TW202032883A

TW202032883A - 具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法

Info

Publication number: TW202032883A
Application number: TW108106163A
Authority: TW
Inventors: 姜政綸; 李奕德; 王慎思
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2019-02-23
Filing date: 2019-02-23
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TWI691138B

Abstract

一種具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法，所採用之控制策略可使用於儲能系統、太陽能、或風能等設備之電力轉換器，應用於含再生能源之微電網系統中，當電力轉換器無論是操作於實功率/虛功率（PQ）模式或電壓/頻率（VF）模式，若偵測到市電端之併接點電壓異常時（如電壓驟降），則電力轉換器需具備控制輸出電流能力，進行低電壓穿越（Low voltage ride through, LVRT），若低電壓持續時間超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範之限制時，則電力轉換器觸發併接點開關進行跳脫，使微電網系統轉為孤島運轉，同時儲能系統運轉於VF模式，建立微電網系統或虛擬電廠之參考電壓源，使範圍內之負載、分散式電源與再生能源等設備能維持穩定運轉，增加再生能源之使用時間，提高微電網系統之運轉穩定度。

Description

具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法

本發明係有關於一種具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法，尤指涉及一種可使用於儲能系統、太陽能、或風能等設備之電力轉換器，特別係指應用於含再生能源之微電網系統者。

為響應政府之節能減碳政策，須於2025年前，再生能源發電須占全台灣發電占比至少20%以上，目前政府積極推動再生能源發電相關建設。由於間歇性再生能源會造成配電系統的電壓變動，故為能平穩再生能源之擾動及穩定配電系統電壓，當微電網與市電端併聯時，可透過儲能系統運轉於電壓/頻率（VF）模式中，達到迅速穩定微電網與市電端併接點電壓之功效，以提升再生能源之併網容量。承上述，再生能源併網量逐漸提高時，為了穩定配電系統電壓，儲能系統會運轉於VF模式中，但若市電端發生電壓驟降等異常狀況時，目前市面上之儲能系統因併網模式下操作於VF模式而無法即時進行故障電流控制與恢復，導致儲能系統跳脫，不具備低電壓穿越（Low voltage ride through, LVRT）功能，使得儲能系統無法於電力系統發生異常時，持續併網，導致電力系統崩潰速度加劇。此外，依據IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範，要求分散式電源必須跳脫，造成微電網系統全黑，使微電網系統內負載無法使用，且再生能源利用率降低。因此，包含再生能源等分散式電源之微電網系統，如何能在儲能系統運轉於實功率/虛功率（PQ）模式或VF模式中，皆具LVRT、電流控制、及孤島模式切換等功能，進而確保微電網於市電端低電壓期間，能夠持續運轉。並且達到微電網系統內之再生能源與用戶維持穩定運轉，增加再生能源等分散式電源之使用時間，及提高微電網系統之運轉穩定度，此類技術至今仍闕如。有鑑於習知市電端低電壓期間與分散式電源併聯規範之缺點，又為使微電網系統於系統異常仍維持併網，達到提高微電網系統內負載使用率與再生能源利用率之重要性，本案發明人乃亟思發明一種「具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法」，進而確保微電網於市電端低電壓期間，能夠持續運轉；並使微電網系統內之再生能源與用戶維持穩定運轉，增加再生能源等分散式電源之使用時間，及提高微電網系統之運轉穩定度。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題，並提供一種具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法，所採用之控制策略可使用於儲能系統、太陽能、或風能等設備之電力轉換器，應用於含再生能源之微電網系統中，當電力轉換器無論是操作於PQ模式或VF模式，若偵測到市電之併接點電壓異常時（如電壓驟降），則電力轉換器需控制輸出之故障電流，進行低電壓穿越，若低電壓持續時間超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範之限制時，則電力轉換器觸發併接點開關進行跳脫，使微電網系統轉為孤島運轉，同時儲能系統運轉於VF模式，建立微電網系統或虛擬電廠之參考電壓源，使範圍內之負載、分散式電源、再生能源等設備能維持穩定運轉，待微電網系統與市電端併接點電壓恢復正常時，再透過鎖相迴路（Phase-lock loop, PLL）調控等方式進行同步併聯，恢復至市電併聯運轉。為達以上之目的，本發明所提具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，係應用於微電網系統中，供一儲能系統、一再生能源、一負載及其它分散式電源透過一併接點開關以三相電力線與一市電端連接，該儲能電力轉換裝置設置於該儲能系統中，其包括：一電力轉換器，係與三相電力線連接；一直流側，係與該電力轉換器連接；以及一控制策略單元，係與該併接點開關及該電力轉換器連接，當該儲能系統與該市電端併聯運轉時，會先量測該電力轉換器之狀態初始值，而後判斷該電力轉換器操作於PQ模式或VF模式，接著偵測該併接點開關之電壓是否於運轉範圍內，調控該電力轉換器之輸出電流，使該市電端異常時能進行低電壓穿越，且當該市電端電壓異常持續時間超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範時，命令該電力轉換器觸發該併接點開關進行跳脫，使該微電網系統轉為孤島運轉模式，待該市電端恢復正常電壓後，再與該市電端恢復併聯運轉，藉此使該微電網系統內之負載、分散式電源與再生能源持續使用。於本發明上述實施例中，該儲能電力轉換裝置亦可設置於該再生能源中。於本發明上述實施例中，該控制策略單元係當該市電端發生電壓驟降時，可於任何模式下穩定的控制該電力轉換器輸出電流，進行低電壓穿越，使該微電網系統與該市電端持續併聯。於本發明上述實施例中，該控制策略單元命令該電力轉換器觸發該併接點開關進行跳脫，使該微電網系統轉為孤島運轉模式，同時令該電力轉換器運轉於VF模式，建立該微電網系統之參考電壓源，使該微電網系統內之負載、分散式電源與再生能源能維持穩定運轉，待該微電網系統與該市電端併接點電壓恢復正常後，再透過鎖相迴路調控該併接點開關進行同步併聯，恢復至與該市電端併聯運轉。於本發明上述實施例中，該運轉範圍係為0.88 p.u.至1.1 p.u.之間。為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲藉由下文之實施方式對本發明之細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點。

請參閱『第１圖～第４圖』所示，係分別為本發明之微電網架構示意圖、本發明具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置控制方法之流程示意圖、本發明之電壓與頻率下降（Droop）斜率示意圖、及本發明儲能系統於低電壓期間之輸出電流交軸成份示意圖。如圖所示：本發明係一種具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法，為使用於儲能系統、太陽能、或風能等設備之電力轉換器之控制策略，可應用於含再生能源之微電網系統中，藉控制電力轉換器之輸出電流，使市電端異常時能達到低電壓穿越（Low voltage ride through, LVRT）之功能，且當市電端電壓異常持續時間達IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範時，命令微電網系統轉為孤島運轉模式，待市電端恢復後，再與市電端恢復併聯運轉。本實施例第１圖之微電網系統１架構至少包含一儲能系統１１、一再生能源１２、一負載１３及其它分散式電源１４透過一併接點開關１５以三相電力線１６與一市電端２連接，本儲能電力轉換裝置設置於該儲能系統１１中，其包括一與該三相電力線１６連接之電力轉換器１１１、一與該電力轉換器１１１連接之直流側１１２、以及一與該併接點開關１５及該電力轉換器１１１連接之控制策略單元１１３。本發明控制策略係偵測併接點開關１５近市電端２之電壓，透過所採用之控制策略調控儲能系統１１之電力轉換器１１１輸出電流，當市電端２發生電壓驟降時，可於任何模式下穩定的控制電力轉換器１１１輸出電流，進行LVRT，使微電網系統１與市電端２持續併聯，但若超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範時，則命令該電力轉換器１１１觸發併接點開關１５進行跳脫，使微電網系統轉為孤島運轉模式，待市電恢復正常電壓後，再與該市電端２恢復併聯運轉，透過此控制策略，可使微電網系統１內之負載１３、分散式電源１４與再生能源１２持續使用。本發明所提具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置所採用之控制策略流程如第２圖所示，本控制策略啟動後進入步驟s11，當儲能系統與市電端併聯運轉時，會先量測儲能系統之狀態初始值（V/F/P/Q），而後於步驟s12判斷儲能系統之電力轉換器操作於PQ模式或VF模式。首先，若儲能系統之電力轉換器操作於VF模式時，則進入步驟s13，依使用者於儲能系統設定之電壓與頻率Droop斜率（V droop與f droop，如第３圖所示）、電壓與頻率之參考值（V_reference command與f_reference command），儲能系統會依據微電網系統內實際之電壓與頻率，來控制輸出之實功率與虛功率，接著於步驟s14會判斷微電網系統與市電端併接點電壓（Vpcc）是否於運轉範圍內，亦即0.88 p.u.至1.1 p.u.之間，若在正常範圍內，則重回步驟s13，儲能系統需依照電壓與頻率Droop斜率而自動輸出實功率與虛功率；若低於0.88 p.u.時，則如步驟s15進入LVRT期間，此時儲能系統需控制電力轉換器之輸出電流，輸出電流可分為直軸成份（Id）與交軸成份（Iq），其中Id固定於Vpcc電壓於0.88 p.u.時之電流直軸成份（Id₀ ）；而Iq之初始值為Vpcc電壓於0.88 p.u.時之電流交軸成份（Iq₀ ），但若Vpcc電壓低於0.88 p.u.時，則需增加輸出之電流交軸成份（如第４圖所示），而最大之輸出電流交軸成份（Iq_m ）則受公式(1)所限制，以不超過儲能系統之兩倍額定電流為原則。接著，於步驟s16判斷LVRT之時間是否超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範（如表一所示）之限制，以及是否收到微電網轉態訊號，若尚未達到清除時間且未收到微電網轉態訊號，則重回步驟s14判斷Vpcc電壓是否恢復至0.88 p.u.至1.1 p.u.之間，若電壓恢復正常時，則如步驟s13依使用者於儲能系統設定之電壓與頻率Droop斜率、電壓與頻率之參考值，儲能系統依據微電網系統內實際之電壓與頻率，來控制輸出之實功率與虛功率；若Vpcc電壓仍低於0.88 p.u.時，則如步驟s15持續控制儲能系統輸出電流的直軸成份（Id）與交軸成份（Iq）。但若達到清除時間時，規範要求分散式設備必須跳脫，則進入步驟s17儲能系統送出跳脫訊號給併接點開關，使開關跳脫將微電網系統與市電端隔離，抑或收到微電網轉態訊號後，則如步驟s18儲能系統轉為孤島運轉模式，設定電壓為220V頻率為60Hz，作為微電網系統之參考電源。接著如步驟s19持續偵測Vpcc電壓是否恢復正常，若Vpcc電壓仍低於0.88 p.u.，則重回步驟s18儲能系統維持孤島運轉模式中；但若Vpcc電壓恢復至0.88 p.u.至1.1 p.u.之間時，則進入步驟s20可透過鎖相迴路使微電網系統與市電端恢復併聯。其次，若儲能系統之電力轉換器操作於PQ模式時，則進入步驟s21，依使用者於儲能系統設定之實功率與虛功率（P command與Q command），來控制輸出之實功率與虛功率，接著於步驟s22會判斷微電網系統Vpcc是否於運轉範圍內，亦即0.88 p.u.至1.1 p.u.之間，若在正常範圍內，則重回步驟21，儲能系統需依設定值輸出實功率與虛功率；若低於0.88 p.u.時，則如步驟s23進入LVRT期間，此時儲能系統需控制電力轉換器之輸出電流，輸出電流可分為直軸成份（Id）與交軸成份（Iq），其中Id固定於Vpcc電壓於0.88 p.u.時之電流直軸成份（Id₀ ）；而Iq之初始值為Vpcc電壓於0.88 p.u.時之電流交軸成份（Iq₀ ），但若Vpcc電壓低於0.88 p.u.時，則需增加輸出之電流交軸成份（如第４圖所示），而最大之輸出電流交軸成份（Iq_m ）則受公式(1)所限制，以不超過儲能系統之兩倍額定電流為原則。接著，於步驟s24判斷LVRT之時間是否超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範（如表一所示）之限制，以及是否收到微電網轉態訊號，若尚未達到清除時間且未收到微電網轉態訊號，則重回步驟s22判斷Vpcc電壓是否恢復至0.88 p.u.至1.1 p.u.之間，若電壓恢復正常時，則如步驟s21依使用者於儲能系統設定之實功率與虛功率，來控制輸出之實功率與虛功率；若Vpcc電壓仍低於0.88 p.u.時，則如步驟s23持續控制儲能系統輸出電流的直軸成份（Id）與交軸成份（Iq）。但若達到清除時間時，規範要求分散式設備必須跳脫，則進入步驟s17儲能系統送出跳脫訊號給併接點開關，使開關跳脫將微電網系統與市電端隔離，抑或收到微電網轉態訊號後，則如步驟s18儲能系統轉為孤島運轉模式，設定電壓為220V頻率為60Hz，作為微電網系統之參考電源。接著如步驟s19持續偵測Vpcc電壓是否恢復正常，若Vpcc電壓仍低於0.88 p.u.，則重回步驟s18儲能系統維持孤島運轉模式中；但若Vpcc電壓恢復至0.88 p.u.至1.1 p.u.之間時，則進入步驟s20可透過鎖相迴路使微電網系統與市電端恢復併聯。

公式(1) 表一

電壓範圍 (% of base voltage)	故障清除時間 (ms)
V＜45%	160
45%＜V＜60%	1,000
60%＜V＜88%	2,000
110%＜V＜120%	1,000
V＞120%	160

據此，本發明之技術特點分述如下： 1. 本發明所提之一種具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法，可使用於儲能系統、太陽能、或風能等設備之電力轉換器，應用於含再生能源之微電網系統中。 2. 本發明使儲能電力轉換裝置在市電併聯下，操作於PQ模式或VF模式，遭遇市電端電壓異常時，能維持併聯運轉，不立即跳脫。 3. 本發明使儲能電力轉換裝置於市電端電壓異常持續時間達IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範時，並非使微電網系統關機，而是令微電網系統轉為孤島運轉模式，使微電網系統內之負載、分散式電源、再生能源等設備能維持穩定運轉，增加再生能源等分散式電源之使用時間，並提高微電網系統之運轉穩定度。綜上所述，本發明係一種具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置與控制方法，可有效改善習用之種種缺點，透過儲能電力轉換裝置所採用之控制策略，可使微電網系統於低電壓期間仍併接於市電端，避免加劇市電端之電壓崩潰，但在IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範要求需跳脫之時間時，則轉為孤島運轉，使微電網內之負載與分散式電源仍能持續的運轉，增加再生能源等分散式電源之使用時間，並提高微電網系統之運轉穩定度，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，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:微電網系統１１:儲能系統１１１:電力轉換器１１２:直流側１１３:控制策略單元１２:再生能源１３:負載１４:其它分散式電源１５:併接點開關１６:電力線２:市電端 s11～s20:步驟

第１圖，係本發明之微電網架構示意圖。第２圖，係本發明具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置控制方法之流程示意圖。第３圖，係本發明之電壓與頻率Droop斜率示意圖。第４圖，係本發明儲能系統於低電壓期間之輸出電流交軸成份示意圖。

1:微電網系統

11:儲能系統

111:電力轉換器

112:直流側

113:控制策略單元

12:再生能源

13:負載

14:其它分散式電源

15:併接點開關

16:電力線

2:市電端

Claims

一種具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，係應用於微電網系統中，供一儲能系統、一再生能源、一負載及其它分散式電源透過一併接點開關以三相電力線與一市電端連接，該儲能電力轉換裝置設置於該儲能系統中，其包括：一電力轉換器，係與該三相電力線連接；一直流側，係與該電力轉換器連接；以及一控制策略單元，係與該併接點開關及該電力轉換器連接，當該儲能系統與該市電端併聯運轉時，會先量測該電力轉換器之狀態初始值，而後判斷該電力轉換器操作於實功率/虛功率（PQ）模式或電壓/頻率（VF）模式，接著偵測該併接點開關之電壓是否於運轉範圍內，調控該電力轉換器之輸出電流，使該市電端異常時能進行低電壓穿越（Low voltage ride through, LVRT），且當該市電端電壓異常持續時間超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範時，命令該電力轉換器觸發該併接點開關進行跳脫，使該微電網系統轉為孤島運轉模式，待該市電端恢復正常電壓後，再與該市電端恢復併聯運轉，藉此使該微電網系統內之負載、分散式電源與再生能源持續使用。
依申請專利範圍第１項所述之具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，其中，該儲能電力轉換裝置亦可設置於該再生能源中。
依申請專利範圍第１項所述之具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，其中，該控制策略單元係當該市電端發生電壓驟降時，可於任何模式下穩定的控制該電力轉換器輸出電流，進行LVRT，使該微電網系統與該市電端持續併聯。
依申請專利範圍第１項所述之具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，其中，該控制策略單元命令該電力轉換器觸發該併接點開關進行跳脫，使該微電網系統轉為孤島運轉模式，同時令該電力轉換器運轉於VF模式，建立該微電網系統之參考電壓源，使該微電網系統內之負載、分散式電源與再生能源能維持穩定運轉，待該微電網系統與該市電端併接點電壓恢復正常後，再透過鎖相迴路（Phase-lock loop, PLL）調控該併接點開關進行同步併聯，恢復至與該市電端併聯運轉。
依申請專利範圍第１項所述之具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，其中，當該電力轉換器操作於VF模式時，係依使用者於該儲能系統設定之電壓與頻率下降（Droop）斜率、電壓與頻率之參考值，該電力轉換器會依據該微電網系統內實際之電壓與頻率，來控制輸出之實功率與虛功率，而該控制策略單元會判斷該微電網系統與該市電端間之併接點開關之電壓是否於0.88 p.u.至1.1 p.u.之間的運轉範圍內，若在正常範圍內，則該電力轉換器需依照電壓與頻率Droop斜率而自動輸出實功率與虛功率；若低於0.88 p.u.時，則進入LVRT期間，此時需控制該電力轉換器之輸出電流，輸出電流可分為直軸成份（Id）與交軸成份（Iq），其中Id固定於Vpcc電壓於0.88 p.u.時之電流直軸成份（Id₀ ）；而Iq的初始值為Vpcc電壓於0.88 p.u.時之電流交軸成份（Iq₀ ），但若Vpcc電壓低於0.88 p.u.時，則需增加輸出電流之交軸成份，而最大之輸出電流交軸成份（Iq_m ）則受公式(1)所限制，以不超過儲能系統之兩倍額定電流為原則，該公式(1)如下：
。
依申請專利範圍第５項所述之具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，其中，當該控制策略單元判斷LVRT之時間超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範之限制時，則命令該電力轉換器送出跳脫訊號給該併接點開關，使開關跳脫將該微電網系統與該市電端隔離，使該微電網系統轉為孤島運轉模式，並持續偵測該併接點開關電壓是否恢復正常，若該併接點開關電壓恢復至0.88 p.u.至1.1 p.u.之間時，則可透過鎖相迴路使該微電網系統與該市電端恢復併聯。
依申請專利範圍第１項所述之具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，其中，當該電力轉換器操作於PQ模式時，係依使用者於該儲能系統設定之實功率與虛功率，來控制輸出之實功率與虛功率，而該控制策略單元會判斷該微電網系統與該市電端間之併接點開關之電壓是否於0.88 p.u.至1.1 p.u.之間的運轉範圍內，若在正常範圍內，則該電力轉換器需依照設定值輸出實功率與虛功率；若低於0.88 p.u.時，則進入LVRT期間，此時需控制該電力轉換器之輸出電流，輸出電流可分為直軸成份（Id）與交軸成份（Iq），其中Id固定於Vpcc電壓於0.88 p.u.時之電流直軸成份（Id₀ ）；而Iq的初始值為Vpcc電壓於0.88 p.u.時之電流交軸成份（Iq₀ ），但若Vpcc電壓低於0.88 p.u.時，則需增加輸出電流之交軸成份，而最大之輸出電流交軸成份（Iq_m ）則受公式(1)所限制，以不超過儲能系統之兩倍額定電流為原則，該公式(1)如下：
。
依申請專利範圍第７項所述之具低電壓穿越與孤島模式切換之儲能電力轉換裝置，其中，當該控制策略單元判斷LVRT之時間超過IEEE 1547A（分散式電源併聯）規範之限制時，則命令該電力轉換器送出跳脫訊號給該併接點開關，使開關跳脫將該微電網系統與該市電端隔離，使該微電網系統轉為孤島運轉模式，並持續偵測該併接點開關電壓是否恢復正常，若該併接點開關電壓恢復至0.88 p.u.至1.1 p.u.之間時，則可透過鎖相迴路使該微電網系統與該市電端恢復併聯。