轉換成交流市電電源，經該電源輸入端113回饋給該智慧型電錶11，作為智慧型電錶11中回賣電源。
該電力分配器13，連結該智慧型電錶11之電源輸出端112
及至少一配電盤131，以使該智慧型電錶11輸出交流市電電源給配電盤131，該配電盤131連結複數用電負載131A、131B、131C，該用電負載131A、131B、131C可以為家庭電器、電燈、電熱器、電熱水器…等等用電負載，由該配電盤131予以作迴路供電與控制。
該儲能控制器14連結至少一儲能控制器141、電力分配器13及電力集中器12，其中，該儲能器141之型態不限，可以是蓄電池模組的電池銀行(Battery Bank)或超級電容(Ultra Capacitor)等儲能設備所組成，使該儲能控制器14將來自電力分配器13之多餘負載容量的交流市電電源對該儲能器141進行儲能，該儲能器141再將儲能電力提供給電力集中器12，由電力集中器12整合轉換成交流市電電源輸出至智慧型電錶11。
上述之智慧型電錶11，接收來自電力集中器12所輸出之回賣電力，再根據電力分配器13對配電盤131及儲能控制器14之負載供電需求予以決定將該電力集中器12回賣電力全部直接投入作為交流市電電源供應，或部份投入作為交流市電電源供應、部份剩餘電力經智慧型電錶11之電力匯流排端111之電力匯流排200賣回電力公司業者，而無論是將回賣電力直接作為電力分配器13之主要市電電源供應，或部份剩餘電力回賣電力公司業者，均可經由該智慧型電錶11予以自動控制與計算回賣電費與扣抵總用電度數電費。
請再配合第三圖所示，複數個電力控制單元20，可直接結合於電力公司現有之桿上變壓器或路旁亭置變壓器之上，經由電力匯流排200連結上述複數個用戶端單元10之智慧型電錶11經電力匯流排端111，並由複數個用戶端單元10連結形成為一個區域供電組群，受該電力控制單元20控制供應交流市電電源或回賣電力應用，以形成第二層之電力供電及賣電管理架構。
該電力控制單元20之型式不限，在本發明中係列舉包括至少一通訊介面模組21、微處理器22及電力切換裝置23，其中，該通訊介面模組21以電力匯流排111連結至各個所屬用戶端單元10之智慧型電錶11，該通訊介面模組21之型式不限，在本發明中係以如G3-PLC(G3 POWER LINE COMMUNICATION)電力線通訊模組為例，可以透過電力線通訊協定(Power
Line Communications protocol)，透過電力傳輸方式，同時將通訊及控制訊號於各個所屬用戶端單元10之智慧型電錶11與該電力控制單元20之通訊介面模組21間作傳輸通訊，當然，此通訊介面模組21也可以是無線通訊模組型態，例如：習知之Zig Bee無線通訊傳輸介面。
該微處理器22具有小區域電力經濟調度及回賣電力計算與調度再利用處理功能，該微處理器21連結該通訊介面模組21，以輸入該通訊介面模組21所接收之各所屬用戶端單元10之智慧型電錶11之用電需求、用電度數或賣電訊息、賣電度數，並根據此所屬用戶端單元10之智慧型電錶11之用電需求或賣電訊息，再透過該通訊介面模組21，以電力線通訊協定，將控制各用戶端單元10之智慧型電錶11之電力供電或回賣電力訊號予以傳送至各用戶端單元10之智慧型電錶11中，使各用戶端單元10之智慧型電錶11分別進行各用電用戶之電力供應或回賣電力處理。
該電力切換裝置23連結一市電電源300、微處理器22及通
訊介面模組21，其中，該市電電源300係可以為電力公司現有之桿上變壓器或路旁亭置變壓器之220伏單相三線交流市電電源，該電力切換裝置23並受該微處理器22之控制而作電力切換操作，該電力切換操作模式包括將該市電電源300透過通訊介面模組21所連結之電力匯流排200直接向各所屬之用戶端單元10之智慧型電錶11進行單獨供電或與用戶端單元之智慧型電錶11所回賣之電力一同並聯供電，或者切斷市電電源300之供電，而單獨以各所屬之用戶端單元10之智慧型電錶11回賣電力進行單獨供電，上述之電力切換裝置23之型式不限，在本發明中係以電力電驛為例，其他如等效之電力開關亦屬本發明之範疇。
請再參閱第四圖所示，該區域電力控制單元30連結各電力
控制單元20，以對各電力控制單元20進行電力供應、回賣電力等資訊之儲存、監控，以形成第三層之電力供電及賣電管理架構，該區域電力控制單元30可以結合一遠端或近端之電力變電所或變電站，該區域電力控制單元30並包括一通訊介面模組31、中央處理單元32及至少一儲存裝置33，其中，該通訊介面組31，可以為上述之G3-PLC電力線通訊介面模組或Zig Bee無線傳輸介面模組所構成，在本發明中係以G3-PLC電力線通訊介面模組為
例，該通訊介面模組31連結各電力控制單元20之通訊介面模組21，經該微處理器22控制，以電力線通訊協定，傳輸各所屬用戶端單元10之智慧型電錶11之用電度數及賣電度數，經該區域電力控制單元30之通訊介面模組31接收。
該中央處理單元32，具有用電電費、賣電電費計算，以及，
監控各電力控制單元30運作之功能，該中央處理單元32連結該通訊介面模組31，以輸入該通訊介面模組31所接收來自各電力控制單元20之通訊介面模組21之各用戶端單元10之智慧型電錶11之用電度數、供電需求及賣電度數、賣電訊息，以對各電力控制單元20進行監控與用電度數、供電需求及賣電度數、賣電訊息等資料計算與儲存控制。
該儲存裝置33，連結該中央處理單元32，以提供中央處理
單元32對於各用戶端單元10之智慧型電錶11之用電度數、供電需求及賣電度數、賣電訊息等資訊儲存。
請再參閱第五圖所示，為本發明之虛擬發電廠100之較佳應
用例，其中，顯示本發明之虛擬發電廠100應用於社區發電供電模式，其中，區分為五個用戶群組A1~A5，每一個用戶群組A1~A5係由5~6個用戶端單元10個或10~20個用戶端單元10所組成，各用戶群組A1~A5各由一電力控制單元20所連結控制，而該電力控制單元20可就近連結於市電電源300之桿上變壓器或路旁亭置式變壓器上，形成猶如無人自動的小型電力調度站，且其電力供來源可以由市電電源300或每一所屬用戶群組A1~A5的供電電力或回賣電力。
首先可以由各用戶端單元10的智慧型電錶11進行供電或賣
電的最下層電力調度處理，使各智慧型電錶11依據各電力分配器13所連結之用電負載131A、131B、131C的負載需求，予以決定需要向上層之電力控制單元20請求負載由市電電源300電力供電或不由市電電源300電力供電，並將剩餘電力儲存至儲能控制器14所連結之各儲能器141中，或直接將剩餘電力透過電力匯流排200回賣等電力調度控制。
另外，再由各個用戶群組A1~A5的上層電力控制單元20
依據各所屬所轄之用戶端單元10的智慧型電錶11之市電電源300供電需求
或回賣電力需求，予以控制市電電源300的投入供電與否，此動作可以由各電力控制單元20的電力切換裝置23的切換操作達成，使各個用戶群組A1~A5的上層電力控制單元20可以有效掌握各用戶端單元10之負載用電、供電及賣電狀態，並予以作出適當的市電電源300投入供電或由各用戶端單元10自行發電供電或將剩餘電力儲存或賣電之操作控制。
此外，區域電力控制單元30則扮演如社區電力供電或賣電
之總樞鈕，它可以結合現有市電電源300之近端變電所或者直接設於社區活動中心，以對各電力控制單元20進行即時監控，並將各電力控制單元20所屬之各個用戶群組A1~A5的各用戶端單元10的用電度數或賣電度數、供電需求或賣電資訊予以儲存管理，進而形成一不需具備實體發電廠設施，但具備實體發電廠之發電、供電經濟調度及回賣電功效之虛擬發電廠，極適合應用於社區、村里間之區域供電系統。
綜上所述，本發明之虛擬發電廠100所列舉之各圖式及說
明，係為便於說明本發明之技術內容，所列舉之實施例之一隅，並非用以限制本發明之範疇，舉凡是針對本發明之結構細部或元件的等效變更與置換，當屬本發明之範疇，其範圍將由以下的申請專利範圍來界定之。
100‧‧‧虛擬發電廠
10‧‧‧用戶端單元
20‧‧‧電力控制單元
30‧‧‧區域電力控制單元
200‧‧‧電力滙流排
Claims (12)
- 一種虛擬發電廠，係包括：複數用戶端單元，具有用戶負載電力供電、電力發電、電力儲能及回賣電力之初步電力經濟調度控制功能；複數電力控制單元，以連結各用戶端單元及一市電電源，並接收各用戶端單元之用戶負載電力供電及回賣電力之資訊，並根據各用戶端單元之控制機座用戶負載電力供電及回賣電力資訊，以控制各用戶端單元之市電電源供電或回賣電力之電力調度操作；及至少一區域電力控制單元，連結各電力控制單元，以接收各電力控制單元所連結各用戶端單元之用電度數、電力供電需求或賣電度數、回賣電力需求等資訊，以監控各電力控制單元及儲存管理該各用戶端單元之用電度數、電力供電需求或賣電度數、回賣電力需求等資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之虛擬發電廠，其中，該用戶端單元係包括：至少一智慧型電錶，具有計算每度用電電費、回賣電費及市電電源、回賣電源間之初步電力經濟調度控制功能，該智慧型電錶並設有一電力匯流排端、一電力匯流排端及一電力輸入端，該電力匯流排端供連結至一電力匯流排，該電力輸出端供輸出交流市電電源，該電力輸入端供輸入回賣電源，以讓智慧型電錶針對該電力匯流排端之市電電源及電力輸入端輸入之回賣電源間進行初步之電力經濟調度控制；至少一電力集中器，連結該智慧型電錶之電源輸入端及至少一發電裝置，該發電裝置並提供發電電力給該電力集中器整合後轉換成交流市電電源，經該電源輸入端回饋給該智慧型電錶，作為智慧型電錶中回賣電源；至少一電力分配器，連結該智慧型電錶之電源輸出端及至少一配電盤，以使該智慧型電錶輸出交流市電電源給配電盤，該配電盤連結複數用電負載，由該配電盤予以作迴路供電與控制；至少一儲能控制器，連結至少一儲能控制器、電力分配器及電力集中器， 使該儲能控制器將來自電力分配器之多餘負載容量的交流市電電源對該儲能器進行儲能，該儲能器再將儲能電力提供給電力集中器，由電力集中器整合轉換成交流市電電源輸出至智慧型電錶。
- 如申請專利範圍第2項所述之虛擬發電廠，其中，該發電裝置為一固態氧化物燃料電池所構成。
- 如申請專利範圍第2項所述之虛擬發電廠，其中，該發電裝置為一質子交換膜燃料電池所構成。
- 如申請專利範圍第2項所述之虛擬發電廠，其中，該儲能控制器所連結之儲能器為一電池銀行。
- 申請專利範圍第2項所述之虛擬發電廠，其中，該儲能控制器所連結之儲能器為一超級電容器。
- 如申請專利範圍第1項所述之虛擬發電廠，其中，該電力控制單元係包括：至少一通訊介面模組，以一電力匯流排連結各用戶端單元，將通訊及控制訊號於各個所屬用戶端單元與該電力控制單元間作傳輸通訊；至少一該微處理器，具有小區域電力經濟調度及回賣電力計算與調度再利用處理功能，該微處理器連結該通訊介面模組，以輸入該通訊介面模組所接收之各所屬用戶端單元之用電需求、用電度數或賣電訊息、賣電度數，並根據此所屬用戶端單元之用電需求或賣電訊息，再透過該通訊介面模組，將控制各用戶端單元之電力供電或回賣電力訊號予以傳送至各用戶端單元中，使各用戶端單元之分別進行各用電用戶之電力供應或回賣電力處理；至少一電力切換裝置，連結一市電電源、微處理器及通訊介面模組，該電力切換裝置並受該微處理器之控制而作電力切換操作，該電力切換操作模式包括將該市電電源透過通訊介面模組所連結之電力匯流排直接向各所屬之用戶端單元進行單獨供電或與用戶端單元所回賣之電力一同 並聯供電，或者切斷市電電源之供電，而單獨以各所屬之用戶端單元回賣電力進行單獨供電。
- 如申請專利範圍第7項所述之虛擬發電廠，其中，該通訊介面模組為一電力線通訊模組。
- 如申請專利範圍第7項所述之虛擬發電廠，其中，該通訊介面模組為一無線通訊模組。
- 如申請專利範圍第7項所述之虛擬發電廠，其中，該電力切換裝置為一電力電驛構成。
- 如申請專利範圍第7項所述之虛擬發電廠，其中，該電力切換裝置為一電力開關構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之虛擬發電廠，其中，該電力控制單元係包括：一通訊介面組，連結各電力控制單元，以接收各電力控制單元所屬之用戶端單元之用電度數及賣電度數；一中央處理單元，具有用電電費、賣電電費計算，以及，監控各電力控制單元運作之功能，該中央處理單元連結該通訊介面模組，以輸入該通訊介面模組所接收來自各電力控制單元之通訊介面模組之各用戶端單元之用電度數、供電需求及賣電度數、賣電訊息，以對各電力控制單元進行監控與用電度數、供電需求及賣電度數、賣電訊息等資料計算與儲存控制；一儲存裝置，連結該中央處理單元，以提供中央處理單元對於各用戶端單元之用電度數、供電需求及賣電度數、賣電訊息等資訊儲存。
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