TW201517460A - 應用於微電網換流器之模式切換控制裝置 - Google Patents

Abstract

一種應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，係作為微電網與市電並聯時之電力潮流控制，其包含有一與市電連接之靜態開關，係用以切離市電進行微電網獨立運轉、以及由微電網切入市電進行併聯運轉；一與靜態開關連接之換流器，係用以作為直流電力與交流電力之轉換；以及一連接靜態開關與換流器之切換控制機構，可於偵測市電狀態後，依所需決定靜態開關與微電網模式之切換。藉此，當市電正常運轉時，換流器係將電力送至微電網；而當市電異常時，則由切換控制機構控制換流器改變輸出電流，使靜態開關與市電快速切離，進行微電網之獨立運轉，而達到增加微電網靜態開關速度和平穩性，有效保持電力系統穩定運轉，可於市電故障時，讓微電網能夠持續運轉與使用。

Description

應用於微電網換流器之模式切換控制裝置

本發明是有關於一種應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，尤指一種當市電正常運轉時，換流器係將電力送至微電網；而當市電異常時，則由切換控制機構控制換流器改變輸出電流，使靜態開關與市電快速切離，進行微電網之獨立運轉，而達到增加微電網靜態開關速度和平穩性，有效保持電力系統穩定運轉，可於市電故障時，讓微電網能夠持續運轉與使用者。

按，近年來，政府積極推廣再生能源發展，但由於再生能源不穩定的特性，造成區域電力系統的衝擊，再生能源滲透率隨地域特性受到限制。透過微電網的建置與開發，可讓分散式再生能源使用的效率提高，增加電力系統可靠度，其控制與管理技術的研發，可讓電網的穩定度增加，供電的品質提高，減少跳電的可能性及產業停工的損失，進一步可發展至低碳社區的開發，減少石化燃料的使用及能源的浪費，讓二氧化碳的排放量減少。

2011年3月日本的地震和海嘯等相關天然災害，也造成了國內外對於再生能源的需求聲浪高漲，天然災害也對日本電力系統穩定度造成很大的考驗，微電網此時可利用儲能系統和在生能源調節電力潮流，當市電異常時與市電脫離並進行獨立運轉，並在切換過程中保持電力系統穩定，因微電網與市電脫離後微電網本身須有一電壓控制設備穩定內部電壓，系統此時需操作於電壓模式。

在習用架構下，如中華民國專利公開第200908510號所示，正常市電存在的情況下，市電經過前端整流與功因校正單元等電力電子系統後，再供給負載使用，並且市電對儲能元件充電。當市電跳脫後緊急從儲能元件釋放電能，延續電壓輸出。但此架構控制方式無法與再生能源並存，輸出端僅可接負載，不能有其他電源，不適用於微電網的應用。且亦無與市電重新併聯的功能。

再由美國專利US20090184654號所示，其整流後直流電經由換流器輸出交流電經變壓器至負載，其換流器利用回授電流訊號控制負載電流，其換流器控制方式並無兩個電壓和電流控制器切換，輸出端只能單純連接負載，電路上雖有隔離效果但不適於再生能源與微電網方面的應用。

另參考美國專利US20110181128號所示，其係將太陽能或其他再生能源轉換成交流輸出，其換流器為針對再生能源如太陽能所設計換流器，受限於架構為市電併聯設計，當市電異常時，換流器無法切換成獨立運轉，且無雙向功率傳輸功能，無法真正應用於微電網架構上。

另由中華民國專利公開第201318297號所示，其係利用儲能系統不同電壓控制器與充放電流控制器切換控制，其中有兩個運轉模式來達到不同工作切換的目的，但此方式未考慮將控制器參數初值預先計算，且在模式切換時無控制靜態開關電流，會造成靜態開關切換的延遲且穩定性較差。

有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「應用於微電網換流器之模式切換控制裝置」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，當市電正常運轉時，換流器係將電力送至微電網；而當市電異常時，則由切換控制機構控制換流器改變輸出電流，使靜態開關與市電快速切離，進行微電網之獨立運轉，而達到增加微電網靜態開關速度和平穩性，有效保持電力系統穩定運轉，可於市電故障時，讓微電網能夠持續運轉與使用。

為達上述之目的，本發明係一種應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，係作為微電網與市電並聯時之電力潮流控制，其包含有一與市電連接之靜態開關，係用以切離市電進行微電網獨立運轉、以及由微電網切入市電進行併聯運轉；一與靜態開關連接之換流器，係用以作為直流電力與交流電力之轉換；以及一連接靜態開關與換流器之切換控制機構，可於偵測市電狀態後，依所需決定靜態開關與微電網模式之切換。

於上述之實施例中，該靜態開關係為半導體技術之矽控整流器。

於上述之實施例中，該換流器係進一步連接有電力單元及負載，而藉由該靜態開關、換流器、切換控制機構、電力單元及負載形成一微電網。

於上述之實施例中，該電力單元係為電池或再生能源。

於上述之實施例中，該切換控制機構係包含有一連接靜態開關之市電狀態偵測器、一連接靜態開關與市電狀態偵測器之模式切換控制器、一連接模式切換控制器之電壓控制迴路、及一連接換流器、模式切換控制器與電壓控制迴路之電流控制迴路。

於上述之實施例中，該市電狀態偵測器係用以偵測市電，若市電異常時靜態開關會切離市電，並同時通知模式切換控制器從電流控制迴路轉換成電壓控制迴路，當決定為電壓控制迴路時，系統為雙迴路控制，外環為電壓、內環為電流控制換流器，而當決定為電流控制迴路時，系統為單迴路控制，以電流迴路控制換流器。

１‧‧‧微電網
１１‧‧‧靜態開關
１２‧‧‧換流器
１３‧‧‧切換控制機構
１３１‧‧‧市電狀態偵測器
１３２‧‧‧模式切換控制器
１３３‧‧‧電壓控制迴路
１３４‧‧‧電流控制迴路
１４‧‧‧電力單元
１５‧‧‧負載
２‧‧‧市電
步驟s10～步驟s17

第１圖，係本發明之基本架構示意圖。
第２圖，係本發明之使用狀態示意圖。
第３圖，係本發明之控制流程示意圖。

請參閱『第１、２及第３圖』所示，係分別為本發明之基本架構示意圖、本發明之 使用狀態示意圖及本發明之控制流程示意圖。如圖所示：本發明係一種應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，係作為微電網１與市電２並聯時之電力潮流控制，其至少包含有一靜態開關１１、一換流器１２以及一切換控制機構１３所構成，而該換流器１２係進一步連接有電力單元１４及負載１５，且該電力單元１４係為電池或再生能源，而藉由該靜態開關１１、換流器１２、切換控制機構１３、電力單元１４及負載１５形成一微電網１。

上述所提之靜態開關１１係與市電２連接，用以切離市電２進行微電網１運轉、以及由微電網１切入市電２進行運轉，而該靜態開關１１係為半導體技術之矽控整流器。

該換流器１２係與靜態開關１１連接，用以作為直流電力與交流電力之轉換。

該切換控制機構１３係連接靜態開關１１與換流器１２，可於偵測市電２狀態後，依所需決定靜態開關１１與微電網１模式之切換，而該切換控制機構１３係包含有一連接靜態開關１１之市電狀態偵測器１３１、一連接靜態開關１１與市電狀態偵測器１３１之模式切換控制器１３２、一連接模式切換控制器１３２之電壓控制迴路１３３、及一連接換流器１２、模式切換控制器１３２與電壓控制迴路１３３之電流控制迴路１３４，其中該市電狀態偵測器１３１係用以偵測市電２，若市電２異常時靜態開關會切離市電，並１１２同時通知模式切換控制器１３２從電流控制迴路１３４轉換成電壓控制迴路１３３，當決定為電壓控制迴路１３３時，系統為雙迴路控制，外環為電壓、內環為電流控制換流器１２，而當決定為電流控制迴路時，１３３系統為單迴路控制，以電流迴路１３３控制換流器１２。

如此，當市電２異常時，此時靜態開關１１通知換流器１２，降低靜態開關１１上之電流，使靜態開關１１與市電２切離，使微電網１進行獨立運轉，而當靜態開關１１切離後，該切換控制機構１３再轉換成電壓控制，穩定微電網１內部之電壓與頻率，達到微電網１與市電２併網或單獨運轉平穩切換之目的。然，前述之過程中係由市電狀態偵測器１３１之偵測決定靜態開關１１和微電網１模式，在微電網１與市電２之併網模式下，係以電流模式控制換流器１２，當市電２異常時，先控制靜態開關１１之電流，使靜態開關１１快速切離市電２，而於切離市電２後讓微電網１進入獨立運轉模式，由模式切換控制器１３２切換至電壓控制迴路１３３，藉以轉換成電壓控制模式，穩定微電網１之電壓及頻率，此時電流命令係由電壓控制迴路１３３產生，而當市電２恢復正常時，係調整微電網１之電壓及相位，待與市電２同步後，再將靜態開關１１投入，且由模式切換控制器１３２切換至電流控制迴路１３４，藉以轉換成電流控制模式，為達到快速模式切換之而的。

今依上述之內容，而將本發明之切換控制流程說明如下：

微電網與市電並聯運轉換流器電流控制模式s10：係由模式切換控制器１３２與電流控制迴路１３４控制換流器所執行１２。

市電是否異常s11：由市電狀態偵測器１３１執行偵測市電２之狀態，若市電２異常則進行下列s12之步驟，若正常則持續進行偵測之動作。

換流器控制靜態開關電流接近為零計算電壓控制參數初始值s12：由電流控制迴路１３４執行使靜態開關１１電流為零。

靜態開關切離微電網與市電s13：靜態開關所由１１執行切離微電網１與市電２之動作。

換流器切換控制模式為電壓模式s14：以模式切換控制器１３２、電壓控制迴路１３３以及電流控制迴路１３３控制換流器１２執行切換控制模式為電壓模式。

市電是否恢復正常s15：以市電狀態偵測器１３１偵測市電２狀態是否恢復正常，若市電２異常則重複進行s14之步驟，若正常則進行下列s16之動作。

換流器控制微電網電壓相位與市電同步s16：以模式切換控制器１３２、電壓控制迴路１３３以及電流控制迴路１３３控制換流器１２所執行，但電壓命令不同於上一流程，目的為市電２同步。

靜態開關並聯微電網與市電s17：以靜態開關１１執行微電網１與市電２之並聯。

以上述之各項步驟而言，當微電網１與市電２並聯時，換流器１２以電流控制模式，可將電力單元１４之電力送至微電網１或利用電力單元１４儲電調節電力潮流，而當市電狀態偵測器１３１偵測到市電２故障後，換流器１２控制靜態開關１１電流接近為零，此時靜態開關１１可快速切離微電網１與市電２。由於靜態開關１１設計以SCR為主，關斷條件包含導通電流小於維持電流，因此，利用換流器１２控制並降低靜態開關１１電流後，靜態開關１１可快速關斷，此時換流器１２再切換為電壓控制以穩定微電網１內部電壓及頻率，由於在電流控制時預先計算電壓控制器的初始參數，且關斷時靜態開關１１上電流很小，因此，在模式切換時可維持微電網電壓平穩，微電網１進入獨立運轉模式，微電網１電力單元１４與負載１５可持續運作，而當市電１恢復正常時，換流器１２根據市電２電壓之狀態微調該微電網１之電壓及相位，一旦電壓同步後，通知靜態開關１１投入並將自身切換至電流控制模式，微電網１再進入市電２並聯模式。如此，可使本發明達到至少下列之優點：

1.本發明之具模式切換功能之換流器可連接於含有負載、電壓源或電流源之微電網的匯流排上，應用層面具彈性。

2.在微電網切離市電時，本專利利用控制器控制靜態開關上的電流，可增加切換速度和電力波形平穩度。

3.本發明之換流器為雙向設計，可連接儲能系統以調節微電網電力。

4.本發明之控制迴路為雙迴路設計，內迴路為電流控制環，可快速控制電流，因應不同微電網狀態控制模式。

5.本發明利用計算控制器初始參數增加不同控制切換時穩定性。

6.本發明可在微電網市電並聯時控制電力潮流；獨立運轉時，穩定微電網電壓與頻率。

綜上所述，本發明應用於微電網換流器之模式切換控制裝置可有效改善習用之種種缺點，當市電正常運轉時，換流器係將電力送至微電網；而當市電異常時，則由切換控制機構控制換流器降低電流，使靜態開關與市電快速切離，進行微電網之獨立運轉，而達到增加微電網靜態開關速度和平穩性，有效保持電力系統穩定運轉，可於市電故障時，讓微電網能夠持續運轉與使用；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧微電網

11‧‧‧靜態開關

12‧‧‧換流器

13‧‧‧切換控制機構

131‧‧‧市電狀態偵測器

132‧‧‧模式切換控制器

133‧‧‧電壓控制迴路

134‧‧‧電流控制迴路

14‧‧‧電力單元

2‧‧‧市電

Claims (6)

1. 一種應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，係作為微電網與市電並聯時之電力潮流控制，其包括有：
   一靜態開關，係與市電連接，用以切離市電進行微電網運轉、以及由微電網切入市電進行運轉；
   一換流器，係與靜態開關連接，用以作為直流電力與交流電力之轉換；以及
   一切換控制機構，係連接靜態開關與換流器，可於偵測市電狀態後，依所需決定靜態開關與微電網模式之切換。
2. 依申請專利範圍第１項所述之應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，其中，該靜態開關係為半導體技術之矽控整流器。
3. 依申請專利範圍第２項所述之應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，其中，該換流器係進一步連接有電力單元及負載，而藉由該靜態開關、換流器、切換控制機構、電力單元及負載形成一微電網。
4. 依申請專利範圍第３項所述之應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，其中，該電力單元係為電池或再生能源。
5. 依申請專利範圍第２項所述之應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，其中，該切換控制機構係包含有一連接靜態開關之市電狀態偵測器、一連接靜態開關與市電狀態偵測器之模式切換控制器、一連接模式切換控制器之電壓控制迴路、及一連接換流器、模式切換控制器與電壓控制迴路之電流控制迴路。
6. 依申請專利範圍第５項所述之應用於微電網換流器之模式切換控制裝置，其中，該市電狀態偵測器係用以偵測市電，若市電異常時靜態開關會切離市電，並同時通知模式切換控制器從電流控制迴路轉換成電壓控制迴路，當決定為電壓控制迴路時，系統為雙迴路控制，外環為電壓、內環為電流控制換流器，而當決定為電流控制迴路時，系統為單迴路控制，以電流迴路控制換流器。