TWI565177B - 逆變裝置及孤島運轉的偵測方法 - Google Patents

逆變裝置及孤島運轉的偵測方法 Download PDF

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Description

逆變裝置及孤島運轉的偵測方法
本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種逆變裝置及孤島運轉的偵測方法。
為了降低石化能源的消耗率，現今的電力系統積極的發展再生能源的應用。在現有的應用中，並網式的交流配電系統即是現今電力系統發展的主流趨勢，所述並網式的交流配電系統可利用太陽能發電與風力發電等再生能源發電作為小型的分散式電源系統，所述分散式電源系統會與電網並接，藉以共同供電給後端的負載裝置使用。
然而，此類交流配電系統現有且無可避免的問題是分散式電源系統時常會產生孤島運轉的現象。更具體地說，在此類交流配電系統下，電網會在供電發生異常或在進行維護時，斷開與分散式電源系統的逆變裝置和後端的負載裝置之間的連接，從而隔離於交流配電系統外。此時，若逆變裝置並未偵測到電網已經隔離於交流配電系統之外，而持續地單獨對負載裝置供電，則此 現象一般稱之為孤島運轉。在孤島運轉的情形下，由於分散式電源系統所提供的電源相對不穩定，如此便可能會造成負載裝置損壞。
本發明提供一種逆變裝置及孤島運轉的偵測方法，其可精確地偵測出逆變裝置是否發生孤島運轉的情形。
本發明的逆變裝置包括逆變電路以及控制電路。逆變電路與電網並接，其中逆變電路接收直流輸入電源，並且將直流輸入電源轉換為交流輸出電壓與交流輸出電流。控制電路耦接逆變電路，用以控制逆變電路的電源轉換，其中控制電路以預設時間間隔產生擾動訊號來擾動逆變電路所產生的交流輸出電流，並且偵測交流輸出電壓的頻率是否位於預設頻率範圍內，藉以決定是否啟用孤島保護機制。
在本發明一實施例中，控制電路依據交流輸出電壓的電壓零點週期來判斷交流輸出電壓的頻率是否位於預設頻率範圍內。
在本發明一實施例中，交流輸出電流的電流週期受控於擾動訊號而變動；當電網正常運作並且與逆變電路並接時，電壓零點週期不受電流週期的變動所影響，以及當電網發生異常並且與逆變電路斷開時，電壓零點週期隨電流週期的變動而改變。
在本發明一實施例中，逆變電路反應於擾動訊號的產生 而調整其電源轉換行為，藉以縮短或延長電流週期。
在本發明一實施例中，逆變電路反應於擾動訊號的產生而停止電源轉換，藉以縮短電流週期。
在本發明一實施例中，控制電路包括零電壓偵測單元、頻率偵測單元、保護單元以及驅動控制單元。零電壓偵測單元耦接逆變電路的輸出端，用以偵測交流輸出電壓的零電壓時間點。頻率偵測單元耦接零電壓偵測單元，用以依據交流輸出電壓的零電壓時間點計算電壓零點週期。保護單元耦接頻率偵測單元，用以依據電壓零點週期判斷交流輸出電壓的頻率是否位於預設頻率範圍，並且於交流輸出電壓的頻率非位於預設頻率範圍內時發出保護訊號。驅動控制單元耦接保護單元，用以依據保護訊號啟用孤島保護機制，藉以控制逆變電路的運作。
本發明的孤島運轉的偵測方法適用於交流配電系統，其中交流配電系統包括逆變裝置與電網，逆變裝置與電網相互並接，偵測方法包括以下步驟：藉逆變裝置接收直流輸入電源；藉逆變裝置將直流輸入電源轉換為交流輸出電壓與交流輸出電流；以預設時間間隔產生擾動訊號來擾動逆變裝置所產生的交流輸出電流；偵測交流輸出電壓的頻率是否位於預設頻率範圍內；以及當交流輸出電壓的頻率非位於預設頻率範圍內時，判定逆變裝置發生孤島運轉現象。
在本發明一實施例中，偵測交流輸出電壓的頻率是否位於預設頻率範圍的步驟包括：偵測交流輸出電壓的零電壓時間 點；依據交流輸出電壓的零電壓時間點計算電壓零點週期；以及依據電壓零點週期來判斷交流輸出電壓的頻率是否位於預設頻率範圍內。
在本發明一實施例中，以預設時間間隔產生擾動訊號來擾動逆變裝置所產生的交流輸出電流的步驟包括：令逆變電路反應於擾動訊號調整其電源轉換行為，藉以縮短或延長電流週期。
在本發明一實施例中，令逆變電路反應於擾動訊號調整其電源轉換行為，藉以縮短或延長電流週期的步驟包括：令逆變電路反應於擾動訊號停止電源轉換，藉以縮短電流週期。
在本發明一實施例中，所述的孤島運轉的偵測方法更包括以下步驟：當判定逆變裝置發生孤島運轉現象時，啟用孤島保護機制。
基於上述，本發明實施例提出一種逆變裝置及孤島運轉的偵測方法。所述逆變裝置可藉由週期性地擾動交流輸出電流，再偵測交流輸出電壓是否隨之變動的方式來判斷逆變裝置是否發生孤島運轉的情形，藉以精確地在孤島運轉發生時立即啟用孤島保護機制以避免後端的負載裝置發生損壞。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧交流配電系統
100‧‧‧逆變裝置
110‧‧‧逆變電路
120‧‧‧控制電路
122‧‧‧零電壓偵測單元
124‧‧‧頻率偵測單元
126‧‧‧保護單元
128‧‧‧驅動控制單元
DCin‧‧‧直流輸入電源
EG‧‧‧電網
IAC‧‧‧交流輸出電流
LD‧‧‧負載裝置
pz、p1、p1’‧‧‧電壓零點週期
S210~S260‧‧‧孤島運轉的偵測方法的步驟
Sc‧‧‧控制訊號
Sd‧‧‧擾動訊號
tz、t0、t1、t2、td‧‧‧零電壓時間點
VAC‧‧‧交流輸出電壓
圖1為本發明一實施例之交流配電系統及逆變裝置的示意圖。
圖2為本發明一實施例之孤島運轉的偵測方法的步驟流程圖。
圖3為本發明一實施例之控制電路的功能方塊示意圖。
圖4A為本發明一實施例之未發生孤島運轉時的交流輸出電壓的電壓波形示意圖。
圖4B為本發明一實施例之發生孤島運轉時的交流輸出電壓的電壓波形示意圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例之交流配電系統及逆變裝置的示意圖。請參照圖1，本實施例的逆變裝置100可應用於交流配電系統10中。在本實施例的交流配電系統10中，逆變裝置100的輸入端耦接光伏組件(photovoltaic module，未繪示)、風力發電組件或水力發電組件等直流電源產生裝置(例如再生能源發電組件)，並且逆變裝置100的輸出端與電網EG並接。其中，逆變裝置100與前端的再生能源發電組件可視為一分散式電源系統。在 圖1中，雖僅繪示一個分散式電源系統為例，但本發明不僅限於此。在實際應用中，交流配電系統10亦可包含有多個並接的分散式電源系統。
逆變裝置100可從前端的光伏組件接收直流輸入電源DCin，並且將所接收的直流輸入電源DCin轉換為交流輸出電壓VAC與交流輸出電流IAC。具體而言，逆變裝置100包括逆變電路110以及控制電路120。逆變電路110接收直流輸入電源DCin，並且用以將直流輸入電源轉換為交流輸出電壓VAC與交流輸出電流IAC。其中，所述逆變電路110的電路組態可例如為半橋非對稱式、半橋對稱式、全橋式或其他可行的逆變電路組態，本發明不對此加以限制。
控制電路120耦接逆變電路110，用以控制逆變電路110的電源轉換，所述控制訊號Sc可例如為用以控制逆變電路110的切換週期的一脈寬調變訊號(PWM signal)，但本發明不以此為限。
在本實施例的交流配電系統10中，逆變裝置100與前端的再生能源發電組件可視為一個分散式電源系統，其與電網EG及/或其他分散式電源系統(未繪示)並聯，以共同供電給負載裝置LD使用。其中，為了令逆變裝置100能夠準確地偵測到孤島運轉的情形發生，進而執行相應的孤島保護機制，逆變裝置100會藉由週期性地擾動所輸出的交流輸出電流IAC，再偵測交流輸出電壓VAC的方式，以根據交流輸出電壓VAC的變化來判斷是否發生孤島運轉。具體的孤島運轉偵測方法如圖2所示。其中，圖2為本發 明一實施例之孤島運轉的偵測方法的步驟流程圖。
請同時參照圖1與圖2，在本實施例中，首先，逆變電路110會接收直流輸入電源DCin(步驟S210)，再將直流輸入電源DCin轉換為交流輸出電壓VAC與交流輸出電流IAC(步驟S220)。接著，控制電路120會以一預設時間間隔產生擾動訊號來調整控制訊號Sc，藉以擾動逆變電路110所產生的交流輸出電流IAC(步驟S230)，並且進一步偵測逆變電路110所輸出的交流輸出電壓VAC的頻率是否位於預設頻率範圍(步驟S240)內。
當控制電路120偵測到交流輸出電壓VAC的頻率仍位於預設頻率範圍內時，代表此時交流輸出電壓VAC仍受到電網EG的電壓所箝制，而並未因應電流的擾動發生頻率變化，因此控制電路120會判定逆變裝置100當前並未發生孤島運轉(步驟S250)，即電網EG此時應處於正常運作的狀態並且與逆變電路110並接。
相反地，當控制電路120偵測到交流輸出電壓VAC的頻率已經超出預設頻率範圍外時，代表此時交流輸出電壓VAC已不受電網EG的電壓所箝制，而是受到電流的擾動發生頻率變化，因此控制電路120會判定逆變裝置100發生孤島運轉(步驟S260)，即電網EG此時已經隔離於交流配電系統10之外。
在偵測到逆變裝置100是否發生孤島運轉的情形後，控制電路120即可據以決定是否啟用孤島保護機制來控制逆變電路110的運作，從而避免後端的負載裝置LD損壞。舉例來說，逆變電路110可包括保護電驛(Relay)(未繪示)。當控制電路120判定 發生孤島運轉並啟用孤島保護機制時，控制電路120會致能保護電驛，藉以令逆變裝置100與交流配電系統10的其他部分解聯(例如：負載裝置LD)，藉以避免孤島運轉的情形持續發生。
詳細而言，控制電路120可例如在每40個交流輸出電壓VAC周期中產生4次擾動訊號(不僅限於此，可依設計者需求自行調整)來擾動所輸出的控制訊號Sc，使得逆變電路110反應於控制訊號Sc而令所產生的交流輸出電流IAC的電流週期隨之發生變動。更具體地說，逆變電路110可反應於擾動訊號的產生而調整其電源轉換行為，藉以縮短或延長交流輸出電流IAC的電流週期。例如：逆變電路110可反應於擾動訊號的產生而停止電源轉換，藉以令交流輸出電流IAC的電流週期被縮短。
當電網EG正常運作並且與逆變電路110並接時(即，未發生孤島運轉時)，交流輸出電壓VAC的電壓零點週期會被電網EG所輸出的電壓箝制在特定的頻率上(例如為60Hz)，而不會受到交流輸出電流IAC的電流週期的變動所影響。反之，當電網EG發生異常並且與逆變電路110斷開時，交流輸出電壓VAC的電壓零點週期因少了電網電壓的箝制而會隨著電流週期的變動而跟著變動。
藉由此一特性，控制電路120即可利用偵測交流輸出電壓VAC的電壓零點週期來判斷交流輸出電壓VAC的頻率是否位於預設頻率範圍內，藉以準確地判斷出逆變裝置100是否發生孤島運轉。
底下以圖3所繪示的具體架構範例與圖4A、圖4B所繪示的交流輸出電壓VAC的電壓波形來說明控制電路120如何實現上述的孤島運轉偵測機制。其中，圖3為本發明一實施例之控制電路的功能方塊示意圖。圖4A、圖4B為本發明一實施例之未發生與發生孤島運轉時交流輸出電壓的電壓波形示意圖。
請同時參照圖3與圖4A，在本實施例中，控制電路120包括零電壓偵測單元122、頻率偵測單元124、保護單元126以及驅動控制單元128。零電壓偵測單元122耦接逆變電路110的輸出端，用以偵測交流輸出電壓VAC的零電壓時間點t0、t1與tz。其中，零電壓時間點tz例如為圖4A及圖4B中的時間點t2與td，且零電壓偵測單元122會偵測到交流輸出電壓VAC的多個零電壓時間點，本發明不對此加以限制。
頻率偵測單元124耦接零電壓偵測單元122，用以依據交流輸出電壓VAC的零電壓時間點t0、t1與tz計算電壓零點週期pz，其中計算電壓零點週期pz的方式為將零電壓偵測單元122第三次偵測到的零電壓時間點減去零電壓偵測單元122第一次偵測到的零電壓時間點，以本實施例為例，零電壓偵測單元122第三次偵測到的零電壓時間點tz，第一次偵測到的零電壓時間點為t0，因此電壓零點週期pz=tz-t0。其中電壓零點週期pz例如為圖4A及圖4B中的週期p1與p1’。
保護單元126耦接頻率偵測單元124以接收頻率偵測單元124所計算出的電壓零點週期pz。在本實施例中，保護單元126 會判斷電壓零點週期pz是否位於預設頻率範圍內，再根據判斷的結果發出保護訊號Sp給驅動控制單元128。其中，當保護單元126依據所接收到的電壓零點週期pz判定交流輸出電壓VAC的頻率位於預設頻率範圍外時，驅動控制單元128會依據保護訊號Sp調整其所輸出的控制訊號Sc，藉以啟用孤島保護機制。
就控制電路120整體的控制行為而言，首先，驅動控制單元128在未產生擾動訊號Sd時，驅動控制單元128會產生控制訊號Sc以控制逆變電路110正常地運作。此時，逆變電路110所產生的交流輸出電壓VAC基本上會具有電壓週期為p1的電壓波形。
在達到預設時間間隔時，驅動控制單元128會產生擾動訊號Sd以擾動控制訊號Sc。其中，逆變電路110會反應於受到擾動的控制訊號Sc而在時間點td-t2的期間停止電源轉換。若此時並未發生孤島運轉的情形，請參閱圖4A，則雖然交流輸出電流IAC在時間點td被設定為0A，但由於交流輸出電壓VAC的波形會被電網電壓所箝制，使得交流輸出電壓VAC在時間點td-t2的期間內的電壓波形維持為原先的弦波形式，逐漸從負電壓朝向零電壓變化。在此情形下，零電壓偵測單元122會偵測到交流輸出電壓VAC的零電壓時間點為t2，藉以令頻率偵測單元124據以計算出電壓零點週期為p1。因此，保護單元126會依據電壓零點週期p1判定交流輸出電壓VAC的頻率位於預設頻率範圍內，使得驅動控制單元128不啟用孤島保護機制。
另一方面，若此時逆變裝置100發生孤島運轉的情形，請參閱圖4B，則交流輸出電壓VAC會反應於逆變電路110在時間點td-t2的停止運作(交流輸出電流IAC被設定為0A)，而呈現電壓值在時間點td瞬間被下拉至零電壓的電壓波形。在此情形下，零電壓偵測單元122會偵測到交流輸出電壓VAC的零電壓時間點為td，藉以令頻率偵測單元124據以計算出電壓零點週期為p1’。因此，保護單元126會依據電壓零點週期p1’判定交流輸出電壓VAC的頻率位於預設頻率範圍外，使得驅動控制單元128反應於保護訊號Sp而啟用孤島保護機制。
綜上所述，本發明實施例提出一種逆變裝置及孤島運轉的偵測方法。所述逆變裝置可藉由週期性地擾動交流輸出電流，再偵測交流輸出電壓是否隨之變動的方式來判斷逆變裝置是否發生孤島運轉的情形，藉以精確地在孤島運轉發生時立即啟用孤島保護機制以避免後端的負載裝置發生損壞。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S210~S260‧‧‧孤島運轉的偵測方法的步驟

Claims (7)

  1. 一種逆變裝置，包括：一逆變電路，與一電網並接，其中該逆變電路接收一直流輸入電源，並且將該直流輸入電源轉換為一交流輸出電壓與一交流輸出電流；以及一控制電路，耦接該逆變電路，用以控制該逆變電路的電源轉換，其中該控制電路以一預設時間間隔產生一擾動訊號來擾動該逆變電路所產生的該交流輸出電流，使該交流輸出電流的一電流週期受控於該擾動訊號而變動，並且偵測該交流輸出電壓的零電壓時間點，而依據該交流輸出電壓的零電壓時間點計算一電壓零點週期，並且依據該電壓零點週期來判斷該交流輸出電壓的頻率是否位於一預設頻率範圍內，藉以決定是否啟用一孤島保護機制，其中該逆變電路反應於該擾動訊號的產生而停止電源轉換，藉以縮短該交流輸出電流的該電流週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的逆變裝置，其中當該電網正常運作並且與該逆變電路並接時，該電壓零點週期不受該電流週期的變動所影響，以及當該電網發生異常並且與該逆變電路斷開時，該電壓零點週期隨該電流週期的變動而改變。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的逆變裝置，其中該控制電路包括：一零電壓偵測單元，耦接該逆變電路的輸出端，用以偵測該 交流輸出電壓的零電壓時間點；一頻率偵測單元，耦接該零電壓偵測單元，用以依據該交流輸出電壓的零電壓時間點計算一電壓零點週期，其中該電壓零點週期為該零電壓偵測單元第三次偵測到的零電壓時間點減去該零電壓偵測單元第一次偵測到的零電壓時間點；一保護單元，耦接該頻率偵測單元，用以依據該電壓零點週期判斷該交流輸出電壓的頻率是否位於該預設頻率範圍，並且於該交流輸出電壓的頻率非位於該預設頻率範圍內時發出一保護訊號；以及一驅動控制單元，耦接該保護單元，用以依據該保護訊號啟用該孤島保護機制，藉以控制該逆變電路的運作。
  4. 一種孤島運轉的偵測方法，適用於一交流配電系統，其中該交流配電系統包括一逆變裝置與一電網，該逆變裝置與該電網相互並接，該偵測方法包括：藉該逆變裝置接收一直流輸入電源；藉該逆變裝置將該直流輸入電源轉換為一交流輸出電壓與一交流輸出電流；以一預設時間間隔產生一擾動訊號來擾動該逆變裝置所產生的該交流輸出電流，使該交流輸出電流的一電流週期受控於該擾動訊號而變動；令該逆變裝置反應於該擾動訊號調整其電源轉換行為，藉以縮短或延長該電流週期； 偵測該交流輸出電壓的頻率是否位於一預設頻率範圍內；以及當該交流輸出電壓的頻率非位於該預設頻率範圍內時，判定該逆變裝置發生一孤島運轉現象；其中偵測該交流輸出電壓的頻率是否位於該預設頻率範圍的步驟包括：偵測該交流輸出電壓的零電壓時間點；依據該交流輸出電壓的零電壓時間點計算一電壓零點週期；以及依據該電壓零點週期來判斷該交流輸出電壓的頻率是否位於該預設頻率範圍內。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的孤島運轉的偵測方法，其中計算該電壓零點週期的方式為第三次偵測到的零電壓時間點減去第一次偵測到的零電壓時間點。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的孤島運轉的偵測方法，其中當該電網正常運作並且與該逆變裝置並接時，該電壓零點週期不受該電流週期的變動所影響，以及當該電網發生異常並且與該逆變裝置斷開時，該電壓零點週期隨該電流週期的變動而改變。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的孤島運轉的偵測方法，更包括：當判定該逆變裝置發生該孤島運轉現象時，啟用一孤島保護機制。
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