TWI467881B - 微電網儲能系統模式切換裝置 - Google Patents

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Description

微電網儲能系統模式切換裝置
本發明是有關於一種微電網儲能系統模式切換裝置，尤指一種可利用儲能系統與靜態開關之連動，當儲能系統進行控制模式切換時，該靜態開關係則同時動作，而達到以快速切換之方式使微電網進行併網運轉模式或孤島運轉模式之功效者。
按，能源危機與環境考量等因素，再生能源的研究在近幾年來蓬勃發展，不斷地改善發電效率並降低設置成本。
然而，眾多的再生能源如何整合已成為一個重要的課題；目前研究趨向使用微電網(Microgrid)的架構來整合再生能源(如太陽能、風力發電等等)、備用電力以及儲能系統(Energy Storage System,ESS)，以期能達到穩定區域電壓和提升再生能源滲透率的目的。
微電網具有兩種操作模式，分別是併網模式與孤島運轉模式，其主要差異在於市電是否與微電網連接。當微電網由併網模式切換至孤島運轉模式時，必須有設備接替市電的角色，於切換期間，穩定微電網電壓，使負載端不受影響。否則負載端可能因電壓驟降造成跳脫或故障。此外，於孤島運轉模式下，再生能源發電量與負載需求必不平衡，多餘或缺少的功率必須有設備來加以調節。當微電網由孤島運轉模式欲重新與市電併聯時，因微電網電壓與市電電壓必有振幅大小、相位及頻率的差異，切換至併網模式前，必須先調整微電網電壓與市電電壓同步，才可進行模式切換。
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「微電網儲能系統模式切換裝置」，可控制儲能電池的充、放電，於孤島運轉模式時，因微電網與市電脫離，故微電網本身須有一電壓控制設備穩定內部電壓，因此，儲能系統此時需操作於電壓模式，其餘再生能源控制方式不變；當再生能源發電量大於負載時，儲能系統必須將多餘的電量回充至儲能電池，故於模式切換期間，儲能系統必須快速切換控制模式，使微電網能夠持續穩定運轉，藉以改善習用之種種問題。
本發明之主要目的係在於，可利用儲能系統與靜態開關之連動，當儲能系統進行控制模式切換時，該靜態開關係則同時動作，而達到以快速切換之方式使微電網進行併網運轉模式或孤島運轉模式之功效。
為達上述之目的，本發明係一種微電網儲能系統模式切換裝置其包含有：一能源管理系統；一與能源管理系統連接之儲能系統；一與能源管理系統連接之微渦輪機；一與能源管理系統連接之可控負載；一與能源管理系統及儲能系統連接之靜態開關；以及至少一與儲能系統、微渦輪機、可控負載及靜態開關連接之再生能源。
於本發明之一實施例中，該儲能系統係透過RS485通訊介面與能源管理系統連接。
於本發明之一實施例中，該儲能系統係包含有一與能源管 理系統連接連接之併網運轉模式、一與併網運轉模式連接之切換開關，一與切換開關連接之充/放電電流控制器、一與充/放電電流控制器連接之PWM模組、一與PWM模組連接之功率開關、一與靜態開關連接之電壓控制器、及一連接切換開關、充/放電電流控制器與電壓控制器之孤島運轉模式。
於本發明之一實施例中，該微渦輪機係透過RS485通訊介面與能源管理系統連接。
於本發明之一實施例中，該可控負載係透過RS485通訊介面與能源管理系統連接。
於本發明之一實施例中，該可控負載係包含有純電阻負載及電感性負載。
於本發明之一實施例中，該靜態開關係透過RS485通訊介面與能源管理系統連接。
於本發明之一實施例中，該靜態開關更可進一步與市電連接。
於本發明之一實施例中，該再生能源係可為太陽能發電系統或風力發電系統。
請參閱『第1及第2圖』所示，係分別為本發明之組成架構示意圖及本發明之切換狀態示意圖。如圖所示：本發明係一種微電網儲能系統模式切換裝置，其至少包含有一能源管理系統1、一儲能系統2、一微渦輪機3、一可控負載4、一靜態開關5以及至少一再生能源6所構成。
上述所提之能源管理系統1係可監控儲能系統2、微渦輪 機3、可控負載4及靜態開關5，並且計算微電網內部的功率流向，當微電網整體需轉換模式或是必要性停機等作用時，送出相關訊號。
該儲能系統2係透過RS485通訊介面20與能源管理系統1連接，可提供能量或是吸收再生能源多餘的發電量，因此，功率流向是雙向的，而該儲能系統2係包含有一與能源管理系統1連接連接之併網運轉模式21、一與併網運轉模式21連接之切換開關22，一與切換開關22連接之充/放電電流控制器23、一與充/放電電流控制器23連接之PWM模組24、一與PWM模組24連接之功率開關25、一與靜態開關5連接之電壓控制器26、及一連接切換開關22、充/放電電流控制器23與電壓控制器26之孤島運轉模式27，可由能源管理系統1設定併網運轉模式21或孤島運轉模式27，當進行運轉模式切換時，係同時下達命令給靜態開關5。
該微渦輪機3係透過RS485通訊介面30與能源管理系統1連接，可作為備用電力而於微電網進行孤島運轉模式27時產生運作。
該可控負載4係透過RS485通訊介面40與能源管理系統1連接，而該可控負載4係包含有純電阻負載41及電感性負載42，係用於模擬微電網用戶的用電特性，可讓能源管理系統1藉由RS485通訊介面40下達負載啟動之指令。
該靜態開關5係透過RS485通訊介面50與能源管理系統1及儲能系統2連接，而該靜態開關5更可進一步與市電7連接，可由外部訊號控制其閉合或斷開，且該靜態開關5亦可監測市電7與微電網交流匯流排之電壓大小、頻率，並透過RS485 通訊介面50將數據回傳給能源管理系統1。
該再生能源6係與儲能系統2、微渦輪機3、可控負載4及靜態開關5連接，而該再生能源6係可為太陽能發電系統61或風力發電系統62，而當進行併網運轉模式21之操作時，可將產生之電力輸出電流注入微電網中。
當本發明於，微電網進行全黑啟動時，該儲能系統2以電壓控制器26建立微電網內部電壓及頻率，此時，微電網係為孤島運轉模式27，而儲能系統2根據市電7之電壓狀態微調電網電壓，一旦電壓同步後，則由能源管理系統1命令靜態開關5投入，並將自身切換至充/放電電流控制器23，讓儲能系統2於電流控制模式下對儲能電池進行充、放電之動作，而如何動作則由能源管理系統1之設定方式進行。
另當微電網於併網運轉模式21時，偵測到市電7故障後，此時，儲能系統2必須快速反應，命令靜態開關5跳脫，由切換開關22切換至電壓控制器26以維持微電網內部電壓；於孤島運轉模式27下，根據再生能源6發電量與負載需量，使儲能系統2自動偵測電壓變化趨勢決定是否充、放電，尤以再生能源6發電量大於負載需量時，儲能系統2除維持微電網電壓之外，必須吸收多餘的發電量加以儲存，否則微電網電壓可能不斷上升，造成設備損壞；一旦偵測到市電7恢復後，該儲能系統2將再次調整電壓及頻率與市電7同步，再重新併入市電7呈併網運轉模式21。
而該儲能系統2模式利用切換開關22進行切換時，該切換開關22由能源管理系統1命令控制，以選擇併網運轉模式21或孤島運轉模式27對應之電流作切換，可於孤島運轉模 式27下，使電壓控制器26用於控制三相交流輸出電壓，藉由交流額定電壓設定值以及電壓回授值計算出對應的電流命令，而於併網運轉模式21下，該電流命令係直接由能源管理系統1設定且該充/放電電流控制器23，而回授三相電感電流，並依據電流命令大小及正負號產生PWM的控制訊號給PWM模組24，以決定功率開關25之切換模式；所以。
該充/放電電流控制器23在併網運轉模式21下，電流命令由能源管理系統1提供，孤島運轉模式27時則由電壓控制器26產生電流命令，而達到快速模式切換之目的，因此可使本發明於模式切換時僅透過改變電流命令的來源就可實現。如此，可使本發明至少達到下列之優點：
1.儲能系統2與靜態開關5連動，根據命令進行模式切換：
(A)併網運轉模式21切換至孤島運轉模式27時，儲能系統2延續市電7電壓，穩定孤島運轉模式27時的電壓及頻率。
(B)孤島運轉模式27切換至併網運轉模式21時，先進行微電網內部電壓與市電7電壓同步確認，待同步後再投入靜態開關5完成併網動作。
2.在孤島運轉模式27下，當再生能源6發電量低於使用量時，儲能系統2放電提供能量，若再生能源6發電量高於使用量時，儲能系統2將多餘之能量回充至電池以穩定微電網電壓。
綜上所述，本發明微電網儲能系統模式切換裝置可有效改善習用之種種缺點，可利用儲能系統與靜態開關之連動，當儲能系統進行控制模式切換時，該靜態開關係則同時動作，而達 到以快速切換之方式使微電網進行併網運轉模式或孤島運轉模式之功效；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‧‧‧能源管理系統
2‧‧‧儲能系統
20、30、40、50‧‧‧RS485通訊介面
21‧‧‧併網運轉模式
22‧‧‧切換開關
23‧‧‧充/放電電流控制器
24‧‧‧PWM模組
25‧‧‧功率開關
26‧‧‧電壓控制器
27‧‧‧孤島運轉模式
3‧‧‧微渦輪機
4‧‧‧可控負載
41‧‧‧純電阻負載
42‧‧‧電感性負載
5‧‧‧靜態開關
6‧‧‧再生能源
61‧‧‧太陽能發電系統
62‧‧‧風力發電系統
7‧‧‧市電
第1圖，係本發明之組成架構示意圖。
第2圖，係本發明之切換狀態示意圖。
1‧‧‧能源管理系統
2‧‧‧儲能系統
20、30、40、50‧‧‧RS485通訊介面
3‧‧‧微渦輪機
4‧‧‧可控負載
41‧‧‧純電阻負載
42‧‧‧電感性負載
5‧‧‧靜態開關
6‧‧‧再生能源
61‧‧‧太陽能發電系統
62‧‧‧風力發電系統
7‧‧‧市電

Claims (8)

  1. 一種微電網儲能系統模式切換裝置，包括有：一能源管理系統；一儲能系統，係與能源管理系統連接，而該儲能系統係包含有一與能源管理系統連接之併網運轉模式、一與併網運轉模式連接之切換開關，一與切換開關連接之充/放電電流控制器、一與充/放電電流控制器連接之PWM模組、一與PWM模組連接之功率開關、一與靜態開關連接之電壓控制器、及一連接切換開關、充/放電電流控制器與電壓控制器之孤島運轉模式；一微渦輪機，係與能源管理系統連接；一可控負載，係與能源管理系統連接；一靜態開關，係與能源管理系統及儲能系統連接；以及至少一再生能源，係與儲能系統、微渦輪機、可控負載及靜態開關連接。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之微電網儲能系統模式切換裝置，其中，該儲能系統係透過RS485通訊介面與能源管理系統連接。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之微電網儲能系統模式切換裝置，其中，該微渦輪機係透過RS485通訊介面與能源管理系統連接。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之微電網儲能系統模式切換裝置，其中，該可控負載係透過RS485通訊介面與能源管理系統連接。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之微電網儲能系統模式切換裝 置，其中，該可控負載係包含有純電阻負載及電感性負載。
  6. 依申請專利範圍第1項所述之微電網儲能系統模式切換裝置，其中，該靜態開關係透過RS485通訊介面與能源管理系統連接。
  7. 依申請專利範圍第1項所述之微電網儲能系統模式切換裝置，其中，該靜態開關更可進一步與市電連接。
  8. 依申請專利範圍第1項所述之微電網儲能系統模式切換裝置，其中，該再生能源係可為太陽能發電系統或風力發電系統。
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