TWI517517B - Regional mutual power system - Google Patents

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TWI517517B
TWI517517B TW103142456A TW103142456A TWI517517B TW I517517 B TWI517517 B TW I517517B TW 103142456 A TW103142456 A TW 103142456A TW 103142456 A TW103142456 A TW 103142456A TW I517517 B TWI517517 B TW I517517B
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Cheng Kang Guan
Po Chien Hsu
Yi Hung Wang
Jong Fu Yeh
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Bin Juine Huang
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Description

區域互助型電力系統
本發明涉及一種區域互助型電力系統，尤指一種能透過直流電網電力傳輸及切調控技術，整合區域內自然發電源，有效降低地球資源消耗的電力系統。
工業革命後，世界各國大量使用化石燃料，隨著科技發展，核能的使用也日漸普及，但使用這些能源造成環境極大的影響，包括大量二氧化碳造成的溫室效應、核能的熱污染，造成海洋平均溫度上升，及產生的廢氣與雨水化合所形成的酸雨等問題，導致環境污染、大量生物死亡、氣候發生巨變，幾百年來種下的因果回到人們身上。
面對氣候變遷帶來的嚴峻考驗，全球已開發國家已計畫於2050至2060年間，逐步達成溫室氣體零排放的目標，至於開發中國家，也希望能於2020年達成溫室氣體排放零成長。
同時，近年來，人類開始思索以再生能源替代非再生能源，包括水力、風力、地熱、海洋能、廢物轉換、太陽能和生質能；但在再生能源研發過程中，技術上的不純熟和原料來源等問題，導致再生能源使用的比率並未達到預期的理想值。
發展再生能源，邁向低碳社會，已是無可避免的趨勢，因此未來的電力系統，勢必要降低石化能源比例，擴大再生能源利用，由於再生能源屬間歇性能源，具規模小而分散的特性，與目前佔比極高的集中式 電源有所差別，未來的電力系統，勢必得加強分散式電源與微型電網技術，才能因應未來的挑戰。
微型電網是將一系列的負載與微電源，整合成為單一可控制的系統，提供電力與熱能，主要由靜態切換開關、微電源、電力設備及自動監控系統所組成；微型電網可與大電網並聯運轉，由大電網平衡微型電網內的電力供需，在大電網故障時，亦可獨立運轉。
微型電網的實際應用情境，必須整合電力傳輸、資通訊控制及能源管理技術[如發電預估、負載預測及電能調度]，可以根據每天的用電所需及價格變化，整合分散式電源的供應狀況。
但是，雖然目前各國都紛紛投入分散式能源微型電網技術，且近年來更是大力投入技術發展，但目前尚無專屬技術規範，導致相關設備缺乏可交換性[Interoperability]，缺乏系統整合，而且每增加一發電系統，就需要重新評估、設計微型電網，建置成本居高不下，應用性低下，最重要的是，雖然能降低整體耗電量，但效能仍然有限，消費者較為無感，難以享受到實際的好處。
有鑑於此，如何提供一種能便於應用，建置成本低，有別於傳統微型電網，並能讓消費者真正感受到，整體性能與經濟效益之提昇的區域互助型電力系統，便成為本發明欲改進的課題。
本發明目的在於提供一種能提昇單一(單位)太陽能電系統性能與提升單位用戶用電經濟效益的區域互助型電力系統。
為解決上述問題及達到本發明的目的，本發明的技術手段，是這樣實現的，為一種區域互助型電力系統，其特徵在於：所述區域互助型電力系統(100)，其包含有一中央控制系統(1)、及至少兩個與該中央控制 系統(1)電連接的隔離混合型發電系統(2)；所述中央控制系統(1)，其包含有一能控制該隔離混合型發電系統(2)之運作方式的互助式中央電力調度控制系統(11)、及對應於該隔離混合型發電系統(2)而設置且能相互電連接的至少兩個配電裝置(12)；所述隔離混合型發電系統(2)，其包含有一自然發電源(21)、一充放電控制器(22)、一蓄電裝置(23)、一獨立型換流器(24)、及一切換裝置(25)，該充放電控制器(22)為與該自然發電源(21)和對應的該配電裝置(12)電連接，且該充放電控制器(22)還與該互助式中央電力調度控制系統(11)通訊連接、能偵測該隔離混合型發電系統(2)整體運作狀態、並傳遞相關資訊(P)至該互助式中央電力調度控制系統(11)，該蓄電裝置(23)為與該充放電控制器(22)電連接，該獨立型換流器(24)為與對應的該配電裝置(12)電連接，該切換裝置(25)為與該獨立型換流器(24)和市電(10)、負載(20)電連接；所述互助式中央電力調度控制系統(11)，其能依據各個該隔離混合型發電系統(2)所傳遞而來的該相關資訊(P)，來判斷各個該隔離混合型發電系統(2)的運作狀態，以進行電力的調配，讓各個該隔離混合型發電系統(2)於獨立供電模式、至少一個其他該隔離混合型發電系統(2)協助並聯供電模式、市電(10)供電模式間做切換。
更優選的是，所述自然發電源(21)，其是為下列之一：太陽能發電裝置(30)、風力發電裝置、水力發電裝置、潮汐發電裝置。
更優選的是，所述配電裝置(12)，其包含有相互電連接並受該互助式中央電力調度控制系統(11)所控制而運作的一第一開關(121)、及一第二開關(122)，該第二開關(122)能與鄰近的該配電裝置(12)的該第二開關(122)電連接。
更優選的是，所述充放電控制器(22)，其為與對應的該配電裝置(12)的該第一開關(121)電連接；所述獨立型換流器(24)，其為電連接於 對應的該配電裝置(12)的該第一開關(121)和該第二開關(122)間。
更優選的是，所述第一開關(121)、該第二開關(122)和該切換裝置(25)，其三者皆是繼電器。
更優選的是，所述相關資訊(P)，其至上包含有負載資訊(P1)、電網資訊(P2)、及電池資訊(P3)。
與現有技術相比，本發明的作用及效果如下：
第一點：通過中央控制系統(1)及隔離混合型發電系統(2)的應用，透過上層的中央控制系統(1)，進行各單位隔離混合型發電系統(2)間的互助分配調控，在維持單位隔離混合型發電系統(2)建置成本下，能夠提升整體效能，進而提升單位隔離混合型發電系統(2)的市電替代率，使自然能發電取代市電比率提升，最後提升單位隔離混合型發電系統(2)的性能與經濟效益。
第二點：本發明區域互助型電力系統(100)，相較於獨立型和併網型的自然能發電電力系統，能避免在蓄電裝置(23)滿載且負載不大之情況下(例如白天外出時)，所造成的自然能發電電力無法蓄電的損失，亦可以避免一般併網型自然能發電系統於發電時的尖峰時刻，回售市電電網造成的衝擊，不會影響到市電電網的穩定性，並且大幅減少因擴增電網規模而耗費的經費。
第三點：通過中央控制系統(1)，能將多個具備有隔離混合型發電系統(2)的個體戶，往上連結成一個微型電網，採、由下而上金字塔方式建構的微型電網，與傳統由上而下須經由整體規劃上層電網與其控制器繁雜步驟之之電網[micro grid]概念不同，能自由增加隔離混合型發電系統(2)，設計簡單，容易應用，不用擔心會影響到原有市電電網。
1‧‧‧中央控制系統
11‧‧‧互助式中央電力調度控制系統
12‧‧‧配電裝置
121‧‧‧第一開關
122‧‧‧第二開關
2‧‧‧隔離混合型發電系統
21‧‧‧自然發電源
22‧‧‧充放電控制器
23‧‧‧蓄電裝置
24‧‧‧獨立型換流器
25‧‧‧切換裝置
100‧‧‧區域互助型電力系統
10‧‧‧市電
20‧‧‧負載
30‧‧‧太陽能發電裝置
P‧‧‧相關資訊
P1‧‧‧負載資訊
P2‧‧‧電網資訊
P2‧‧‧電池資訊
第1圖：本發明的架構方塊示意圖。
第2圖：本發明的通訊架構方塊示意圖。
第3圖：本發明中部分隔離混合型發電系統以第一種供電模式運作時的實施方塊示意圖。
第4圖：本發明中部分隔離混合型發電系統以第二種供電模式運作時的實施方塊示意圖。
第5圖：本發明中部分隔離混合型發電系統以第三種供電模式運作時的實施方塊示意圖。
第6圖：本發明新增一組隔離混合型發電系統時的實施方塊示意圖。
第7圖：本發明新增多組隔離混合型發電系統時的實施方塊示意圖。
以下依據圖面所示的實施例詳細說明如後：如第1圖至第7圖所示，圖中揭示出，為一種區域互助型電力系統，其特徵在於：所述區域互助型電力系統(100)，其包含有一中央控制系統(1)、及至少兩個與該中央控制系統(1)電連接的隔離混合型發電系統(2)；所述中央控制系統(1)，其包含有一能控制該隔離混合型發電系統(2)之運作方式的互助式中央電力調度控制系統(11)、及對應於該隔離混合型發電系統(2)而設置且能相互電連接的至少兩個配電裝置(12)；所述隔離混合型發電系統(2)，其包含有一自然發電源(21)、一充放電控制器(22)、一蓄電裝置(23)、一獨立型換流器(24)、及一切換裝置(25)，該充放電控制器(22)為與該自然發電源(21)和對應的該配電裝置(12)電連接，且該充放電控制器(22)還與該互助式中央電力調度控制系統(11)通訊連接、能偵測該隔離混合型發電系統(2)整體運作狀態、並傳遞相關資訊(P)至該互助式中央電力調度控制系統(11)，該蓄電裝置(23)為與該充放電控制器(22)電連接，該獨立型換流器 (24)為與對應的該配電裝置(12)電連接，該切換裝置(25)為與該獨立型換流器(24)和市電(10)、負載(20)電連接；所述互助式中央電力調度控制系統(11)，其能依據各個該隔離混合型發電系統(2)所傳遞而來的該相關資訊(P)，來判斷各個該隔離混合型發電系統(2)的運作狀態，以進行電力的調配，讓各個該隔離混合型發電系統(2)於獨立供電模式、至少一個其他該隔離混合型發電系統(2)協助並聯供電模式、市電(10)供電模式間做切換。
其中，最主要的核心概念，為中央控制系統(1)與隔離混合型發電系統(2)的配合，通過單一的中央控制系統(1)，能將多個具備有隔離混合型發電系統(2)的個體戶[如：單一住宅、大樓]，往上連結成一個微型電網，、由下而上的金字塔方式，而來建構的微型電網，與傳統由上而下的微型電網[micro grid]概念大不相同，不用擔心電能調度等等的問題，能自由增加隔離混合型發電系統(2)，設計簡單，容易應用，技術門檻低，通過中央控制系統(1)調度多個隔離混合型發電系統(2)的電力，提升整體性能與經濟效益，建置成本不高，同時，還能藉由互相支援隔離混合型發電系統(2)剩餘的電力，降低蓄電成本，進而提升單位隔離混合型發電系統(2)的效能以及其市電替代率，能降低區域耗電量，也就是說，消費者所付出的電費能降低了，能讓消費者真正感受到，再生能源的優點，整體性能與經濟效益的提昇，最重要的是，本發明區域互助型電力系統(100)，雖然會使用到市電，但卻不會回售電力至市電電網，所以不用擔心會影響到原有市電電網，也就是說，與傳統電網互不影響，也就不用加入傳統並與既有市電電網互不影響。
再者，受整體特性的影響，當新的隔離混合型發電系統(2)欲加入運作時，只要對應增加一組配電裝置(12)，並讓此配電裝置(12)與已經和互助式中央電力調度控制系統(11)[Central control unit,CCU]電連接的 配電裝置(12)連接，即能讓新的隔離混合型發電系統(2)，加入本發明所架構出的區域互助型電力系統(100)之中，使用上非常簡單，不用擔心會影響到市電電網的運作。
再其次，其隔離混合型發電系統(2)的運作模式，主要有三種，第一種供電模式，如第3圖所示，自然發電源(21)供電模式，每個隔離混合型發電系統(2)，皆會設計保護蓄電裝置(23)的限制條件[例如：過充狀態，於互助式中央電力調度控制系統(11)內設定，蓄電裝置(23)中單顆蓄電池電芯電壓超過設定最高電壓值、電池殘餘電量(SOC)超過90%；過放狀態，於互助式中央電力調度控制系統(11)內設定，蓄電裝置(23)中單顆蓄電池電芯電壓低於設定最低電壓值、電池殘餘電量(SOC)低於10%]，而當所有單位隔離混合型發電系統(2)的蓄電裝置(23)，皆處於正常狀態[非過充、非過放]時，中央控制系統(1)便會讓隔離混合型發電系統(2)進入第一種供電模式，即中央控制系統(1)判斷沒有隔離混合型發電系統(2)需要被幫助，故中央控制系統(1)會切斷所有隔離混合型發電系統(2)間的聯通電路，讓各隔離混合型發電系統(2)獨立運作。
第二種供電模式，如第4圖所示，互助模式：當隔離混合型發電系統(2)的蓄電裝置(23)[如圖中的A位置]，處於正常狀態[非過充、非過放、電力較為充足]，而有其他隔離混合型發電系統(2)的蓄電裝置(23)[如圖中的B位置]，處於過放狀態；中央控制系統(1)會與B位置的隔離混合型發電系統(2)溝通，由A位置處於正常狀態的隔離混合型發電系統(2)，供應電力給B位置處於過放狀態的隔離混合型發電系統(2)，此時對應的配電裝置(12)，會切斷B位置處的隔離混合型發電系統(2)，其蓄電裝置(23)與負載(20)間的連結，讓B位置處的隔離混合型發電系統(2)的負載(20)，和A位置處的隔離混合型發電系統(2)的蓄電裝置(23)聯結，B位置處的隔離混合型發 電系統(2)，其負載(20)的電力，會轉由A位置處的隔離混合型發電系統(2)來提供，達到電力互助。
第三種供電模式，如第5圖所示，市電供電模式：當所有隔離混合型發電系統(2)的蓄電裝置(23)，皆處於過放狀態，即隔離混合型發電系統(2)提供的電力不足，中央控制系統(1)會讓作動，將所有隔離混合型發電系統(2)間的電路切斷，再讓各隔離混合型發電系統(2)的切換裝置(25)作動，使用市電(10)來供電，以免影響到負載(20)的運作。
上述中，所述自然發電源(21)，其是為下列之一：太陽能發電裝置(30)、風力發電裝置、水力發電裝置、潮汐發電裝置。
其中，針對不同的環境、場所，應用不同的自然發電源(21)，以便於消費者應用。
其次，自然發電源(21)中，又以太陽能發電裝置(30)，為較優、較佳的應用選擇，雖然應用上有其限制，但相對於其他種自然發電方式，成本較低，且安裝設置較為便利，維護上問題也較少。
上述中，所述配電裝置(12)，其包含有相互電連接並受該互助式中央電力調度控制系統(11)所控制而運作的一第一開關(121)、及一第二開關(122)，該第二開關(122)能與鄰近的該配電裝置(12)的該第二開關(122)電連接。
其中，通過此種設置方式，以第一開關(121)及第二開關(122)的應用，讓互助式中央電力調度控制系統(11)能快速地切換隔離混合型發電系統(2)的供電模式，便於應用。
其次，當欲增加隔離混合型發電系統(2)時，要對應增加一組配電裝置(12)，而此種設置方式，讓配電裝置(12)能便於快速安裝應用，有效地控制隔離混合型發電系統(2)，簡潔的架構，不易故障，且容易維護。
上述中，所述充放電控制器(22)，其為與對應的該配電裝置(12)的該第一開關(121)電連接；所述獨立型換流器(24)，其為電連接於對應的該配電裝置(12)的該第一開關(121)和該第二開關(122)間。
其中，通過此種連方式，便於互助式中央電力調度控制系統(11)，切換隔離混合型發電系統(2)的供電模式，是獨立供電模式，又或者是至少一個其他隔離混合型發電系統(2)協助並聯供電模式，又或者是市電(10)供電模式。
例如：當自然發電源(21)發電量足夠時，如第3圖所示一般，第一開關(121)導通、第二開關(122)不導通，切入獨立供電模式，全由自然發電源(21)及/或蓄電裝置(23)來供電。
例如：當單一自然發電源(21)及/或蓄電裝置(23)供電不足時，如第4圖所示一般，則第一開關(121)和第二開關(122)皆導通，切入至少一個其他隔離混合型發電系統(2)協助並聯供電模式；例如：當自然發電源(21)及/或蓄電裝置(23)供電不足時，如第5圖所示一般，第一開關(121)和第二開關(122)皆不導通，切入市電電網，全由市電(10)直接供電給負載(20)。
上述中，所述第一開關(121)、該第二開關(122)和該切換裝置(25)，其三者皆是繼電器。
其中，通過繼電器的應用，能降低設置難度與成本，並容易維護，同時還能降低故障率，而當發生故障時，亦能快速找查出問題點，有別於傳統電網設計。
上述中，所述相關資訊(P)，其至上包含有負載資訊(P1)、電網資訊(P2)、及電池資訊(P3)。
其中，以自然發電源(21)中的太陽能發電裝置(30)為例時， 負載資訊(P1)至少包括有負載電流值(Iload)；電網資訊(P2)至少包括有電網輸入電流值(Igridin)、電網輸出電壓值(Vgridout)、電網輸出電流值(Igridout)、發電電流值(Ipv)、發電電壓值(Vpv)；電池資訊(P3)包括有電池電流值(Ibat)、電池電壓值(Vbat)、電池殘餘電量(SOC)。
其次，通過利用負載資訊(P1)、電網資訊(P2)、及電池資訊(P3)此三者，讓互助式中央電力調度控制系統(11)能有效的判斷，本發明區域互助型電力系統(100)當前的運作狀態，以有效的進行電力調配，相對於傳統微型電網，能更為簡潔的運作，降低整體構置的成本與時間，能快速地投入應用，更具實用性。
以上依據圖式所示的實施例詳細說明本發明的構造、特徵及作用效果；惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，但本發明不以圖面所示限定實施範圍，因此舉凡與本發明意旨相符的修飾性變化，只要在均等範圍內都應涵屬於本發明專利範疇。
1‧‧‧中央控制系統
11‧‧‧互助式中央電力調度控制系統
12‧‧‧配電裝置
121‧‧‧第一開關
122‧‧‧第二開關
2‧‧‧隔離混合型發電系統
21‧‧‧自然發電源
22‧‧‧充放電控制器
23‧‧‧蓄電裝置
24‧‧‧獨立型換流器
25‧‧‧切換裝置
100‧‧‧區域互助型電力系統
10‧‧‧市電
20‧‧‧負載
30‧‧‧太陽能發電裝置

Claims (6)

  1. 一種區域互助型電力系統，其特徵在於：所述區域互助型電力系統(100)，其包含有一中央控制系統(1)、及至少兩個與該中央控制系統(1)電連接的隔離混合型發電系統(2)；所述中央控制系統(1)，其包含有一能控制該隔離混合型發電系統(2)之運作方式的互助式中央電力調度控制系統(11)、及對應於該隔離混合型發電系統(2)而設置且能相互電連接的至少兩個配電裝置(12)；所述隔離混合型發電系統(2)，其包含有一自然發電源(21)、一充放電控制器(22)、一蓄電裝置(23)、一獨立型換流器(24)、及一切換裝置(25)，該充放電控制器(22)為與該自然發電源(21)和對應的該配電裝置(12)電連接，且該充放電控制器(22)還與該互助式中央電力調度控制系統(11)通訊連接、能偵測該隔離混合型發電系統(2)整體運作狀態、並傳遞相關資訊(P)至該互助式中央電力調度控制系統(11)，該蓄電裝置(23)為與該充放電控制器(22)電連接，該獨立型換流器(24)為與對應的該配電裝置(12)電連接，該切換裝置(25)為與該獨立型換流器(24)和市電(10)、負載(20)電連接；所述互助式中央電力調度控制系統(11)，其能依據各個該隔離混合型發電系統(2)所傳遞而來的該相關資訊(P)，來判斷各個該隔離混合型發電系統(2)的運作狀態，以進行電力的調配，讓各個該隔離混合型發電系統(2)於獨立供電模式、至少一個其他該隔離混合型發電系統(2)協助並聯供電模式、市電(10)供電模式間做切換。
  2. 如請求項1所述的區域互助型電力系統，其中：所述自然發電源(21)，其是為下列之一：太陽能發電裝置(30)、風力發電裝置、水力發電裝置、潮汐發電裝置。
  3. 如請求項2所述的區域互助型電力系統，其中：所述配電裝置(12)，其包含有相互電連接並受該互助式中央電力調度控制系統(11)所控制而運作的一第一開關(121)、及一第二開關(122)，該第二開關(122)能與鄰近的該配電裝置(12)的該第二開關(122)電連接。
  4. 如請求項3所述的區域互助型電力系統，其中：所述充放電控制器(22)，其為與對應的該配電裝置(12)的該第一開關(121)電連接；所述獨立型換流器(24)，其為電連接於對應的該配電裝置(12)的該第一開關(121)和該第二開關(122)間。
  5. 如請求項4所述的區域互助型電力系統，其中：所述第一開關(121)、該第二開關(122)和該切換裝置(25)，其三者皆是繼電器。
  6. 如請求項5所述的區域互助型電力系統，其中：所述相關資訊(P)，其至上包含有負載資訊(P1)、電網資訊(P2)、及電池資訊(P3)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI823720B (zh) * 2022-12-19 2023-11-21 龍華科技大學 精確之負載預測系統與其訓練方法

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