TWI387176B - 智慧型混合式電源轉換控制系統 - Google Patents
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Description
本發明所涉及之技術領域包含有電力電子、能源科技、電源儲存、自動控制及市電併聯之範疇，但本發明主要發展以潔淨能源及電源儲存裝置作為輸入之混合式電源轉換控制系統，經由電源管理控制方法使整體系統操作於最有效率之狀態。
由於石油危機，引發能源不足問題，使得新能源開發為重要課題之一。為不加速破壞地球的自然環境，於新能源開發中，潔淨能源發展最具重要性。潔淨能源如燃料電池[1],[2]、太陽光電池[3],[4]、風力發電機[5],[6]、等低污染性能源，配合電力電子及自動控制等相關技術，可廣泛應用在分散式發電裝置，如新世代電力化交通工具、不斷電系統、獨立發電系統、等，然而此些蓬勃發展之燃料電池、太陽能光電以及小型風力發電機等新興能源，均具直流低電壓之發電特性，然而一般家用之電器幾乎皆為高電壓110Vrms
或220Vrms
之交流電源，因此電力電子研究領域發展之電源轉換器為潔淨能源應用不可或缺的一部份；另一方面，在潔淨能源使用上，當應用潔淨能源於分散式發電系統時，為提供持續且穩定之電源供應，一般需要電源儲存裝置作為輔助電源系統[7],[8]，可有效降低潔淨能源之備載容量，進而減少系統設置及供電成本，因此，包含二個以上潔淨能源及蓄電池共同供電之混合式發電系統，為目前積極發展之研究趨勢，可互補電能供應以解決因燃料用盡、日照量不足或是風能缺乏所引發之問題，但亦衍生出各電源間功率分配之控制問題、電源儲存裝置之充放電技術，以及如何有效管理電源並完成最佳化控制，以達成高效率的電能轉換並節省能源，成為在潔淨能源電源轉換器中極待面對之挑戰。再者，於電源轉換器中，一般電力電子之控制多採用類比式控制架構，在功率分配及電源管理控制中需要增加許多週邊電路方可完成所需之程序控制，有鑑於此，使用數位訊號處理器以提供彈性修改及多功能化之選擇，並且能實現智慧型控制所需之數學運算，完成電源管理及功率分配最佳化之程序控制，因此使用數位訊號處理器作為電源管理控制器為目前研發主流。
針對直流/直流轉換器而言，習用系統架構採用多組轉換器併聯於直流高壓匯流排，作為變流器前端電源或直接應用電路裝置，而此系統結構具有體積大、電路複雜及昂貴成本之缺失，為簡化電路結構、提高性能及降低成本，具單級式及雙輸入之直流/直流轉換器為不可或缺裝置，亦為目前國內外研究努力所欲達成之目標，因此本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統以雙輸入直流/直流轉換器，將低壓潔淨能源轉換至高壓直流匯流排，可減小系統體積及設置成本；由於潔淨能源發電裝置通常不具能源儲存能力，因此其應用上經常配備電源儲存裝置，本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統以雙向直流/直流轉換器，使系統具備雙向能量傳遞之功能，直流匯流排之電能可透過此轉換器對電源儲存裝置充電。
針對直流/交流變流器之應用而言，全橋式直流/交流變流器架構簡單，且可藉由控制達成雙向電力潮流之功能，因此該變流器廣泛運用於工業之馬達驅動控制，不論是獨立供應交流負載使用[9]或是市電併網操作[10]，都有成功應用全橋式變流器之案例；本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統中，直流/交流變流器於獨立供電模式下，輸出之交流電壓可供給交流負載使用，當直流/交流變流器操作於併網供電模式下，藉由控制直流/交流變流器輸出電流大小及流向，以完成所需之電源管理目的：當電源儲存裝置電壓過低時，電能可以依序通過直流/交流變流器及雙向直流/直流轉換器，對電源儲存裝置充電；當第二電源(例如太陽光電池、風力發電機、等)電能豐沛時，可將多餘電力反饋入電力網絡當中。
隨著分散式電源及潔淨能源之興起，目前電源管理控制為新發展出之研究領域，主要解決多輸入之混合式電源供應系統中，各電源間發電功率之分配最佳化的問題，避免不必要之電能浪費，以提升整體電源供應系統之效率。本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統中，電源管理控制方法將透過數位化控制達成電源管理及功率分配；市電併網模式中，可將潔淨能源電力轉換供給一般負載使用，用電尖峰時刻，可減少對市電電源之需求，系統輸入若有多餘電能，甚至可以逆潮流之方式反饋電能回市電，用電離峰時刻，可對電能儲存裝置充電，間接降低了石化燃料之使用量，此電源管理控制方法並能自動偵測於市電連接中斷時，或是市電電力品質不穩定時，提供自系統以獨立供電模式供應負載。
[1]R. J. Wai and C. Y. Lin,“High-efficiency,high-step-up DC-DC converter for fuel-cell generation system,”IEE Proc. Electr. Power Appl
.,vol. 152,no. 5,pp. 1371-1378,2005.
[2]Z. Jiang and R. A. Dougal,“A compact digitally controlled fuel cell/battery hybrid power source,”IEEE Trans. Ind. Electron
.,vol. 53,pp. 1094-1104,2006.
[3]R. Gonzlez,J. Lpez,P. Sanchis,and L. Marroyo,“Transformerless inverter for single-phase photovoltaic systems,”IEEE Trans. Power Electron
.,vol. 22,no. 2,pp. 693-697,2007.
[4]N. Kasa,T. Iida,and L. Chen,“Flyback inverter controlled by sensorless current MPPT for photovoltaic power system,”IEEE Trans. Ind. Electron
.,vol. 52,pp. 1145-1152,2005.
[5]R. J. Wai,C. Y. Lin,and Y. R. Chang,“Novel maximum-power-extraction algorithm for PMSG wind generation system,”IET Proc. Electr. Power Appl
.,vol. 1,no. 2,pp. 275-283,2007.
[6]W. Sweet,“Energy answer-blowing in the wind,”IEEE Spectrum
,vol. 41,pp. 10-12,2004.
[7]E. Sanchis-Kilders,A. Ferreres,E. Maset,J. B. Ejea,V. Esteve,J. Jordan,A Garrigos,and J. Calvente,“Soft switching bidirectional converter for battery discharging-charging”inProc. IEEE Appl. Power Electron. Conf.(APEC)
,2006,pp. 19-23.
[8]M. Marchesoni and C. Vacca,“New DC-DC converter for energy storage system interfacing in fuel cell hybrid electric vehicles,”IEEE Trans. Power Electron.
,vol. 22,no. 1,pp. 301-308,2007.
[9]R. J. Wai,W. H. Wang,and C. Y. Lin,“High-performance stand-alone photovoltaic generation system,”IEEE Trans. Ind. Electron
.,vol. 55,no. 1,pp. 240-250,2008.
[10]R. J. Wai and W. H. Wang,“Grid-connected photovoltaic generation system,”IEEE Trans. Circuits and Systems Part I
,vol. 55,no. 4,pp. 953-964,2008.
本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統101架構如圖1所示，該系統係由電源管理控制單元102、第一電源103、第二電源104、電源儲存裝置105、直流負載106、交流負載107、電力網絡108、電源網絡109、訊號網絡1010、雙輸入直流/直流轉換器1011、雙向直流/直流轉換器1012、直流/交流變流器1013以及直流匯流排1014所組合而成，並標示電源網絡109、控制網絡1010方向及其系統架構如圖1所示。
本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統101中，電源管理控制單元102以訊號網絡1010與各電源轉換器連接，藉由迴授系統輸入/輸出電源以及直流匯流排1014之電壓電流訊號，以智慧型控制方式計算出各電源之功率命令，管理控制各電源轉換器及輸入/輸出電源，可減少系統中因電能管理不當所產生之虛功率，以提升系統整體效率；雙輸入直流/直流轉換器1011之主要工作係將第一電源103電能及第二電源104電能同時轉換為直流匯流排1014電能，亦可將兩電源其中之一單獨轉換為直流匯流排1014電能，此直流匯流排1014電能可用以供應直流負載106以及後級直流/交流變流器1013；雙向直流/直流轉換器1012之主要工作係將電源儲存裝置105電能轉換為直流匯流排1014電能，或是由直流匯流排1014電能透過此雙向直流/直流轉換器1012對電源儲存裝置105充電，此雙向直流/直流轉換器1012具雙向電力潮流之功能；直流/交流變流器1013之主要工作係將直流匯流排1014電能轉換為交流電能，供應交流負載107或與電力網絡108併聯供電，亦可將電力網絡108電能以整流方式反饋回直流匯流排1014，此直流/交流變流器1013具雙向電力潮流之功能。
本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統101，其中電源管理控制單元102之控制流程為電源管理控制方法201，該方法之控制流程如圖2所示，係以數位訊號處理器實現數位化控制，並以智慧型電源管理流程達成各電源功率最佳化支配，而產生各輸入電源之功率控制命令，可有效管理智慧型混合式電源轉換控制系統101之輸入/輸出電源，使系統可操作於獨立供電模式或併網供電模式，電源管理控制方法201主程式步驟包括：步驟202，當電源管理控制方法201啟動時，先設定併網指標(Ind g
)為0，代表該系統預設為獨立供電模式，並設定停機指標(Ind sd
)為0，代表該系統為正常操作狀態，接著進行步驟203；步驟203估測電源儲存裝置105電荷狀態初始值(SOC 0
)，藉由迴授電源儲存裝置105之電壓對應得知電荷狀態初始值(SOC 0
)，接著進行步驟204；步驟204，判斷併網指標(Ind g
)是否為1，若是，接著進行步驟206，若否，接著進行步驟205；步驟205，該系統操作於獨立供電模式，接著進行步驟207；步驟206，該系統操作於市電併網模式，接著進行步驟207；步驟207，電源儲存裝置狀態決策，藉由電源儲存裝置105之即時電流對時間積分，除以電源儲存裝置105總容量後，再加上原本電荷狀態(SOC
)，可估測出目前電源儲存裝置105電荷狀態(SOC
)，本決策預期將電源儲存裝置105電荷狀態(SOC
)維持於預設之最大值，應付輸出於獨立供電模式下重載情況以及系統啟動情況使用，因此在得知電源儲存裝置105電荷狀態(SOC
)後，可由電源儲存裝置105電荷狀態控制或是採用線性對應關係，計算出電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)，接者再進行步驟208；步驟208，電力網絡狀態決策，藉由迴授市電電壓並設定其正常狀態下之峰值大小範圍，判斷該交流電壓之峰值大小是否為正常狀態，並以鎖相迴路控制估測市電電壓之相角，當市電電壓之大小為正常，且成功估測出市電電壓之相角時，設定併網指標(Ind g
)為1，反之，設定併網指標(Ind g
)為0，接者進行步驟209；步驟209，判斷停機指標(Ind sd
)是否為1，若是，表示目前輸入電能功率總和無法供應負載需求電能功率總和，迫使電源管理控制方法201主程式結束並將智慧型混合式電源轉換控制系統101停機，若否，代表智慧型混合式電源轉換控制系統101為正常操作狀態，接著回復進行步驟204。
電源管理控制方法201中，步驟205獨立供電模式控制流程如圖3所示，此副程式執行步驟包括：步驟301，併網開關截止，可將該系統輸出交流電能與市電切離，接者進行步驟302；步驟302，迴授系統輸入/輸出之電壓及電流，並計算系統整體輸出功率(P l
)，此時系統整體輸出功率(P l
)等於直流負載消耗功率(P dc
)及交流負載消耗功率(P ac
)之和，接者進行步驟303；步驟303，根據迴授第二電源104電壓及電流，判斷第二電源104電能能否取得，若是，接著進行步驟304，若否，接著進行步驟305；步驟304，以最大功率擷取控制方式決定第二電源功率命令(P 2 *
)，並設定第二電源功率命令(P 2 *
)為第二電源最大擷取功率(P 2 ,MPPT
)，接者進行步驟306；步驟306，判斷第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)是否大於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3 , v *
)之和，若是，接著進行步驟307，若否，接著進行步驟308；步驟307，獨立供電模式下，第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)大於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)之和時，設定第一電源功率命令(P 1 *
)為零，且重新設定第二電源功率命令(P 2 *
)為系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)之和，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法201主程式；步驟308，當第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)小於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)之和，再判斷第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)與設定之第一電源最大功率(P 1,max
)之和，是否大於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)之和，若是，接著進行步驟309，若否，接著進行步驟3010；步驟309，獨立供電模式下，第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)與第一電源最大功率(P 1,max
)之和，大於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)之和時，將系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)之和，減去第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)之差，設定為第一電源功率命令(P 1 *
)，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法201主程式；步驟3010，獨立供電模式下，第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)與第一電源最大功率(P 1,max
)之和，小於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)之和時，設定第一電源功率命令(P 1 *
)為第一電源最大功率(P 1,max
)，並且將第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)與第一電源最大功率之和(P 1,max
)，減去系統整體輸出功率(P l
)之差，設定為電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)，之後進行步驟3014；步驟305，第二電源電能不可取得時，設定第二電源功率命令(P 2 *
)為零，接者進行步驟3011；步驟3011，判斷第一電源最大功率(P 1,max
)是否大於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)之和，若是，接著進行步驟3012，若否，接著進行步驟3013；步驟3012，獨立供電模式下，第一電源最大功率(P 1,max
)大於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)之和時，將第一電源功率命令(P 1 *
)設定為系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3,v *
)之和，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法201主程式；步驟3013，獨立供電模式下，第一電源最大功率(P 1,max
)小於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)之和時，設定第一電源功率命令(P 1 *
)為第一電源最大功率(P 1,max
)，並且將電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)設定為第一電源最大功率(P 1, max
)減去系統整體輸出功率(P l
)之差，之後進行步驟3014；步驟3014，判斷電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)是否大於零，若是，電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)為正，代表系統具備足夠輸入電能，可對電源儲存裝置105充電，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法201主程式，若否，接著進行步驟3015；步驟3015，電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)為負，即電源儲存裝置105為放電狀態時，判斷電源儲存裝置105電荷狀態(SOC
)是否小於設定之電源儲存裝置105電荷狀態最小值(SOC m in
)，若是，接著進行步驟3016，若否，接著進行步驟3017；步驟3017，判斷電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)是否小於設定之電源儲存裝置最小功率(P 3,min
)，換言之，判斷電源儲存裝置105是否超過其設定放電最大功率，若是，接著進行步驟3016，若否，結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法201主程式；步驟3016，此時輸入電能功率總和無法供應負載需求電能功率總和，設定停機指標(Ind sd
)為1，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法201主程式。
電源管理控制方法201中，步驟206市電併網模式控制流程如圖4所示，此副程式執行步驟包括：步驟401，併網開關導通，可將該系統輸出交流電能與市電連接，並設定第一電能功率命令(P 1 *
)為零，接者進行步驟402；步驟402，迴授系統輸入/輸出之電壓及電流，並計算系統整體輸出功率(P l
)，此時系統整體輸出功率定義為直流負載消耗功率(P dc
)，接者進行步驟403；步驟403，根據迴授第二電源104電壓及電流，判斷第二電源104電能能否取得，若是，接著進行步驟404，若否，接著進行步驟405；步驟404，以最大功率擷取控制方式決定第二電源功率命令(P 2 *
)，並設定第二電源功率命令(P 2 *
)為第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)，接者進行步驟406；步驟406，判斷第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)是否大於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)之和，若是，接著進行步驟407，若否，接著進行步驟408；步驟407，市電併網模式下，第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)大於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)之和時，將第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)，減去系統整體輸出功率(P l
)，再減去電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)，計算所得之正值，設定為市電併網功率命令(P g *
)，換言之，此時將第二電源104電能扣除系統需求所剩餘之電能，全部饋入市電當中，之後結束市電併網模式流程，返回電源管理控制方法201主程式；步驟408，市電併網模式下，第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)小於系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)之和時，將第二電源最大擷取功率(P 2,MPPT
)，減去系統整體輸出功率(P l
)，再減去電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3 , v *
)，計算所得之負值，設定為市電併網功率命令(P g *
)，換言之，此時將第二電源104電能扣除系統需求後所不足之電能，由市電反饋回該系統當中，之後結束市電併網模式流程，返回電源管理控制方法201主程式；步驟405，第二電源電能不可取得時，設定第二電源功率命令(P 2 *
)為零，接者進行步驟409；步驟409，將市電併網功率命令(P g *
)設定為負的系統整體輸出功率(P l
)與電源儲存裝置虛擬充電功率命令(P 3, v *
)之和，此時由市電反饋電能回該系統當中，之後結束市電併網模式流程，返回電源管理控制方法201主程式。
本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統101，其特徵為：第一點，系統包含第一電源103、第二電源104及一組電源儲存裝置105，可由任一組電源單獨供電或由兩個電源至三個電源同時供電；第二點，系統之第一電源103及第一電源104使用單一雙輸入直流/直流轉換器1011，簡化傳統習用多組直流/直流轉換器之系統架構；第三點，系統包含雙向直流/直流轉換器1012，可達成電源儲存裝置105充放電所需之雙向電力潮流之功能；第四點，系統輸出可以為直流匯流排1014上直流負載106，以及直流/交流變流器1013輸出之交流負載107，亦可與電力網絡108併聯供電；第五點，系統與電力網絡108併聯供電時，可將電力網絡108電能轉換後對電源儲存裝置105充電。
圖5表示本發明所揭示智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500之系統架構，並標示各電源轉換器所需之脈波寬度調變訊號507以及迴授訊號508方向於圖5當中；該實施例中第一電源103採用燃料電池501，其電壓及電流分別表示為V FC
及I FC
，第二電源104採用太陽光電池502，其電壓及電流分別表示為V PV
及I PV
，電源儲存裝置105採用蓄電池503，其電壓及電流分別表示為V BAT
及I BAT
，直流匯流排1014上電壓為V bus
，流經直流負載106之電流為I dc
，輸出交流負載107上之電壓及電流分別表示為v o
及i o
，電力網絡108之電壓為v g
，市電併網電流則表示為i g
，而雙輸入直流/直流轉換器1011、雙向直流/直流轉換器1012、直流/交流變流器1013與電源管理控制單元102分別以雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600、雙向直流/直流轉換器實施例之一700、直流/交流變流器實施例之一800與電源管理控制單元實施例之一504予以實施，其中電源管理控制單元實施例之一504由數位訊號處理器505及驅動電路506組合而成，本實施例使用德州儀器公司所生產的TMS320F2812數位信號處理器505，主要功能為迴授系統輸入/輸出電壓及電流訊號，經電源管理控制方法201產生各輸入/輸出電源之功率命令以及脈波寬度調變訊號507，以控制系統中各電源轉換器。
本發明智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600之電路架構表示如圖6所示，該轉換器之實施例由第一電源電路601、第二電源電路602、主動式箝制電路603以及全橋式電路604所組成，當輸入電源之燃料電池501或太陽光電池502兩者其中之一發生故障，或是電源管理控制方法201因應不同輸出負載及節省能源之目的，欲調節輸入電源不輸出功率時，可將第一電源開關(S P 1
)或第二電源開關(S P 2
)截止，完成電源切離之目的。雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600電路操作方式敘述如下：第一電源電路601及第二電源電路602主要透過第一開關(S 1
)及第二開關(S 2
)之切換，將燃料電池501及太陽光電池502之電壓源形式之電能分別轉換為第一電感電流(i L 1
)及第二電感電流(i L 2
)，再經由全橋式電路604之開關切換以轉換為交流電流，透過隔離變壓器(T r
)之昇壓，分時序對直流匯流排1014之電容(C bus
)充電及提供能量給輸出直流負載106(R dc
)，當第一電感電流(i L 1
)及第二電感電流(i L 2
)透過隔離變壓器(T r
)昇壓過程中，因隔離變壓器(T r
)存在洩漏電感，電感電流無法即時傳遞至隔離變壓器(T r
)，因此會對第一開關(S 1
)或第二開關(S 2
)寄生電容充電，一般開關之寄生電容值皆很小，導致開關截止時產生電壓突波，易對開關造成損壞，所以雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600加入主動式箝制電路603以解決此問題，當開關第一開關(S 1
)或第二開關(S 2
)截止時，第一電感電流(i L 1
)或第二電感電流(i L 2
)可透過箝制開關(S C
)寄生二極體對箝制電容(C C
)充電，可有效箝制開關電壓並避免突波現象發生，之後再將箝制開關(S C
)導通，將儲存於箝制電容(C C
)之能量透過隔離變壓器(T r
)對直流匯流排1014供電；本發明所揭示之雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600成功達成雙輸入電源直流電力轉換之目的，且具有電器隔離及輸入電流連續之特性，電路結構還能降低系統成本，非常適用於高性能之潔淨能源分散式發電系統。
本發明智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，雙向直流/直流轉換器實施例之一700之電路架構表示如圖7所示，該轉換器之實施例採用傳統昇壓/降壓型雙向直流/直流轉換器，蓄電池503可透過此轉換器將蓄電池503之電力與直流匯流排1014接軌，依照電源管理控制方法201之需求，昇壓/降壓型雙向直流/直流轉換器可以降壓操作模式對蓄電池503充電，或於獨立供電操作下，燃料電池501及太陽光電池502電力不足以供給負載時，以昇壓操作模式將蓄電池503電力轉換至高壓直流匯流排1014，再轉換為交流電能供應輸出交流負載107使用。傳統昇壓/降壓型雙向直流/直流轉換器中存在二極體反向恢復電流之問題，以及不具柔性切換之效果，一般最為詬病為其轉換效率不佳及高電流突波之問題，因此本發明雙向直流/直流轉換器實施例之一700設計為同步導通模式(Synchronous Conducting Mode,SCM)，使第三電感電流(i L 3
)波形為跨越零點之鋸齒波，在蓄電池503於充電及放電兩種操作狀態下，該轉換器中兩個開關均具有開關導通零電壓切換之效果，並且避免二極體反向恢復短路電流現象發生，提升雙向直流/直流轉換器實施例之一700之轉換效率及穩定度。
本發明智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，直流/交流變流器實施例之一800之電路架構表示如圖8所示，由於全橋式直流/交流變流器電路動態模型明確，可實現較複雜之智慧型控制方式來達成良好之輸出交流正弦電源，透過常用之正弦脈波寬度調變技術(Sinusoidal Pulse-width-Modulation,SPWM)來控制，因此本發明採用此變流器做為直流/交流變流器實施例之一800。該變流器係使用直流匯流排1014電壓(V bus
)作為輸入電源，輸出則可依不同負載及電源情況下，將併網開關(S g
)截止或是導通，使其操作於獨立供電模式或是市電併網模式；獨立供電模式下，變流器輸出正弦電壓之規範，一般可參照IEEE Std. 1547，須符合總諧波失真在諧波管制規範限制5%之內，而本實施例將以電壓控制方式，使輸出正弦電壓規格滿足交流輸出電壓穩定度110Vrms(±1%)、頻率及穩定度60Hz(±0.5Hz)、電壓波形為正弦波及輸出電壓總諧波失真，並以此輸出電壓(v o
)供應交流負載107(R ac
)；市電併網模式下，倘若能將與電力網絡電壓(v g
)同相位之電流饋入市電，達成單位功因併網之效果，即能有效減少虛功率之產生，使能源使用效率得以提升，本實施例將以電流控制方式，使併網電流(i g
)相位與市電電壓(v g
)相位之功率因數0.98以上，於市電併網模式下亦具良好之電力品質。
電源管理控制廣泛應用於電力電子應用當中，舉凡輸出電壓穩定與電力品質之改善、太陽光電池與風力發電機之最大功率擷取控制、電池快速充電器之應用以及多輸入能源電能之調配上，均需要電源管理控制系統，特別是多輸入電源之電力調節應用上，由於同時欲達成數個目標，例如直流匯流排電壓穩定、根據不同負載條件控制輸入電源之功率、變流器單位功因併網、等，因此，功率調配之電源端需要以電流控制方式，穩定電壓之功能則以電壓控制方式，況且還需要瞭解輸入電源之電壓範圍變動之狀態，傳統使用類比電路組合而成控制架構已無法滿足此多功能之需求，且其亦較不具有修改上的彈性，因此，本發明所揭示之電源管理控制方法201採用數位訊號處理器505做為電源管理控制單元實施例之一504主要核心，此作法儼然成為目前研究發展之趨勢及應用之主流。當系統處於市電併網模式206時，將併網開關(S g
)導通，當系統供電量不足負載使用時將由市電輔助供電，若系統發電量大於負載所需，則把多餘電力單位功因饋入市電，間接降低電費支出；當市電發生故障無法供電時，為防止孤島效應所造成維修人員感電危險及系統損壞，此時併網開關(S g
)將斷路與市電切離，此時系統操作於獨立供電模式205，對負載供電。本電源管理控制方法201設計準則，則是要避免蓄電池503額外的充放電次數，造成多餘能源轉換過程中之能源消耗，進而提升電源轉換控制系統整體效率，因此蓄電池503供電僅用於燃料電池501啟動暫態期間及獨立操作模式下，當直流負載106或交流負載107容量大於燃料電池501及太陽光電池502發電容量時，燃料電池501及太陽光電池502與蓄電池503同時供電，然而當蓄電池503電壓過低時，則可視負載情形及市電併網與否，自動判定其充電能量來自於燃料電池501、太陽光電池502或是電力網絡108；另一方面，由於燃料電池501工作時需供給其發電燃料，因此其輸入功率亦是主要控制目標，燃料電池501輸入功率命令可根據輸出負載情形自動調整，即能達成高效率智慧型電源管理控制之目標。
本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，燃料電池501輸入電壓為23~28V，額定輸入功率500W，本實施例以可程式化直流電源供應器以模擬燃料電池501輸出功率曲線，並依照燃料電池501特性，仿效其操作於歐姆線性區，此時輸出電壓(V FC
)及電流(I FC
)關係可表示為
V FC
=28.5-0.22I FC
(1)
太陽光電池502之輸入電壓502為22~26V，其額定功率為200W，而直流匯流排1014電壓(V bus
)則設計為200V，以滿足高於全橋式直流/交流變流器輸出峰值電壓；本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600之輸入輸出電壓關係可表示為
V bus
=nkV FC
(1-d 1
)=nkV PV
/(1-d 2
) (2a)
其中d 1
及d 2
分別代表第一開關(S 1
)及第二開關(S 2
)責任週期，n
為隔離變壓器(T r
)匝數比，k
為變壓器耦合係數。為確保電路於安全之操作條件下並符合式(2b)，考慮最差的情況，即雙輸入電源均操作於最低電壓，V FC
=23V以及V PV
=22V，最大之開關責任週期預設為0.7，並假設耦合係數為0.96，代入式(2a)可得變壓器匝數比n
>2.84，適當選擇變壓器匝數比n
=3.5以避免於重載情形下，責任週期過大導致電流漣波過大及較差電源轉換效率。為進一步確保於雙輸入電源一併供電操作下，雙輸入電源均操作於最高電壓仍符合式(2b)，考慮V FC
=28V以及V PV
=26V，並由式(2a)求得d 1
=0.53以及d 2
=0.56，得知此操作條件下仍符合式(2b)，雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600可有效操作於雙輸入電源一併供電；此電源轉換器之主動式箝制電路603，將所有開關截止時之電壓箝制於箝制電容電壓(V CC
)，箝制電容電壓經推導可表示
V CC
=V bus
/nk
(3)
可得知箝制電容電壓V CC
=59.5V，亦即開關S 1
、S 2
、S 3
、S 4
、S 5
、S 6
及S C
截止電壓箝制於59.5V，因此挑選耐壓100V之MOSFET IRFPS3810作為低壓側的開關；高壓側二極體D 1
、D 2
、D 3
及D 4
截止電壓等於直流匯流排1014電壓200V，因此選用耐壓300V之快速二極體SF1005G；第一電源開關(S P 1
)及第二電源開關(S P 2
)採用48V繼電器予以實現，可達成電源截止及電氣隔離之效果。被動元件規格則根據電壓及電流漣波允許範圍適當選取如下：第一電容C 1
=2200μF、第二電容C 2
=1100μF、箝制電容C C
=110μF、輸出直流電容C bus
=47μF×2、第一電感L 1
=330μH以及第二電感L 2
=160μH。
圖9表示直流匯流排1014輸出功率500W，燃料電池501輸出電壓為23.4V，雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600操作於燃料電池501單獨供電模式下之實驗波形：(a)表示各開關驅動訊號電壓波形；(b)表示第一開關驅動訊號T 1
、第一電感電流i L 1
、第一開關電壓v DS , S 1
以及第一開關電流i DS , S 1
，第一開關S 1
導通前，第一開關電壓v DS , S 1
先降至零伏特，因此開關導通具零電壓切換之特性，而開關S 1
截止時電壓箝制於箝制電容電壓V CC
，有效改善變壓器漏感所造成開關電壓突波現象；(c)表示第一開關驅動訊號T 1
、箝制電容電壓V CC
、箝制開關電壓v D S , SC
以及箝制開關電流i DS , SC
，箝制電容電壓V CC
為定值且與所設計之箝制電壓59.5V相符，所有低壓側開關截止時均箝制於此電壓值，箝制開關電流i DS , SC
於開關導通前為負，箝制開關S C
導通時具零電壓切換之特性；(d)表示第一開關驅動訊號T 1
、隔離變壓器一次側電流i N 1
、第三開關電壓v DS ， S 3
以及第三開關電流i DS , S 3
，隔離變壓器一次側電流i N 1
為正值時通過開關S 3
及S 6
，電流為負值時通過開關S 4
及S 5
，經變壓器升壓後，轉換為高壓直流匯流排1014電源；(e)表示第一開關驅動訊號T 1
、直流匯流排電壓V o
、第一二極體電壓v D 1
以及第一二極體電流i D 1
，直流匯流排電壓V bus
穩定輸出200V且二極體無反向恢復電流問題。
圖10表示直流匯流排輸出功率700W時，燃料電池501輸出電壓23.3V及太陽光電池502輸出電壓22.1V，雙輸入直流/直流轉換器實施例之一600操作於燃料電池501及太陽光電池502一併供電模式下之實驗波形：(a)表示各開關驅動訊號電壓波形；(b)表示第一開關驅動訊號T 1
、第一電感電流i L 1
、第一開關電壓v Ds , s 1
以及第一開關電流i DS , S 1
，由圖中顯示出第一電感電流i L 1
連續，第一開關在此操作模式下導通具零電壓切換之特性，且第一開關S 1
截止時電壓箝制於箝制電容電壓V CC
，有效改善變壓器漏感所造成開關電壓突波現象；(c)表示第一開關驅動訊號T 1
、第二電感電流i L 2
、第二開關電壓v DS , S 2
以及第二開關電流i DS , S 2
，由圖中顯示出第二電感電流i L 2
連續，第二開關在此操作模式下導通亦具零電壓切換之特性，截止時電壓箝制於箝制電容電壓V CC
，有效改善變壓器漏感所造成開關電壓突波現象；(d)表示第一開關驅動訊號T 1
、箝制電容電壓V CC
、箝制開關電壓v DS , SC
以及箝制開關電流i DS , SC
，箝制電容電壓V CC
為定值，且與所設計之箝制電壓59.5V相符，所有低壓側開關截止時均箝制於此電壓值，箝制開關電流i DS , SC
於開關導通前為負，箝制開關S C
導通時具零電壓切換之特性；(e)表示第一開關驅動訊號T 1
、隔離變壓器一次側電流i N 1
、第三開關電壓v DS , S 3
以及第三開關電流i D S , S 3
，由圖中顯示出第三開關電流i DS , S 3
透過變壓器對直流匯流排1014供電，並且電感電流可在開關S 3
、S 4
、S 5
及S 6
同時導通時，以分流形式減低導通損失；(f)表示第一開關驅動訊號T 1
、直流匯流排電壓V bus
、第三二極體電壓v D 3
以及第三二極體電流i D 3
，圖中直流匯流排電壓V bus
穩定輸出200V且二極體無反向恢復電流問題。
本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，蓄電池503輸入電壓為96V±10%，雙向直流/直流轉換器實施例之一700之額定放電功率及充電功率設計為500W，其輸入與輸出電壓關係可表示為
V bus
=V BAT
/(1-d d
) (4)
其中d d
分別代表下臂開關(S d
)責任週期，由於上臂開關(S u
)及下臂開關(S d
)截止時均須承受直流匯流排1014電壓(V bus
=200V)，因此上臂開關(S u
)及下臂開關(S d
)選取耐壓250V之MOSFET IRFP264。被動元件規格則根據電壓及電流漣波允許範圍適當選取，以滿足第三電感電流(i L 3
)於最重載時仍操作在不連續區域，方可執行同步導通模式，因此選擇第三電容C 3
=220μF以及第三電感L 3
=96μH。
圖11表示直流匯流排1014輸出功率500W時，蓄電池503電壓104.2V，雙向直流/直流轉換器實施例之一700操作於蓄電池503放電模式下之實驗波形：(a)表示下臂開關驅動訊號T d
、上臂開關驅動訊號T u
以及第三電感電流i L 3
，圖中顯示出第三電感電流i L 3
於下臂開關驅動訊號T d
導通時為正值，確保雙向直流/直流轉換器實施例之一700操作於同步導通模式；(b)表示下臂開關驅動訊號T d
、上臂開關驅動訊號T u
、下臂開關電壓v DS , Sd
以及下臂開關電流i DS , Sd
，下臂開關在此操作模式下導通具零電壓切換之特性，且下臂開關S d
截止時電壓箝制於200V，與直流匯流排電壓V bus
相同；(c)表示下臂開關驅動訊號T d
、上臂開關驅動訊號T u
、上臂開關電壓v DS , Su
以及上臂開關電流i DS , Su
，上臂開關在此操作模式下導通亦具零電壓切換之特性，截止時電壓亦箝制於200V，與直流匯流排電壓V bus
相同，且無傳統上使用開關作同步整流因而產生二極體反向恢復電流過大之現象發生；(d)表示下臂開關驅動訊號T d
、直流匯流排電壓V bus
、直流匯流排電壓交流成分V bus,ac
以及第三電感電流i L 3
，圖中顯示直流匯流排電壓V bus
穩定輸出200V，且其電壓漣波峰值1.2V約佔直流匯流排電壓(V bus
=200V)的0.6%，直流匯流排電壓為穩定狀態。
圖12表示直流匯流排1014輸入功率520W時，蓄電池503電壓96.5V，雙向直流/直流轉換器實施例之一700操作於蓄電池503充電模式下之實驗波形：(a)表示下臂開關驅動訊號T d
、上臂開關驅動訊號T u
以及第三電感電流i L 3
，圖中顯示出第三電感電流i L 3
於上臂開關驅動訊號T u
導通時為負值，確保雙向直流/直流轉換器實施例之一700操作於同步導通模式；(b)表示下臂開關驅動訊號T d
、上臂開關驅動訊號T u
、下臂開關電壓v DS , Sd
以及下臂開關電流i DS , Sd
，下臂開關導通具零電壓切換之特性，且下臂開關S d
截止時電壓箝制於200V，與直流匯流排電壓V bus
相同；(c)表示下臂開關驅動訊號T d
、上臂開關驅動訊號T u
、上臂開關電壓v Ds , su
以及上臂開關電流i Ds , Su
，上臂開關導通亦具零電壓切換之特性，截止時電壓亦箝制於200V，與直流匯流排電壓V bus
相同，且無傳統上使用開關作同步整流因而產生二極體反向恢復電流過大之現象發生；(d)表示下臂開關驅動訊號T d
、直流匯流排電壓V bus
、直流匯流排電壓交流成分V bus , ac
以及第三電感電流i L 3
，圖中顯示直流匯流排電壓V bus
穩定輸出200V，且其電壓漣波峰值1.3V約佔直流匯流排電壓(V bus
=200V)的0.65%，直流匯流排電壓為穩定狀態。
本發明所揭示之智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，直流/交流變流器實施例之一800，由200V直流匯流排電壓V bus
所供應，獨立供電操作模式下，交流輸出電壓(v o
)設計為110Vrms
/60Hz，當輸出電壓(v o
)經控制後，與市電網絡電壓(v g
)同相位以及同大小時，再將併網開關(S g
)導通與市電網絡併網供電，本實施例採用單極性(Unipolar)脈波寬度調變的開關切換方式來控制輸出電壓(v g
)，獨立供電下全橋式直流/交流變流器動態模型可簡化表示成
其中d i
代表變流器開關切換之資任週期，R ac
代表交流負載107。由於第七開關(S 7
)、第八開關(S 8
)、第九開關(S 9
)及第十開關(S 10
)截止時最大需承受直流匯流排電壓(V bus
)，因此開關均選取耐壓250V之MOSFET IRFP240，而併網開關(S g
)則採用110Vac
繼電器予以實現；併網供電下全橋式直流/交流變流器動態模型可再簡化表示如下：
由此式可得知，藉由控制變流器開關切換之責任週期(d i
)，可決定電流流向以達成蓄電池503充電所需電力，或將輸入多餘電力饋入市電網絡108當中。被動元件規格則根據濾除高頻成份之準則適當選取如下：輸出直流電容C bus
=47μF×2、輸出濾波電感L o
=4.2mH以及輸出濾波電容C o
=30μF。
圖13表示本發明智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，直流/交流變流器實施例之一800操作於獨立供電模式下，直流匯流排電壓V bus
、交流輸出電壓v o
以及輸出濾波電感電流i Lo
之實驗波形：(a)表示交流輸出功率240W時之實驗波形，其中直流匯流排電壓V bus
穩定於200V持續供應變流器，而交流輸出電壓v o
為110.4Vrms
/60.1Hz，其電壓總諧波失真量測為1.5%；(b)表示交流輸出功率670W時之實驗波形，此時交流輸出電壓v o
為110.2Vrms
/60.1Hz，其電壓總諧波失真量測為1.7%；(c)表示交流輸出功率1020W時之實驗波形，此時交流輸出電壓v o
為110.4Vrms
/60.0Hz，其電壓總諧波失真量測為1.9%。
圖14表示本發明智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一中500，直流/交流變流器實施例之一800操作於市電併網模式下，饋入市電網絡220W時，市電電壓v g
及輸出濾波電感電流i Lo
之實驗波形，圖中顯示出濾波電感電流i Lo
與市電電壓v g
接近同相位，且併網電流有效值及併網功率因素量測為2.1Arms
及0.981，成功達成單位公因併網。
圖15表示本發明智慧型混合式電源轉換控制系統實施例之一500中，直流/交流變流器實施例之一800操作於獨立供電模式與市電併網模式切換時，交流輸出電壓v o
以及市電電壓v g
之暫態響應實驗波形：(a)表示市電併網操作模式下，將併網開關S g
截止並轉換為獨立供電操作模式，其併網開關切換之操作點設置於市電電壓v g
之零交越點，可有效避免切換所造成之短路電流及突波電壓，並可縮短暫態時間，其暫態切換時間約為5ms；(b)表示由獨立供電操作模式下，交流輸出電壓v o
已與市電電壓v g
相同相位時，將併網開關S g
導通並轉換為市電併網操作模式，其暫態切換時間約為2ms。
雖然本發明已前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，再不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之變動與修改，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
101．．．智慧型混合式電源轉換控制系統
102．．．電源管理控制單元
103．．．第一電源
104．．．第二電源
105．．．電源儲存裝置
106．．．直流負載
107．．．交流負載
108．．．電力網絡
109．．．電源網絡
1010．．．訊號網絡
1011．．．雙輸入直流/直流轉換器
1012．．．雙向直流/直流轉換器
1013．．．直流/交流變流器
1014．．．直流匯流排
201．．．電源管理控制方法
205．．．獨立供電模式
206．．．市電併網模式
Ind g
．．．併網指標
Ind sd
．．．停機指標
SOC 0
．．．電荷狀態初始值
SOC
．．．電荷狀態
SOC min
．．．電荷狀態最小值
P 3 , v *
．．．電源儲存裝置虛擬充電功率命令
P 3, min
．．．電源儲存裝置最小功率
P l
．．．系統整體輸出功率
P dc
．．．直流負載消耗功率
P ac
．．．交流負載消耗功率
P 2 *
．．．第二電源功率命令
P 2 , MPPT
．．．第二電源最大擷取功率
P 1 *
．．．第一電源功率命令
P 1 , max
．．．第一電源最大功率
P g *
．．．市電併網功率命令
第1圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」之系統架構
第2圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」中，電源管理控制方法之控制流程
第3圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」中，電源管理控制方法之獨立供電模式控制流程
第4圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」中，電源管理控制方法之市電併網模式控制流程
第5圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一之系統架構
第6圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，雙輸入直流/直流轉換器實施例之一之電路架構
第7圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，雙向直流/直流轉換器實施例之一之電路架構
第8圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，直流/交流變流器實施例之一之電路架構
第9圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，雙輸入直流/直流轉換器實施例之一操作於燃料電池單獨供電模式下之實驗波形
第10圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，雙輸入直流/直流轉換器實施例之一操作於燃料電池及太陽光電池一併供電模式下之實驗波形
第11圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，雙向直流/直流轉換器實施例之一操作於蓄電池放電模式下之實驗波形
第12圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，雙向直流/直流轉換器實施例之一操作於蓄電池充電模式下之實驗波形
第13圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，直流/交流變流器實施例之一操作於獨立供電模式下之實驗波形
第14圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，直流/交流變流器實施例之一操作於市電併網模式下之實驗波形
第15圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」實施例之一中，直流/交流變流器實施例之一操作於獨立供電模式與市電併網模式切換時，暫態響應之實驗波形
第1圖 表示本發明「智慧型混合式電源轉換控制系統」系統架構
101．．．智慧型混合式電源轉換控制系統
102．．．電源管理控制單元
103．．．第一電源
104．．．第二電源
105．．．電源儲存裝置
106．．．直流負載
107．．．交流負載
108．．．電力網絡
109．．．電源網絡
1010．．．訊號網絡
1011．．．雙輸入直流/直流轉換器
1012．．．雙向直流/直流轉換器
1013．．．直流/交流變流器
1014．．．直流匯流排
Claims (9)
- 一種智慧型混合式電源轉換控制系統，其中包含一電源管理控制單元：以訊號網絡與各電源轉換器連接，用以管理控制各電源轉換器及輸入/輸出電源；一第一電源：經電源轉換後，用以提供系統輸出功率，亦可對電源儲存裝置充電；一第二電源：經電源轉換後，用以提供系統輸出功率，亦可對電源儲存裝置充電；一電源儲存裝置：經電源轉換後，用以提供系統輸出功率，或接受對本裝置充電之功率；一雙輸入直流/直流轉換器：將第一電源電能及第二電源電能同時轉換為直流匯流排電能，亦可將兩電源其中之一單獨轉換為直流匯流排電能；一雙向直流/直流轉換器：將電源儲存裝置電能轉換為直流匯流排電能，或是由直流匯流排電能透過此雙向直流/直流轉換器對電源儲存裝置充電，此雙向直流/直流轉換器具雙向電力潮流之功能；一直流匯流排：直流匯流排電能可供應直流負載，亦可經直流/交流變流器轉換為交流電能後，供應交流負載或與電力網絡併聯供電，直流匯流排電能同時可透過雙向直流/直流轉換器對電源儲存裝置充電；一直流負載：使用直流匯流排高壓直流電源之負載；一直流/交流變流器：將直流匯流排電能轉換為交流電能，供應交流負載或與電力網絡併聯供電，亦可將電力網絡電能以整流方式反饋回直流匯流排，此直流/交流變流器具雙向電力潮流之功能；一交流負載：使用直流/交流變流器輸出交流電能之負載；一電力網絡：市電電力網絡所構成；一電源網絡：各電源轉換器連接至輸入/輸出電源及直流匯流排之電能所構成之網絡；一訊號網絡：各電源轉換器連接至電源管理控制單元之控制訊號所構成之網絡；本智慧型混合式電源轉換控制系統之特徵為：第一點，系統包含第一電源、第二電源及一組電源儲存裝置，可由任一組電源單獨供電或由兩個電源至三個電源同時供電；第二點，系統之第一電源及第一電源使用單一雙輸入直流/直流轉換器，簡化傳統習用多組直流/直流轉換器之系統架構；第三點，系統包含雙向直流/直流轉換器，可達成電源儲存裝置充放電所需之雙向電力潮流之功能；第四點，系統輸出可以為直流匯流排上直流負載，以及直流/交流變流器輸出之交流負載，亦可與電力網絡併聯供電；第五點，系統與電力網絡併聯供電時，可將電力網絡電能轉換後對電源儲存裝置充電。
- 如申請專利範圍第1項之智慧型混合式電源轉換控制系統，其中第一電源可為使用燃料發電之直流電源或使用燃料發電之交流電源整流為直流電源，作為電源供應。
- 如申請專利範圍第1項之智慧型混合式電源轉換控制系統，其中第二電源可為太陽光電池、直流風力發電機或交流風力發電機整流為直流電源，作為電源供應。
- 如申請專利範圍第1項之智慧型混合式電源轉換控制系統，其中電源儲存裝置可為二次電池或超電容，作為電源儲存及供應之用。
- 如申請專利範圍第1項之智慧型混合式電源轉換控制系統，其中直流/交流變流器可為單相變流器或三相變流器。
- 如申請專利範圍第1項之智慧型混合式電源轉換控制系統，其中電力網絡可為市電單相電源或市電三相電源，與系統輸出作併聯供電之用。
- 如申請專利範圍第1項之智慧型混合式電源轉換控制系統，其中電源管理控制單元之控制流程為電源管理控制方法，該方法係用以產生各輸入電源之功率控制命令，俾使有效管理智慧型混合式電源轉換控制系統之輸入/輸出電源，其主程式步驟包括：步驟202，當電源管理控制方法啟動時，先設定併網指標為0，代表該系統預設為獨立供電模式，並設定停機指標為0，代表該系統為正常操作狀態，接著進行步驟203；步驟203估測電源儲存裝置電荷狀態初始值，藉由迴授電源儲存裝置之電壓對應得知電荷狀態初始值，接著進行步驟204；步驟204，判斷併網指標是否為1，若是，接著進行步驟206，若否，接著進行步驟205；步驟205，該系統操作於獨立供電模式，接著進行步驟207；步驟206，該系統操作於市電併網模式，接著進行步驟207；步驟207，電源儲存裝置狀態決策，藉由電源儲存裝置之即時電流對時間積分，除以電源儲存裝置總容量後，再加上原本電荷狀態，可估測出目前電源儲存裝置電荷狀態，本決策預期將電源儲存裝置電荷狀態維持於預設之最大值，應付輸出於獨立供電模式下重載情況以及系統啟動情況使用，因此在得知電源儲存裝置電荷狀態後，可由電源儲存裝置電荷狀態控制或是採用線性對應關係，計算出電源儲存裝置虛擬充電功率命令，接者再進行步驟208；步驟208，電力網絡狀態決策，藉由迴授市電電壓並設定其正常狀態下之峰值大小範圍，判斷該交流電壓之峰值大小是否為正常狀態，並以鎖相迴路控制估測市電電壓之相角，當市電電壓之大小為正常，且成功估測出市電電壓之相角時，設定併網指標為1，反之，設定併網指標為0，接者進行步驟209；步驟209，判斷停機指標是否為1，若是，表示目前輸入電能功率總和無法供應負載需求電能功率總和，迫使電源管理控制方法主程式結束並將智慧型混合式電源轉換控制系統停機，若否，代表智慧型混合式電源轉換控制系統為正常操作狀態，接著回復進行步驟204。
- 如申請專利範圍第7項之智慧型混合式電源轉換控制系統，其中步驟205獨立供電模式之副程式執行步驟包括：步驟301，併網開關截止，可將該系統輸出交流電能與市電切離，接者進行步驟302；步驟302，迴授系統輸入/輸出之電壓及電流，並 計算系統整體輸出功率，此時系統整體輸出功率等於直流負載消耗功率及交流負載消耗功率之和，接者進行步驟303；步驟303，根據迴授第二電源電壓及電流，判斷第二電源電能能否取得，若是，接著進行步驟304，若否，接著進行步驟305；步驟304，以最大功率擷取控制方式決定第二電源功率命令，並設定第二電源功率命令為第二電源最大擷取功率，接者進行步驟306；步驟306，判斷第二電源最大擷取功率是否大於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，若是，接著進行步驟307，若否，接著進行步驟308；步驟307，獨立供電模式下，第二電源最大擷取功率大於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和時，設定第一電源功率命令為零，且重新設定第二電源功率命令為系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法主程式；步驟308，當第二電源最大擷取功率小於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，再判斷第二電源最大擷取功率與設定之第一電源最大功率之和，是否大於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，若是，接著進行步驟309，若否，接著進行步驟3010；步驟309，獨立供電模式下，第二電源最大擷取功率與第一電源最大功率之和，大於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和時，將系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，減去第二電源最大擷取功率之差，設定為第一電源功率命令，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法主程式；步驟3010，獨立供電模式下，第二電源最大擷取功率與第一電源最大功率之和，小於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和時，設定第一電源功率命令為第一電源最大功率，並且將第二電源最大擷取功率與第一電源最大功率之和，減去系統整體輸出功率之差，設定為電源儲存裝置虛擬充電功率命令，之後進行步驟3014；步驟305，第二電源電能不可取得時，設定第二電源 功率命令為零，接者進行步驟3011；步驟3011，判斷第一電源最大功率是否大於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，若是，接著進行步驟3012，若否，接著進行步驟3013；步驟3012，獨立供電模式下，第一電源最大功率大於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和時，將第一電源功率命令設定為系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法主程式；步驟3013，獨立供電模式下，第一電源最大功率小於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和時，設定第一電源功率命令為第一電源最大功率，並且將電源儲存裝置虛擬充電功率命令設定為第一電源最大功率減去系統整體輸出功率之差，之後進行步驟3014；步驟3014，判斷電源儲存裝置虛擬充電功率命令是否大於零，若是，電源儲存裝置虛擬充電功率命令為正，代表系統具備足夠輸入電能，可對電源儲存裝置充電，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法主程式，若否，接著進行步驟3015；步驟3015，電源儲存裝置虛擬充電功率命令為負，即電源儲存裝置為放電狀態時，判斷電源儲存裝置電荷狀態是否小於設定之電源儲存裝置電荷狀態最小值，若是，接著進行步驟3016，若否，接著進行步驟3017；步驟3017，判斷電源儲存裝置虛擬充電功率命令是否小於設定之電源儲存裝置最小功率，換言之，判斷電源儲存裝置是否超過其設定放電最大功率，若是，接著進行步驟3016，若否，結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法主程式；步驟3016，此時輸入電能功率總和無法供應負載需求電能功率總和，設定停機指標為1，之後結束獨立供電模式流程，返回電源管理控制方法主程式。
- 如申請專利範圍第7項之智慧型混合式電源轉換控制系統，其中步驟206市電併網模式之副程式執行步驟包括：步驟401，併網開關導通，可將該系統輸出交流電能與市電連接，並設定第一電能功率命令為零，接者進行步驟402；步驟402，迴授系 統輸入/輸出之電壓及電流，並計算系統整體輸出功率，此時系統整體輸出功率定義為直流負載消耗功率，接者進行步驟403；步驟403，根據迴授第二電源電壓及電流，判斷第二電源電能能否取得，若是，接著進行步驟404，若否，接著進行步驟405；步驟404，以最大功率擷取控制方式決定第二電源功率命令，並設定第二電源功率命令為第二電源最大擷取功率，接者進行步驟406；步驟406，判斷第二電源最大擷取功率是否大於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，若是，接著進行步驟407，若否，接著進行步驟408；步驟407，市電併網模式下，第二電源最大擷取功率大於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和時，將第二電源最大擷取功率，減去系統整體輸出功率，再減去電源儲存裝置虛擬充電功率命令，計算所得之正值，設定為市電併網功率命令，換言之，此時將第二電源電能扣除系統需求所剩餘之電能，全部饋入市電當中，之後結束市電併網模式流程，返回電源管理控制方法主程式；步驟408，市電併網模式下，第二電源最大擷取功率小於系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和時，將第二電源最大擷取功率，減去系統整體輸出功率，再減去電源儲存裝置虛擬充電功率命令，計算所得之負值，設定為市電併網功率命令，換言之，此時將第二電源電能扣除系統需求後所不足之電能，由市電反饋回該系統當中，之後結束市電併網模式流程，返回電源管理控制方法主程式；步驟405，第二電源電能不可取得時，設定第二電源功率命令為零，接者進行步驟409；步驟409，將市電併網功率命令設定為負的系統整體輸出功率與電源儲存裝置虛擬充電功率命令之和，此時由市電反饋電能回該系統當中，之後結束市電併網模式流程，返回電源管理控制方法主程式。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI465028B (zh) * | 2011-06-10 | 2014-12-11 | Univ Yuan Ze | 複合式併網型電源轉換器以及供電系統及其模式控制方法 |
| TWI450472B (zh) * | 2011-08-09 | 2014-08-21 | Nat Univ Chung Hsing | 可彈性規劃組合式電池充電電流之方法及其裝置 |
| US8693276B2 (en) * | 2011-12-28 | 2014-04-08 | Monolithic Power Systems, Inc. | Power supply, associated management unit and method |
| TWI498517B (zh) * | 2012-04-17 | 2015-09-01 | Multi - standby solar power supply system | |
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| CN107797003B (zh) * | 2016-09-05 | 2023-10-20 | 中国计量科学研究院 | 一种用于充电桩计量性能检测的虚拟负荷试验装置及方法 |
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| TWI671537B (zh) * | 2018-08-17 | 2019-09-11 | 星博電子股份有限公司 | 電池交換站控制系統及方法 |
| TWI749906B (zh) * | 2020-11-25 | 2021-12-11 | 台達電子工業股份有限公司 | 電源系統及其適用之脈寬調變方法 |
| CN114552983B (zh) | 2020-11-25 | 2025-05-06 | 台达电子工业股份有限公司 | 电源系统及其适用的脉宽调制方法 |
| TWI773372B (zh) * | 2021-06-09 | 2022-08-01 | 談光雄 | 微電網系統及預同步判斷方法 |
| TWI832250B (zh) * | 2022-05-19 | 2024-02-11 | 博大科技股份有限公司 | 電源轉換器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW411651B (en) * | 1998-08-28 | 2000-11-11 | Twinhead Int Corp | An intelligent battery system |
| US20030151387A1 (en) * | 2001-03-27 | 2003-08-14 | General Electric Company | Hybrid energy off highway vehicle electric power management system and method |
| US20040095020A1 (en) * | 2002-11-14 | 2004-05-20 | Kent Kernahan | Power converter circuitry and method |
| US6946753B2 (en) * | 2002-11-14 | 2005-09-20 | Fyre Storm, Inc. | Switching power converter controller with watchdog timer |
| TW200616303A (en) * | 2004-11-05 | 2006-05-16 | zong-rong Cai | Electric power integration supply system |
| TWI299228B (en) * | 2005-05-18 | 2008-07-21 | Ite Tech Inc | Power supply conversion circuit and method thereof, and a circuitry incorporating the same |
-
2009
- 2009-05-04 TW TW98114791A patent/TWI387176B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW411651B (en) * | 1998-08-28 | 2000-11-11 | Twinhead Int Corp | An intelligent battery system |
| US20030151387A1 (en) * | 2001-03-27 | 2003-08-14 | General Electric Company | Hybrid energy off highway vehicle electric power management system and method |
| US20040095020A1 (en) * | 2002-11-14 | 2004-05-20 | Kent Kernahan | Power converter circuitry and method |
| US6946753B2 (en) * | 2002-11-14 | 2005-09-20 | Fyre Storm, Inc. | Switching power converter controller with watchdog timer |
| TW200616303A (en) * | 2004-11-05 | 2006-05-16 | zong-rong Cai | Electric power integration supply system |
| TWI299228B (en) * | 2005-05-18 | 2008-07-21 | Ite Tech Inc | Power supply conversion circuit and method thereof, and a circuitry incorporating the same |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI497868B (zh) * | 2013-07-11 | 2015-08-21 | Univ Nan Kai Technology | 太陽能與燃料電池結合應用之充電控制電路 |
| TWI584565B (zh) * | 2015-05-29 | 2017-05-21 | Chang Chi Lee | Low input and output current ripple down boost power converter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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