TWI622243B

TWI622243B - 穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置

Info

Publication number: TWI622243B
Application number: TW105134499A
Authority: TW
Inventors: 姜政綸; 李奕德; 何元祥; 劉邦威
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2018-04-21
Also published as: TW201817111A

Abstract

一種穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，可應用於含儲能系統之微電網系統、再生能源或虛擬電廠等架構，透過快速地回授併接點電壓、功率及儲能系統電池SOC等訊號，同時且即時對儲能系統之實功與虛功進行調控，藉由儲能系統之迅速響應，可平滑實功變化與補償電壓變動，達降低微電網及與市電併接點之電壓變動率之目的，並可提升再生能源之裝置容量，進而減少市電發電機組之供電，與提高電力系統電力品質之穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置。

Description

穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置

本發明係有關於一種穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，尤指涉及一種可應用於含儲能系統之微電網系統、再生能源或虛擬電廠等架構，特別係指可同時調控儲能系統之實功與虛功，具有穩定併接點電壓變動率之功效者。

隨著政府積極推動再生能源的發展，國內各處皆規劃大量之再生能源建置，然而因再生能源發電之間歇性併入電網，使得電力系統電壓隨之變動，造成區域電力系統之衝擊，影響電力品質。而台電為避免再生能源影響電力系統之電壓變動，故於98年12月訂定再生能源發電系統併聯技術要點，規定併接於責任分界點之電壓變動率，應維持在高低各2.5 %以內。而105年2月修訂上述之併聯技術要點，將併接於380 V以下之再生能源，放寬電壓變動率在高低各3 %以內。此修訂可使再生能源併接容量再提升，可望提高再生能源之占比，惟當占比逐漸增加時，電壓變動更易受再生能源之瞬間變化所影響，此乃未來所需面對之問題。此外，雖然一般電力線路上多藉由裝設電力電容器或電抗器，或搭配變壓器之有載分接頭切換開關（On Load Tap Changer, OLTC），用以在線路上電壓變動過大時，投入電容器、電抗器，或切換OLTC之匝比，藉以達到固定幅度之電壓補償，但再生能源占比逐漸增加時，仍會有瞬間變化過大之問題。因此，包含再生能源、微電網或虛擬電廠等具分散式能源之電力系統，如何在電壓變動時，迅速進行實功之平滑與虛功之補償，達到穩定電壓之功效，進而降低再生能源對電力系統之衝擊與影響，此類技術至今仍闕如。由於再生能源發電情形易受氣候影響，具間歇特性，間接造成電壓變動，故國內開始進行太陽光電之智慧變流器（Smart Inverter）開發，透過設定其功率因數達到虛功調控之功效。惟以該智慧變流器改善電壓變動有以下缺點： 1. 太陽光電（PV）變流器多運轉在最大功率追蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）模式，以輸出實功為主，可受調控之虛功容量將被侷限。如市售變流器之功率因數設定在0.8至-0.8之間，可作為調控之虛功容量有限，故穩定電壓效果受侷限。 2. 太陽光電未發電期間，變流器直流端電能不足，而無法提供虛功調控，換言之，在陰天或夜間PV變流器亦無法輸出虛功補償。傳統電力系統中，多以投入電力電容器或電抗器來改善電力線路之功率因數，可減少線路上之配電損失，或搭配OLTC穩定線路之電壓，可使電壓變動符合電業法規定之標準範圍內。亦即電燈電壓之變動率，不得超過高低各5 %；電力及電熱之電壓的變動率，不得超過高低各10 %；如線路包含電燈、電力、及電熱，則以電燈電壓標準為依據。尤其再生能源發電系統併聯技術要點，規範電壓變動率應於高低各3 %以內，比電業法更加嚴苛，故有段數調整之電壓調節設備，應用於含再生能源之場域中，效果有限。普遍而言，OLTC之切換範圍為高低各10 %以內，而每一段切換分接頭之範圍為1.25 %，如同電力電容器或電抗器般，無法進行更精細之調整，較不具彈性，穩定電壓之效果有限。尤其在大量再生能源併入電力系統後，可能致使電壓變動更大，進而影響系統電力品質。有鑑於上述習知電壓調整之缺點，及穩定電壓以提升再生能源占比之重要性，本發明人乃亟思發明一種穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，除具快速且動態之響應外，並可穩定再生能源、微電網或虛擬電廠之併接點電壓，及有效提高再生能源之裝置容量。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題，並提供一種可應用於含儲能系統之微電網系統、再生能源或虛擬電廠等架構，透過快速地回授併接點電壓、功率及儲能系統電池SOC等訊號，同時且即時對儲能系統之實功與虛功進行調控，藉由儲能系統之迅速響應，可平滑實功變化與補償電壓變動，達降低微電網及與市電併接點之電壓變動率之目的，並可提升再生能源之裝置容量，進而減少市電發電機組之供電，與提高電力系統電力品質之穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置。為達以上之目的，本發明係一種穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，係藉由調控儲能系統功率，以穩定併接點電壓變動，其包括：一併接點，係與一市電連接；一儲能系統，係與該併接點連接，其包含一變流器及一與該變流器連接之電池；以及一實虛功控制機構，係與該併接點及該儲能系統連接，用以偵測該併接點之R、S、T三相電壓與功率，及該儲能系統之電池充電狀態（State of Charge, SOC），透過同時進行平滑功率與穩定電壓之控制策略，同時調控該儲能系統之變流器之實功與虛功，以穩定該併接點之電壓變動率。於本發明上述實施例中，該儲能系統係進一步連接有再生能源、負載及其他分散式能源，而藉由該併接點、該儲能系統、該實虛功控制機構、該再生能源、該負載及該其他分散式能源形成一微電網。於本發明上述實施例中，該實虛功控制機構係包含有一連接該儲能系統之電池狀態偵測器、一連接該電池狀態偵測器之第一比較器、一連接該第一比較器之第一比例積分（proportional-integral, PI）控制器、一連接該併接點之電壓狀態偵測器、一連接該第一PI控制器與該電壓偵測器之第二比較器、及一連接該第二比較器之第二PI控制器。於本發明上述實施例中，該實虛功控制機構進行平滑功率時，係先設定該儲能系統之電池SOC參考值，並透過該電池狀態偵測器偵測該儲能系統之電池SOC實際值，以該第一比較器將該儲能系統之電池SOC實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過該第一PI控制器得到該併接點之實功參考值，透過該電壓狀態偵測器偵測該併接點之實功實際值，再以該第二比較器將該併接點之實功實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過該第二PI控制器得到該儲能系統實功調控之命令，透過該儲能系統執行實功吸收或輸出之調控，改變該併接點實功之變化。於本發明上述實施例中，該實虛功控制機構進行穩定電壓時，係先設定該併接點之電壓參考值，並透過該電壓狀態偵測器偵測該併接點之電壓實際值，以該第二比較器將該併接點之電壓實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過該第二PI控制器得到該儲能系統虛功調控之命令，透過該儲能系統執行虛功吸收或輸出之調控，改變該併接點電壓之變動。於本發明上述實施例中，該實虛功控制機構係將由該儲能系統已調控之實功容量，計算出剩餘之虛功容量，其計算公式如下：，其中Q為虛功，S為視在功率，以及P為實功。為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲藉由下文之實施方式對本發明之細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點。

請參閱『第１圖～第４圖』所示，係分別為本發明之基本架構示意圖、本發明之控制流程示意圖、本發明以實功平滑功率之控制方塊示意圖、及本發明以虛功平穩電壓之控制方塊示意圖。如圖所示：本發明係一種穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，為考量含儲能系統之微電網系統、再生能源或虛擬電廠等架構，藉調控儲能系統１２功率，以穩定併接點１１電壓變動，其系統架構至少應包含一併接點１１、一儲能系統１２以及一實虛功控制機構１３所構成，而該儲能系統１２係進一步連接有再生能源１４、負載１５及其他分散式能源１６，而藉由該併接點１１、該儲能系統１２、該實虛功控制機構１３、該再生能源１４、該負載１５及該其他分散式能源１６形成一微電網１。上述所提之併接點１１係與一市電２連接。該儲能系統１２係與該併接點１１連接，其包含一變流器１２１及一與該變流器１２１連接之電池１２２。該實虛功控制機構１３係與該併接點１１及該儲能系統１２連接，其包含有一連接該儲能系統１２之電池狀態偵測器１３１、一連接該電池狀態偵測器１３１之第一比較器１３２、一連接該第一比較器１３２之第一比例積分（proportional-integral, PI）控制器１３３、一連接該併接點１１之電壓狀態偵測器１３４、一連接該第一PI控制器１３３與該電壓偵測器１３４之第二比較器１３５、及一連接該第二比較器１３５之第二PI控制器１３６。該實虛功控制機構１３係用以偵測該併接點１１之R、S、T三相電壓與功率，及該儲能系統１２之電池１２２充電狀態（State of Charge, SOC），透過同時進行平滑功率與穩定電壓之控制策略，同時調控該儲能系統１２之變流器１２１之實功與虛功，以穩定該併接點１１之電壓變動率。依上述之內容，而將本發明之儲能系統實虛功控制流程（如第２圖所示）說明如下：當開始執行時，係同時啟動平滑功率程式s10與穩定電壓程式s11之步驟，以進行平滑功率與穩定電壓之動作。首先以平滑功率程式s10而言，為避免儲能系統１２之電池１２２過度充放，需考量電池SOC狀態，故需執行設定儲能系統SOC參考值s12之步驟。並透過SOC_ _act＞SOC_ _refs13之步驟，將SOC參考值與SOC實際值進行比較，若實際值高於參考值，則需執行考量儲能放電之併接點實功參考值s14之動作，使儲能系統１２對微電網２進行放電，以免電池１２２SOC過高；反之，若實際值低於參考值，則需執行考量儲能充電之併接點實功參考值s15之動作，使微電網２對儲能系統１２進行充電，以免電池１２２SOC過低。考量應對儲能系統１２進行充電或放電，及系統內再生能源１４發電與負載１５情形後，便可決定併接點１１實功之參考值，透過P_ _act＞P_ _refs16之步驟，將併接點１１實功參考值與併接點實功實際值進行比較，若實際值高於參考值，則執行下達儲能系統吸收實功命令s17之動作，使儲能系統１２吸收系統上過多實功；反之，若實際值低於參考值，則執行下達儲能系統輸出實功命令s18之動作，使儲能系統１２補償系統上不足之實功。儲能系統１２透過執行前述控制策略所下達之吸收或輸出實功命令s17或s18之步驟，以平滑微電網１併接點１１功率變化，降低併接點１１電壓因實功瞬間變化而引起之變動。其次，以平穩電壓程式s11而言，則執行設定併接點電壓參考值s19之步驟，先設定併接點１１電壓之參考值，並透過V_ _act＞V_ _refs20之步驟，將併接點１１電壓參考值與併接點１１電壓實際值進行比較，若實際值高於參考值，則需執行下達儲能系統吸收虛功命令s21之動作，使儲能系統１２吸收系統上過多虛功；反之，若實際值低於參考值，則需執行下達儲能系統輸出虛功命令s22之動作，使儲能系統１２補償系統上不足之虛功。接著進行調控微電網儲能系統實功s23與計算儲能系統可調控之虛功容量s24之步驟，由儲能系統１２已調控之實功容量，以下列公式(1)計算出剩餘之虛功容量，並考量前述控制策略所下達之吸收或輸出虛功命令s21或s22之步驟，由調控微電網儲能系統虛功s25之步驟作為儲能系統１２可調控之虛功容量，進行穩定微電網電壓s26之動作，以達到穩定併接點１１電壓之功效，最後由微電網/儲能系統狀態監測s27之步驟搭配併接點功率實際值與併接點電壓實際值s28與s29之步驟，重複進行s16與s20之步驟。公式(1) 其中Q為虛功，單位為VAR；S為視在功率，單位為VA；以及P為實功，單位為W。第３圖為以儲能系統實功進行平滑功率之控制方塊圖。當實虛功控制機構１３進行平滑功率時，係先設定儲能系統１２之電池SOC參考值，並透過電池狀態偵測器１３１偵測該儲能系統１２之電池SOC實際值，以第一比較器１３２將該儲能系統１２之電池SOC實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過第一PI控制器１３３得到該併接點１１之實功參考值，透過該電壓狀態偵測器１３４偵測該併接點１１之實功實際值，再以第二比較器１３５將微電網併接點１１之實功實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過該第二PI控制器１３６得到該儲能系統１２實功調控之命令，透過該儲能系統１２執行實功吸收或輸出之調控，進而改變微電網併接點１１實功之變化，達到平滑功率變動，減少微電網１內再生能源１４或負載１５變動對於併接點１１電壓之影響。第４圖為以儲能系統虛功進行穩定電壓之控制方塊圖。當實虛功控制機構１３進行穩定電壓時，係先設定微電網１併接點１１之電壓參考值，並透過該電壓狀態偵測器１３４偵測微電網１併接點１１之電壓實際值，以該第二比較器１３５將微電網１併接點１１之電壓實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過該第二PI控制器１３６得到該儲能系統１２虛功調控之命令，透過該儲能系統１２執行虛功吸收或輸出之調控，進而改變微電網１併接點１１電壓之變動，可再進一步降低市電外部背景值所造成之電壓變動情形。藉此，本發明透過穩定微電網電壓變動情形，可改善再生能源間歇性發電造成之電壓變動率，避免超過台電再生能源發電系統併聯技術要點之規定，並可再提升我國再生能源之裝置容量。此外，亦可避免大量負載或再生能源變化而造成微電網及與市電併接點之電壓變動，可使微電網電壓不易受影響，或可進一步改善市電端造成之電壓變動情形。最後，提供穩定之電壓，可使微電網系統內之用戶，享有較佳之電力品質。因此，本發明所提穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，係可達成以下特性： 1.本發明可應用於含儲能系統之微電網系統、再生能源發電系統或虛擬電廠等。 2.本發明可同時調控儲能系統之實功與虛功，用以穩定併接點之電壓變動。 3.透過回授併接點之功率訊號與儲能系統電池SOC訊號，調控儲能系統實功進行平滑併接點實功變化，降低間歇性再生能源輸出功率變動，及大量負載瞬間投入或切離之功率變動，進一步減少微電網內實功變化對於電壓變動之影響。 4.透過回授併接點之電壓訊號，以儲能系統虛功進行補償，達抑低微電網併接點因市電外部背景所引起之電壓變動情形，進一步提供微電網內更穩定之電壓，提高系統內電力品質。綜上所述，本發明係一種穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，可有效改善習用之種種缺點，可應用於含儲能系統之微電網系統、再生能源或虛擬電廠等架構，透過快速地回授併接點電壓、功率及儲能系統電池SOC等訊號，同時且即時對儲能系統之實功與虛功進行調控，藉由儲能系統之迅速響應，可平滑實功變化與補償電壓變動，達降低微電網及與市電併接點之電壓變動率之目的，並可提升再生能源之裝置容量，進而減少市電發電機組之供電，與提高電力系統之電力品質，進而使本發明之□生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，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‧‧‧微電網

11‧‧‧併接點

12‧‧‧儲能系統

121‧‧‧變流器

122‧‧‧電池

13‧‧‧實虛功控制機構

131‧‧‧電池狀態偵測器

132‧‧‧第一比較器

133‧‧‧第一PI控制器

134‧‧‧電壓狀態偵測器

135‧‧‧第二比較器

136‧‧‧第二PI控制器

14‧‧‧再生能源

15‧‧‧負載

16‧‧‧其他分散式能源

2‧‧‧市電

第１圖，係本發明之基本架構示意圖。第２圖，係本發明之控制流程示意圖。第３圖，係本發明以實功平滑功率之控制方塊示意圖。第４圖，係本發明以虛功平穩電壓之控制方塊示意圖。

Claims

一種穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，係藉由調控儲能系統功率，以穩定併接點電壓變動，其包括：一併接點，係與一市電連接；一儲能系統，係與該併接點連接，其包含一變流器及一與該變流器連接之電池，且該儲能系統係進一步連接有再生能源、負載及其他分散式能源；以及一實虛功控制機構，係與該併接點及該儲能系統連接，用以偵測該併接點之R、S、T三相電壓與功率，及該儲能系統之電池充電狀態(State of Charge,SOC)，透過同時進行平滑功率與穩定電壓之控制策略，同時調控該儲能系統之變流器之實功與虛功，以穩定該併接點之電壓變動率，藉由該併接點、該儲能系統、該實虛功控制機構、該再生能源、該負載及該其他分散式能源形成一微電網，其中該實虛功控制機構係包含有一連接該儲能系統之電池狀態偵測器、一連接該電池狀態偵測器之第一比較器、一連接該第一比較器之第一比例積分(proportional-integral,PI)控制器、一連接該併接點之電壓狀態偵測器、一連接該第一PI控制器與該電壓偵測器之第二比較器、及一連接該第二比較器之第二PI控制器。
依申請專利範圍第1項所述之穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，其中，該實虛功控制機構進行平滑功率時，係先設定該儲能系統之電池SOC參考值，並透過該電池狀態偵測器偵測該儲能系統之電池SOC實際值，以該第一比較器將該儲能系統之電池SOC實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過該第一PI控制器得到該併接點之實功參考值，透過該電壓狀態偵測器偵測該併接點之實功實際值，再以該第二比較器將該併接點之實功實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過該第二PI控制器得到該儲能系統實功調控之命令，透過該儲能系統執行實功吸收或輸出之調控，改變該併接點實功之變化。
依申請專利範圍第1項所述之穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，其中，該實虛功控制機構進行穩定電壓時，係先設定該併接點之電壓參考值，並透過該電壓狀態偵測器偵測該併接點之電壓實際值，以該第二比較器將該併接點之電壓實際值與參考值進行誤差比較，所得誤差值經過該第二PI控制器得到該儲能系統虛功調控之命令，透過該儲能系統執行虛功吸收或輸出之調控，改變該併接點電壓之變動。
依申請專利範圍第3項所述之穩定微電網電壓之儲能系統實虛功控制裝置，其中，該實虛功控制機構係將由該儲能系統已調控之實功容量，計算出剩餘之虛功容量，其計算公式如下：其中Q為虛功，S為視在功率，以及P為實功。