TWI518344B - Microgrid fault detection method - Google Patents

Description

微電網故障檢測方法

本發明係與電子檢測技術有關，特別係指一種用於再生能源微電網之微電網故障檢測方法。

微電網乃由多組再生能源之發電系統所組成，雖然再生能源之發電系統技術已相當成熟，然而要組成可靠的微電網系統仍需要有許多技術配合。一般直流微電網主要係以分散式電源所構成，包括：太陽能發電系統(搭配最大功率追蹤器，Maximum Power Point Tracking，MPPT)、燃料電池、儲能設備(以鋰鐵電池為主)、逆變器(Inverter)等。為確保微電網各部位運作狀況良好，需設計一套故障試驗流程方法，用以評估系統是否有足夠之保護措施，評估項目包括檢查故障電流流經路徑的承載能力，以及系統內的地電位升(接地電位上升量)與交/直流負載的接觸電壓值，並瞭解太陽能板、儲能設備、逆變器以及直流系統的短路電流特性，以建立完善之微電網運作機制。

故障試驗流程必須顧慮系統內供電設備絕緣破壞之風險、試驗人員之安全以及量測時間之同步，設計上的考量重點如下：進行故障試驗時，會造成直流系統正極電壓的異常上升，系統的零電位由中性點轉移至此故障點並扭曲原有的對地電位分布，可能會造成直流系統內設備絕緣破壞而產生第二個故障點最終導致正、負極之間的短路故障；上述直流系統之正極電壓異常上升，會有人員感電風險之顧慮；交流系統單相接地故障亦會使得地電位上升，造成鄰近通訊等弱電設備之損壞以及人員感電之風險；由於微電網內併有分散式電源、儲能及燃料電池，在故障期間，系統電壓、電流均呈暫態變化，量測儀錶遂必須同步。

鑒於傳統技術之缺點，本發明係提供一種微電網故障檢測方 法，係可模擬微電網之故障狀況，量測該微電網各部元件之短路電流，並檢測該微電網之保護機制是否正常動作。

本發明係提供一種微電網故障檢測方法，該微電網係由市電、 交流負載、太陽能發電單元、儲能單元、燃料電池單元與直流負載所組成，其步驟係包括：提供一第一故障模擬單元與一第二故障模擬單元，該第一故障模擬單元係連接於該市電與該交流負載間，該第二故障模擬單元係具有交流端與直流端，該第二故障模擬單元之交流端係連接至該交流負載，該第二故障模擬單元之直流端係連接至該太陽能發電單元、儲能單元、燃料電池單元與直流負載；將該第二故障模擬單元切換至短路狀態，以量測儀器量測該微電網之地電位昇、該太陽能發電單元之短路電流與該儲能單元之短路電流，並檢查該微電網各部位是否有損壞狀況；將該第一故障模擬單元切換至短路狀態，以量測儀器量測該微電網之地電位昇，並檢查該微電網各部位是否有損壞狀況；其中該太陽能發電單元係具有最大功率追蹤器(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

本發明係提供一種微電網故障檢測方法，其中該第一故障模 擬單元係具有變壓器、三相開關與三相可變電阻，該第二故障模擬單元係具有直交流轉換器、三相開關與三相可變電阻，該第一故障模擬單元與該第二故障模擬單元係用於模擬該微電網之組成元件故障，造成電路短路之情況，以檢測該微電網各部元件之短路電流與測試該微電網之保護機制是否正常動作。

本發明係可用於48V _dc 與380V _dc 之再生能源微電網，本發明 可檢測微電網各部元件之短路電流大小與波形，並可驗證一般微電網設置之斷路器是否有隔離故障之能力，本發明進行短路電流檢測時，亦可檢驗短路電流之流經路徑是否會造成相關設備(如螺絲、端子板等)之異常狀況，故可針對再生能源微電網之整體安全與性能指標作檢驗與測試。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步 說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

11‧‧‧市電

12‧‧‧交流負載

13‧‧‧太陽能發電單元

131‧‧‧MPPT控制單元

14‧‧‧儲能單元

15‧‧‧燃料電池單元

16‧‧‧直流負載

17‧‧‧保護單元

18、21‧‧‧第一故障模擬單元

19、22‧‧‧第二故障模擬單元

D‧‧‧量測點

F1‧‧‧第一故障點

F2‧‧‧第二故障點

211‧‧‧變壓器

212、222‧‧‧三相開關

213、223‧‧‧三相可變電阻

221‧‧‧直交流轉換器

31‧‧‧N相線

32‧‧‧直流負電極

33‧‧‧參考電極

34‧‧‧電壓量測儀器

S1~S3‧‧‧本發明之微電網故障檢測方法之步驟流程

圖1係為本發明之微電網故障檢測方法之故障檢測系統實施例架構圖。

圖2係為本發明之第一故障模擬單元與第二故障單元之結構示意圖。

圖3係為本發明之微電網故障檢測方法之步驟流程圖。

圖4係為本發明之實施例使用之GPS所輸出的PPS波形圖。

圖5係為本發明之實施例地電位昇量測示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

本發明之微電網故障檢測方法之故障檢測系統實施例架構圖如圖1所示，該實施例係包括：市電11、交流負載12、太陽能發電單元13、儲能單元14、燃料電池單元15、直流負載16、複數組保護單元17、第一故障模擬單元18與第二故障模擬單元19，該第一故障模擬單元係連接於該市電11與該交流負載12間，該第二故障模擬單元19係具有交流端191與直流端192，該第二故障模擬單元19之交流端191係連接至該交流負載12，該第二故障模擬單元19之直流端192係連接至該太陽能發電單元13、儲能單元14、燃料電池單元15與直流負載16；其中該第一故障模擬單元18與該第二故障模擬單元19係用於模擬該微電網之組成元件故障造成電路短路之情況，以檢測該微電網各部元件之短路電流，與測試該保護單元17或其他保護機制是否正常作動。本發明於運作過程中，係將量測儀器跨接於該太陽能發電單元13與該第二故障模擬單元19間之量測點D，或將量測儀器接於該儲能單元14與該燃料電池單元15間之量測點D，以量測故障檢測過程中，該微電網之地電位昇與各部位之短路電流；該太陽能發電單元13係具有MPPT控制單元131；該保護單元17係可為保險絲或無熔絲開關；該量測儀器係可為電壓表、電流表或三相電力品質分析儀。該微電網係可包含一逆變器(Inverter)，該逆變器係位於直流側(太陽能發電單元、儲能單元、燃料電池單元、直流負載)與交流側(市電、交流負載)之間，係 用於將直流側之電流轉換為交流電，或將交流側之電流轉換為直流電。該儲能單元係為鋰鐵電池、鉛酸電池或其他種類之可充電電池。

本發明之第一故障模擬單元與第二故障單元之結構示意圖 如圖2所示，該第一故障模擬單元21係具有變壓器211、三相開關212與三相可變電阻213，該第二故障模擬單元22係具有直交流轉換器221、三相開關222與三相可變電阻223，該第一故障模擬單元21與第二故障單元22係分別藉由該三相開關與該三相可變電阻改變該第一故障模擬單元與第二故障單元之內部電阻與導通狀況，用以模擬微電網中交流側元件或直流側元件發生故障短路之情況，以進行微電網之故障檢測。其中該直交流轉換器係具有逆變器之功能。該三相開關係可為ACB開關(Air Circuit Breaker)。

本發明之微電網故障檢測方法之步驟流程圖如圖3所示，其 步驟係包括：提供一第一故障模擬單元與一第二故障模擬單元S1，該第一故障模擬單元係連接於該市電與該交流負載間，該第二故障模擬單元係具有交流端與直流端，該第二故障模擬單元之交流端係連接至該交流負載，該第二故障模擬單元之直流端係連接至該太陽能發電單元、儲能單元、燃料電池單元與直流負載；將該第二故障模擬單元切換至短路狀態，量測該微電網之地電位昇、該太陽能發電單元之短路電流與該儲能單元之短路電流，並檢查該微電網各部位是否有損壞狀況S2；將該第一故障模擬單元切換至短路狀態，量測該微電網之地電位昇，並檢查該微電網各部位是否有損壞狀況S3。

本發明之微電網故障檢測方法係具有兩種故障情境檢測模式，如圖1所示，第一故障情境係假設該微電網使用該太陽能發電單元或該市電供電期間，於直流側發生故障F1，該第一故障情境係利用該第二故障模擬單元19產生短路動作，藉此檢驗該太陽能發電單元13、該儲能單元14或逆變器等設備的短路電流大小，並檢測該些保護單元17是否正確動作，該第一故障情境量測之主要項目包括直流側之地電位昇情形、MPPT之短路電流特性、逆變器短路電流特性與該儲能單元(鋰鐵電池)之短路電流特性。第二故障情境係假設該微電網於該燃料電池單元供電期間，於F2發生故障， 該第二故障情境係利用該第一故障模擬單元18產生短路動作，該第二故障情境量測之主要項目為該微電網之地電位昇。本發明於實際運用中，由於交流系統短路之故障電流值很高，故建議先施行第一故障情境之直流短路試驗，量測該微電網交流側之N相對地電位，與直流側MPPT、逆變器、儲能電池之波形後，再進行第二故障情境之檢測。

本發明於實際應用中，量測設備雖然於試驗進行前均有進行 對時間校正之動作，但是當有多台量測設備時，在時間上還是有些許誤差，此誤差可能造成波形分析時對於時間軸的準位對齊上會有困難，因此容易造成判斷上的錯誤；因此本發明係透過GPS(全球衛星定位系統)設備來進行時間的校正，係利用GPS輸出的PPS(One Pulse Per Second)訊號，將GPS所輸出的PPS訊號送入至每一部量測儀器的其中一個相位，並利用此訊號將電壓、電流的波形對齊，俾利於檢測過程後的波形分析，本發明之實施例使用之GPS所輸出的PPS波形圖(Pulse duration is 100ms/pusle)如圖4所示，使用者可依實際需要改變其數值，並不僅限於本發明揭露之部分。

本發明於實際應用中，流經地網的故障電流可能會造成地電 位上升，因此須檢測交流側之N相線(位於該第一故障模擬單元或另接之變壓器)的對地電位差，避免燒損相鄰的用電器具。此外直流系統的對地電位差亦可能損傷直流系統內的設備絕緣。因此，可在該微電網之直流側系統以過電壓保護設備(Over Voltage Protection Device,OVPD)對地併接至正、負極的方式，完成微電網之接地。為確保安全，首先，將該第一故障模擬單元與該第二故障模擬單元內部之該三相可變電阻調至最大值，此時故障電流為最小值，據以推估後續之故障電流的對地電位差，以不超過65V _ac 或150V _dc 為要求。如此，由300A向下調整故障電流的上限值，並量測本系統交流N相線以及直流負電極的對地電位，執行地電位量測時，如圖5所示，應由上述之N相線31以及直流負電極32分別以接地線向外引接20m，並在地表位置打入電極棒作為參考電極33，用電壓量測儀器34量測地電位昇，向外引接之長度為20m。該電壓量測儀器可使用電壓表，或使用三相電力品質分析儀。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非 用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S1~S3‧‧‧本發明之微電網故障檢測方法之步驟流程

Claims (8)

1. 一種微電網故障檢測方法，該微電網係由市電、交流負載、太陽能發電單元、儲能單元、燃料電池單元與直流負載所組成，其步驟係包括：提供一第一故障模擬單元與一第二故障模擬單元，該第一故障模擬單元係連接於該市電與該交流負載間，該第二故障模擬單元係具有交流端與直流端，該第二故障模擬單元之交流端係連接至該交流負載，該第二故障模擬單元之直流端係連接至該太陽能發電單元、儲能單元、燃料電池單元與直流負載；將該第二故障模擬單元切換至短路狀態，以量測儀器量測該微電網之地電位昇、該太陽能發電單元之短路電流與該儲能單元之短路電流，並檢查該微電網各部位是否有損壞狀況；將該第一故障模擬單元切換至短路狀態，以量測儀器量測該微電網之地電位昇，並檢查該微電網各部位是否有損壞狀況。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微電網故障檢測方法，其中該太陽能發電單元係具有最大功率追蹤器(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微電網故障檢測方法，其中該儲能單元係為鋰鐵電池、鉛酸電池或其他種類之可充電電池。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微電網故障檢測方法，其中該第一故障模擬單元係具有變壓器、三相開關與三相可變電阻器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微電網故障檢測方法，其中該第二故障模擬單元係具有直交流轉換器、三相開關與三相可變電阻。
6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之微電網故障檢測方法，其中該三相開關係為ACB開關。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微電網故障檢測方法，其中該量測儀器係使用電壓表、電流表或三相電力品質分析儀。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微電網故障檢測方法，其中該微電網係包含一逆變器(Inverter)。