TWI671971B - 整合式供電系統 - Google Patents

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Abstract

一種整合式供電系統，其包含電網電源、至少一再生能源電源、可充電電池組、直流匯流排、雙向交流對直流轉換器、至少一第一直流對直流轉換器、雙向直流對直流轉換器以及控制器。雙向交流對直流轉換器耦接電網電源與直流匯流排。至少一第一直流對直流轉換器耦接至少一再生能源電源與直流匯流排。雙向直流對直流轉換器耦接可充電電池組與直流匯流排。控制器控制饋入直流匯流排的直流電源與從直流匯流排抽離的直流電源，以維持直流匯流排的匯流排電壓固定為系統電壓。

Description

整合式供電系統
本發明係有關一種整合式供電系統，尤指一種應用於對住家大樓和/或電動車供電之整合式供電系統。
對於現有的供電系統而言，住家大樓中的家庭牆上插座的交流電源主要是從電網經由輸電和配電至家庭用戶所提供，例如60赫茲的單相三線(1P3W)240伏特的交流電壓，可作為空調或其他電器的供電之用。然而直至目前為止，家庭用電尚未有牆上插座直接輸出直流電源提供家庭電器使用。
本發明之目的在於提供一種整合式供電系統，解決家庭用電無法兼具從牆上插座輸出交流電源與直流電源的問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的整合式供電系統，其包含電網電源、至少一再生能源電源、可充電電池組、直流匯流排、雙向交流對直流轉換器、至少一第一直流對直流轉換器、雙向直流對直流轉換器以及控制器。雙向交流對直流轉換器耦接電網電源與直流匯流排。至少一第一直流對直流轉換器耦接至少一再生能源電源與直流匯流排。雙向直流對直流轉換器耦接可充電電池組與直流匯流排。控制器控制饋入直流匯流排的直流電源與從直流匯流排抽離的直流電源，以維持直流匯流排的匯流排電壓固定為系統電壓。
藉由所提出的整合式供電系統，能夠在家庭用電的牆上插座兼具輸出交流電源與直流電源，以提高用電需求的方便性與靈活性。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
100‧‧‧整合式供電系統
10‧‧‧微電網系統
11‧‧‧直流匯流排
12‧‧‧控制器
101‧‧‧電網轉換器
102‧‧‧匯流排轉換器
103‧‧‧電池轉換器
104‧‧‧太陽能源轉換器
105‧‧‧風力能源轉換器
106‧‧‧地熱能源轉換器
21‧‧‧電網電源
22‧‧‧交流斷路器
23‧‧‧交流變壓器
24‧‧‧交流配電盤
25‧‧‧全黑啟動盒
26‧‧‧功率電表
27‧‧‧聚線盒
28‧‧‧充電盒
29‧‧‧家用能源管理系統
31‧‧‧第三方主機系統
30‧‧‧再生能源電源
40‧‧‧可充電電池組
圖1：為本發明整合式供電系統應用於對住家大樓和電動車供電之系統架構示意圖。
圖2：為交流主電源與交流配電盤的電路方塊圖。
圖3：為微電網系統的電路方塊圖。
圖4：為聚線盒與電池機櫃的電路方塊圖。
圖5：為本發明微電網系統的硬體架構之第一實施例的方塊示意圖。
圖6A：為本發明微電網系統的硬體架構之第一實施例的立體外觀圖。
圖6B：為本發明微電網系統的硬體架構之第一實施例的立體透視圖。
圖6C：為本發明微電網系統的硬體架構之第一實施例的另一立體透視圖。
圖6D：為本發明微電網系統的硬體架構之第一實施例的再另一立體透視圖。
圖7：為本發明微電網系統的硬體架構之第二實施例的示意方塊圖。
圖8A：為本發明微電網系統的硬體架構之第二實施例的立體外觀圖。
圖8B：為本發明微電網系統的硬體架構之第二實施例的立體透視圖。
圖8C：為本發明微電網系統的硬體架構之第二實施例的另一立體透視圖。
圖8D：為本發明微電網系統的硬體架構之第二實施例的再另一立體透視圖。
圖9A：為本發明微電網系統應用至三相交流變壓器的電路圖。
圖9B：為本發明微電網系統應用至單相交流變壓器的電路圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖1所示，其係為本發明整合式供電系統應用於對住家大樓和電動車供電之系統架構示意圖。整合式供電系統100包含電網電源(grid power source)21、至少一再生能源電源(renewable energy source)30以及具有多個可充電電池的可充電電池組40。其中電池組係設置於如圖4所示的電池機櫃(機箱)。 在本實施例中，至少一再生能源電源30可以是太陽能源(solar energy source)、風 力能源(wind energy source)、地熱能源(geothermal energy source)或是水力能源(hydraulic energy source)，但不以此為限制。此外，本實施例係以具有六層樓、12間住戶的住家大樓為例加以說明。再者，若住家大樓的規模，即其樓層數、住戶數擴增，則仍可在不改變本發明整合式供電系統100的架構下，透過增加供電規模同樣可達到住家大樓的用電需求。
在本發明的實施例中，交流市電電源主要包含圖2所示的電網電源21、交流斷路器22以及交流變壓器23，具體的架構可配合圖2所示。交流斷路器22係由一觸發信號(tripping signal)控制，以控制從電網電源21產生的電力是否被傳送交流配電盤24(如圖2所示)。交流變壓器23用於轉換交流電源的電壓準位，並將變換後的交流電源傳輸至交流配電盤24或者微電網系統(NanoGrid system)10。再者，交流變壓器23可以是三角形-星形(delta-to-wye)配置，用於將三相三線(3P3W)的交流電源轉換成三相四線(3P4W)或者單相雙線(1P2W)的交流電源。交流變壓器23的詳細描述將於後文中配合參照圖9A與圖9B進行。
如圖2所示，整合式供電系統100進一步提供全黑啟動(black start)機制的全黑啟動盒25(black start box)，一旦電網電源21故障或失效而無法供電時，全黑啟動盒25將投入運行，即全黑啟動盒25扮演電力重新啟動的重要角色，以實現整合式供電系統100的全黑啟動。交流配電盤24提供多個輸入端和輸出端，該些輸入端主要用於接收來自交流電網側之交流變壓器23所輸出的不同電壓的交流電源，並且該些輸出端連接不同的轉換器、負載、電動車(electric vehicle,EV)充電器(站)、全黑啟動盒25…等等。
對於現有的供電系統而言，住家大樓中的家庭中牆上插座的交流電源主要是從電網經由輸電和配電至家庭用戶所提供，例如60赫茲的單相三線(1P3W)240伏特的交流電壓，可作為空調或其他電器的供電之用。然而直至目前為止，家庭用電尚未有牆上插座直接輸出的直流電源提供家庭電器使用。因此， 本發明的整合式供電系統100實現同時能夠透過家庭中牆上插座提供交流電源與直流電源供家用負載，例如交流電器、直流電器(例如LED照明燈具裝置)使用。具體地，在本發明的整合式供電系統100中，可以從每個家庭的牆上插座提供安全的直流電壓，例如牆上插座可直接提供符合安規標準要求的60伏特以下的安全直流電壓。
通常，由於再生能源電源30的產生不是非常穩定，特別是太陽能、風能、地熱能和水力能受到氣候因素影響很大。因此，再生能源電源30要在緊急情況下作為備用電源使用，通常需要加強與改善其固有的間歇性(intermittency)與不可預測性(unpredictability)的發電特性。
在本發明的實施例中，每個住家大樓可只配置一個微電網系統(NanoGrid system)10，而此微電網系統10通常安裝在住家大樓的配電室(distribution room)或變電室(substation)內。此外，從微電網系統10所輸出的交流電源則輸送到每個住戶的配電盤，用以對住戶的交流負載供電。微電網系統10的詳細電路方塊圖可配合圖3所示，並且其詳細說明如後。
如圖1所示，電網轉換器101，例如50瓩的雙向交流對直流轉換器，用以轉換從設置於住家大樓外部的交流配電盤24所輸送的交流電源為直流電源。再者，所述直流電源被饋入微電網系統10的直流匯流排(或稱直流母線)11，在一實施例中，然不以此為限制，此直流匯流排11的匯流排電壓為800伏特直流電壓。值得一提，本發明所記載電源轉換器的瓦特數值、電壓值及其他電氣參數值僅為清楚說明之用，非用來對本發明加以限制，合先敘明。
在一實施例中，透過設置於微電網系統10的匯流排轉換器102，例如10瓩的直流對直流轉換器，將匯流排電壓從800伏特轉換(降壓)為60伏特的直流電壓。再者，轉換後的60伏特直流電壓可被傳送到住家大樓內的每個用戶，因此60伏特的直流電壓可以直接從每個用戶的牆上插座所輸出，以提供安 全、符合安規要定的直流電壓，以供應直流負載(例如直流電器)所需的電源。具體而言，太陽能源、風力能源、地熱能源或者是水力能源…等等的再生能源電源30所產生的直流電源可直接地饋入直流匯流排11。
如圖4所示的聚線盒27(combiner box)用於將來自多個太陽能板串(solar string)輸出的電力匯聚在一起。在一實施例中，太陽能電池陣列由4個太陽能板串以及每個太陽能板串具有25個太陽能板所構成，即此太陽能電池陣列共有100個太陽能板。此外，充電電池為雙向電力傳輸的設計，即可以透過電池轉換器103，例如50瓩的雙向直流對直流轉換器，在直流匯流排11往充電電池的方向或者充電電池往直流匯流排11的方向傳輸電力，而達成雙向電力傳輸。
饋入直流匯流排11的直流電源可為透過電網轉換器101(即50瓩的雙向交流對直流轉換器)經由轉換電網電源21的交流電源為直流電源所得到，或者透過再生能源電源30所產生的直流電源或者充電電池所產生的直流電源饋入直流匯流排11。反之，從直流匯流排11所引出的直流電源可以供應住家大樓用戶的直流負載所需以及輸出至充電電池提供儲能。另外，當用戶的直流負載抽載使用時，若無其他的直流電源饋入直流匯流排11時，則匯流排電壓將逐漸地降低。
在微電網系統10中，進一步提供控制器12，用以控制以達到電力供需的協調，進而確保整合式供電系統100的電力平衡。具體地，從電網所產生且提供給微電網系統10的交流電源基本上穩定和充足的，因此當電網的電源穩定且充足時，足以支配直流匯流排11的匯流排電壓(例如800伏特)的變動。 如圖2所示，在本實施例中，從電網所產生的電源大小可透過儀表所測量，所述儀表可為智能的功率電表26(power meter)，其所測量所得的電源資訊，可透過例如RS485通訊線傳送至微電網系統10。
在電網電源21能夠提供穩定和充足的電源的情況下，再生能源電源30與充電電池所產生的直流電源饋入直流匯流排11或者充電電池從直流匯流排11抽離的直流電源對於直流匯流排11的匯流排電壓的變動影響不大。然而，一旦電網電源21發生故障或失效，則從再生能源電源30與充電電池所饋入的或者抽離的直流電源將對直流匯流排11的匯流排電壓的變動影響甚大。因此，控制器12透過收集和分析來自電網電源21、再生能源電源30以及充電電池的電源資訊來監測、控制和調節直流匯流排11的匯流排電壓的變動。
舉例來說，當匯流排電壓下降到低於780伏時，由於匯流排電壓僅略低於穩態的800伏特，因此控制器12控制具有較高優先饋電、可快速饋電的至少一個再生能源電源30或者次要優先的充電電池將直流電源饋入直流匯流排11中，藉此，逐漸將匯流排電壓提升而回到穩態的800伏特。在此情況下，尚無須饋入轉換電網電源21所提供的直流電源至直流匯流排11。然而，一旦當再生能源電源30或者充電電池持續地將直流電源饋入直流匯流排11，而匯流排電壓仍持續下降時，例如低於750伏特，在此情況下，控制器12則控制轉換電網電源21所提供的直流電源饋入直流匯流排11，而大幅地提升匯流排電壓回到穩態的800伏特。
換言之，當匯流排電壓低於第一臨界電壓(例如前述的780伏特)時，控制器12優先控制再生能源轉換器(容後說明)轉換再生能源電源為饋入直流匯流排11的直流電源，其中第一臨界電壓低於系統電壓(例如前述的800伏特)。此外，當匯流排電壓低於第一臨界電壓時，控制器12次要優先控制電池轉換器103轉換可充電電池組40的輸出電源為饋入直流匯流排11的直流電源。再者，當匯流排電壓低於第二臨界電壓(例如前述的750伏特)時，控制器12控制電網轉換器101轉換電網電源21為饋入直流匯流排11的直流電源。
實際上，住家大樓的住戶因負載抽載使用而從直流匯流排11抽離的直流電源多寡是無法控制的。當住家大樓的住戶大量地抽載使用而導致直流匯流排11的匯流排電壓驟降時，相較於轉換電網電源21所提供的直流電源饋入直流匯流排11，再生能源電源30或者充電電池所提供的直流電源能夠更快速地、更高優先地饋入直流匯流排11，而即時地拉高匯流排電壓至穩定電壓值，例如前述的800伏特，以維持微電網系統10的供電品質。然而，一旦再生能源電源30或者充電電池所饋入的直流電源無法持續地拉高匯流排電壓，甚至匯流排電壓下降更大，在此情況下，控制器12則控制轉換電網電源21所提供的直流電源饋入直流匯流排11，進而大幅地拉高匯流排電壓。因此，當轉換電網電源21所提供的直流電源饋入直流匯流排11時，再生能源電源30或者充電電池則可扮演次要的供電角色，輔助地饋入直流電源至直流匯流排11。
此外，整合式供電系統100透過使用充電電池達到具備不斷電的功能。具體地，當電網電源21以及所有的再生能源電源30皆無法有效地供電時，充電電池則提供緊急的備用電源以供應住家大樓的住戶使用交流負載與直流負載所需的電力。
如圖1所示，充電電池所提供的直流電源係可用以供應住家大樓的住戶直流負載使用。具體地，充電電池所輸出的直流電源經由電池轉換器103(即50瓩的雙向直流對直流轉換器)轉換，並且將轉換後的直流電源饋入直流匯流排11。然後，匯流排轉換器102(即10瓩的直流對直流轉換器)轉換直流匯流排11所提供的直流電源，並且將轉換後的直流電源供應住家大樓的住戶使用直流負載所需的電力。
此外，充電電池所提供的直流電源係可用以供應住家大樓的住戶交流負載使用。具體地，充電電池所輸出的直流電源經由電池轉換器103(即50瓩的雙向直流對直流轉換器)轉換，並且將轉換後的直流電源饋入直流匯流排11。 然後，電網轉換器101(即50瓩的雙向交流對直流轉換器)轉換直流匯流排11所提供的直流電源，並且將轉換後的交流電源傳送至設置於住家大樓外部的交流配電盤24。然後，從交流配電盤24輸出的交流電源經由充電盒28(wallbox，即25瓩的交流對直流轉換器)轉換成為直流電源，進而可對電動車充電，或者從交流配電盤24輸出的交流電源直接供應住家大樓的住戶使用交流負載所需的電力。
具體地，當直流匯流排11的匯流排電壓維持在800伏特時，控制器12控制轉換電網電源21所提供的直流電源和/或轉換再生能源電源30所提供的直流電源對充電電池進行充電，使充電電池維持充飽電(滿充)的狀態。由於再生能源電源30的發電成本比電網的發電成本相對較低，因此再生能源電源30比電網電源21具有較高優先地提供可用的直流電源對充電電池進行充電，從而降低發電成本、提高再生能源電源30的利用率以及提高整合式供電系統100的供電可靠度。然而，一旦再生能源電源30的發電量受限而無法提供足夠的電力時，則可透過轉換電網電源21所提供的直流電源對充電電池進行充電。舉例來說，當天氣條件惡劣，太陽能源或風力能源的發電量受到影響時，太陽能源或風力能源將無法輸出足夠的電力對充電電池進行充電。
此外，當直流匯流排11的匯流排電壓維持在800伏特，並且住家大樓的住戶抽離直流匯流排11的直流電源相對較少時，控制器12可控制直流匯流排11的直流電源對充電電池進行充電，以因應當意外或緊急狀況發生時，充電電池可以即時地、快速地啟動供電。換言之，充電電池可以盡可能地維持被充飽電的狀態，以作為緊急備用電源之用。
換言之，當住家大樓的住戶抽離直流匯流排11的直流電源相對較少、匯流排電壓仍能維持在800伏特，且充電電池尚未充飽電時，充電電池具有較高優先地可予以充電儲能。當住家大樓的住戶大量地抽載使用而導致直流匯流排11的匯流排電壓驟降時，在此情況下，控制器12則控制電網具有較高優先 地轉換其所提供的直流電源饋入直流匯流排11，進而大幅地、急速地拉高匯流排電壓回到800伏特。
透過如圖1所示的控制器區域網路(controller area network,CAN或CANbus)，控制器12可獲得即時(real-time)的電力資訊，例如電網電源21與再生能源電源30的發電量或者充電電池的電池容量，但不以此為限制。再者，控制器12能夠將所獲取的電力資訊透過無線的方式，例如Wi-Fi、ZigBee、藍牙(Bluetooth)…等等，或過有線的方式，例如乙太網路(Ethernet)，傳送至雲端能源管理系統(cloud-based energy management system,EMS)或者傳送至家用能源管理系統(Home EMS)29。此外，控制器12亦能夠將所獲取的電力資訊傳送至行動裝置，例如可攜式電子裝置或可穿戴式電子裝置，藉此可讓行動裝置的使用者透過應用程式(APP)直接在行動裝置上監看或獲知微電網系統10的電力資訊。此外，控制器12亦能夠將所獲取的電力資訊透過串列介面埠(serial interface port)，例如RS485、RS232或RS422傳送至外部的第三方主機系統31作為資訊交換或資訊監控。
再者，設置於住家大樓外部的交流配電盤24所輸出的交流電源可透過交流對直流轉換器，例如充電盒28(wallbox)或充電站(charging station)轉換為直流電源，進而對電動車充電。此外，用以對電動車充電的直流電源亦可透過設置於微電網系統10內的轉換器直接轉換後輸出以供應電動車充電之用。
在本發明中，提出了兩種微電網系統10的硬體架構。如圖5所示，其係為本發明微電網系統10的硬體架構之第一實施例(第一種架構)的方塊示意圖。如圖7所示，其係為本發明微電網系統10的硬體架構之第二實施例(第二種架構)的方塊示意圖。
第一種架構的微電網系統10較佳地係設置於長、寬、高分別為1000mm、620mm以及600mm的機櫃內，然不以此限制本發明。電網轉換器101(即 50瓩的雙向交流對直流轉換器)設置於機櫃(機架)內，且其可使用的空間可例如為長、寬、高分別為28in、17in以及3U的空間中，然不以此限制本發明。其中，”U”表示機櫃的高度單位，1U為1.75in(約44.45mm)，再者，所記載的機櫃尺寸非用來對本發明加以限制，合先敘明。此外，六個預設的空間以兩列(two-column)的排列方式設置，用以供複數個轉換器設置，例如太陽能源轉換器104、風力能源轉換器105、地熱能源轉換器106或其他的再生能源轉換器(如圖1所示)供再生能源電源30使用，以及電池轉換器103供充電電池使用。如圖5所示，四個2U高度的轉換器可分別供太陽能源、風力能源、地熱能源和/或充電電池使用。 在一實施例中，電池轉換器103為50瓩的雙向直流對直流轉換器，而其他供再生能源電源30使用的轉換器則為單向直流對直流轉換器。此外，在機櫃中的另外兩個預設的空間則保留給其他的再生能源電源30使用所需的轉換器設置空間。
再者，機櫃中更包含一個供匯流排轉換器102(即10瓩的直流對直流轉換器)設置的預設空間。另外，控制器12則可設置於機櫃中其他可利用的空間內。
在一實施例中，每一個直流對直流轉換器或者每一個交流對直流轉換器都可單獨地插拔操作，以供其更換或維設使用。此外，可選擇適當的電源轉換器裝設於機櫃中使用，以配合在有利的氣候條件下操作的再生能源電源30，可產生穩定且充足的發電量。
請參見圖6A與圖6B所示，其係分別為本發明微電網系統10的硬體架構之第一實施例的立體外觀圖與立體透視圖。第一種架構的微電網系統10所設置的機櫃的長、寬、高較佳地分別為1000mm、620mm以及600mm，然不以此限制本發明。
請參見圖6C所示，其係為本發明微電網系統10的硬體架構之第一實施例的另一立體透視圖。承前所述，每一個直流對直流轉換器或者每一個交 流對直流轉換器都可單獨地插拔操作，並安裝於機櫃的預設空間內。再者，圖6C所示的直流匯流排11包含有一個正極導電引腳與一個負極導電引腳。在本實施例中，控制器12安裝在機櫃的前門的內表面上，當前門關閉後，控制器12則被容置在機櫃內可利用的空間中。
請參見圖6D所示，其係為本發明微電網系統10的硬體架構之第一實施例的再另一立體透視圖。具體地，圖6D示出了機櫃的進氣口(air inlet)和出氣口(air outlet)，並且氣流的回流方向是從進氣口往出氣口的方向(即箭頭的方向)。在本實施例中，進氣口較遠離直流匯流排11，而出氣口則較靠近直流匯流排11。
第二種架構的微電網系統10較佳地係設置於長、寬、高分別為1000mm、620mm以及880mm的機櫃內，然不以此限制本發明。電網轉換器101(即50瓩的雙向交流對直流轉換器)設置於機櫃(機架)內，且其可使用的空間可例如為長、寬、高分別為28in、17in以及3U的空間中，然不以此限制本發明。其中，”U”表示機櫃的高度單位，1U為1.75in(約44.45mm)。此外，六個預設的空間以單列(one-column)垂直的排列方式設置，用以供複數個轉換器設置，例如太陽能源轉換器104、風力能源轉換器105、地熱能源轉換器106或其他的再生能源轉換器(如圖1所示)供再生能源電源30使用，以及電池轉換器103供充電電池使用。
值得一提，太陽能源轉換器104、風力能源轉換器105、地熱能源轉換器106或其他的再生能源轉換器的使用，可根據使用者因應實際需求或因應有利的氣候條件加以選用，使微電網系統10發揮最佳化效能。舉例來說，若使用者處於陽光充足、日照量大的地域，則可於微電網系統10中增加選用太陽能源轉換器104。同樣地，若使用者處於風量充足的地域，則可於微電網系統10中增加選用風力能源轉換器105。因此，配合圖1所示，微電網系統10中的控 制器12、電源轉換器101以及匯流排轉換器102為必要的，而太陽能源轉換器104、風力能源轉換器105、地熱能源轉換器106以及電池轉換器103則為可選用的。
如圖7所示，四個2U高度的轉換器可分別供太陽能源、風力能源、地熱能源和/或充電電池使用。在一實施例中，電池轉換器103為50瓩的雙向直流對直流轉換器，而其他供再生能源電源30使用的轉換器則為單向直流對直流轉換器。此外，在機櫃中的另外兩個預設的空間則保留給其他的再生能源電源30使用所需的轉換器設置空間。因此，第二種架構的機櫃(如圖7所示)的高度至少高於第一種架構的機櫃(如圖5所示)的高度至少6U。
再者，機櫃中更包含一個供匯流排轉換器102(即10瓩的直流對直流轉換器)設置的預設空間。另外，控制器12則可設置於機櫃中其他可利用的空間內。
在一實施例中，每一個直流對直流轉換器或者每一個交流對直流轉換器都可單獨地插拔操作，以供其更換或維設使用。此外，可選擇適當的電源轉換器裝設於機櫃中使用，以配合在有利的氣候條件下操作的再生能源電源30，可產生穩定且充足的發電量。
請參見圖8A與圖8B所示，其係分別為本發明微電網系統10的硬體架構之第二實施例的立體外觀圖與立體透視圖。第二種架構的微電網系統10所設置的機櫃的長、寬、高較佳地分別為1000mm、620mm以及880mm，然不以此限制本發明。
請參見圖8C所示，其係為本發明微電網系統10的硬體架構之第二實施例的另一立體透視圖。承前所述，每一個直流對直流轉換器或者每一個交流對直流轉換器都可單獨地插拔操作，並安裝於機櫃的預設空間內。再者，圖8C所示的直流匯流排11包含有一個正極導電引腳與一個負極導電引腳。在本實施 例中，控制器12安裝在機櫃的前門的內表面上，當前門關閉後，控制器12則被容置在機櫃內可利用的空間中。
請參見圖8D所示，其係為本發明微電網系統10的硬體架構之第二實施例的再另一立體透視圖。具體地，圖8D示出了機櫃的進氣口(air inlet)和出氣口(air outlet)，並且氣流的回流方向是從進氣口往出氣口的方向(即箭頭的方向)。在本實施例中，進氣口較遠離直流匯流排11，而出氣口則較靠近直流匯流排11。
此外，無論是第一種架構的機櫃或第二種架構的機櫃，電網轉換器101(即50瓩的雙向交流對直流轉換器)皆可設計為使用在高度為2U的空間，即由原本的3U高度減小為2U高度，故此可縮減(小型化)機櫃的尺寸。
在本發明中，微電網系統10可以應用於三相交流變壓器或單相交流變壓器。三相或單相交流變壓器係可安裝在交流配電盤24內部，用以轉換三相交流輸入電源或單相交流輸入電源。舉例來說，交流變壓器可為480伏特三相四線(480V,3P4W)，或者277伏特單相兩線(277V,1P2W)。
請參見圖9A所示，其係為本發明微電網系統10應用至三相交流變壓器的電路示意圖。配合參見圖1與圖2所示，在一實施例中，電網轉換器101(即50瓩的雙向交流對直流轉換器)透過三個輸入電感電性連接三相四線的交流變壓器。電網轉換器101提供一個三臂六開關的拓樸架構，並且所述三臂係分別對應連接在電網側的三相交流輸入電源的(R-S-T)三相。此外，每個開關可為600伏特的絕緣柵雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT)，然不以此為限制。再者，三臂六開關的拓樸架構可實現半橋三階的電源轉換操作。
請參見圖9B所示，其係為本發明微電網系統10應用至單相交流變壓器的電路示意圖。配合參見圖1所示，在一實施例中，電網轉換器101(即50瓩的雙向交流對直流轉換器)透過三個輸入電感電性連接單相兩線的交流變壓器。 其中，三個輸入電感的輸入端相互連接形成共接點，並且共接點再連接至在電網側的單相交流輸入電源的火線端(L)，而電網轉換器101的中性點則連接至單相交流輸入電源的中性線端(N)，藉此將電網轉換器101應用至單相交流輸入電源。 在這樣的電路架構下，電網轉換器101可在不需要改變其電路元件設計的情況下，不僅能夠透過三相四線的交流變壓器應用至三相交流電源，也能夠透過單相兩線的交流變壓器應用至單相交流電源。再者，電路元件的電壓額定和電流額定皆能夠滿足三相和單相交流輸入電源的要求。
如圖9A所示，三相四線交流變壓器其中一相的繞組可以用以形成輔助繞組。舉例來說，三相四線交流變壓器的T相繞組用以形成輔助繞組，因此透過T相繞組的匝數設計，可在輔助繞組的兩端之間可產生240伏特的交流電壓，換言之，可將277伏特的交流電壓轉換成跨壓在輔助繞組兩端的240伏特的交流電壓。因此，所產生的240伏特交流電壓可供應如圖1所示住家大樓的住戶的交流負載所需之電源。此外，所產生的240伏特交流電壓亦可透過輔助繞組的中心抽頭提供兩個相同電壓值(即120伏特)的交流電壓。
同樣地，如圖9B所示，對於單相兩線的交流變壓器而言，可透過其初級側繞組與次級側繞組之間的匝數比，將277伏特的交流電壓轉換成跨壓在次級側繞組兩端的240伏特的交流電壓。因此，所產生的240伏特交流電壓可供應如圖1所示住家大樓的住戶的交流負載所需之電源。此外，所產生的240伏特交流電壓亦可透過輔助繞組的中心抽頭提供兩個相同電壓值(即120伏特)的交流電壓。
綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：
1、可在不改變整合式供電系統的架構下，透過增加供電規模同樣可達到住家大樓的用電需求。
2、利用全黑啟動盒扮演電力啟動的重要角色，一旦電網電源故障或失效而無法供電時，全黑啟動盒則投入運行提供全黑啟動的機制。
3、每個家庭的牆上插座可直接提供安全的直流電壓，例如直流60伏特以下的安全直流電壓，符合安規標準的要求。
4、整合電網電源、再生能源電源以及充電電池的供電，可提高整合式供電系統的供電可靠度。
5、透過控制器依電網電源、再生能源電源以及充電電池饋入或抽離直流匯流排的優先順序，控制和調節直流匯流排的匯流排電壓。
6、以再生能源電源為高優先地提供直流電源饋入直流匯流排，可降低發電成本以及提高再生能源電源的利用率。
7、在供電穩定時，充電電池可優先被儲能，以維持充飽電的狀態；當意外或緊急狀況發生時，充電電池可即時啟動供電，作為緊急備用電源之用。
8、每一個直流對直流轉換器或者每一個交流對直流轉換器都可單獨地插拔操作，以供其更換或維設使用。
9、在不需要改變其電路元件設計的情況下，不僅能夠透過三相四線的交流變壓器應用至三相交流電源，也能夠透過單相兩線的交流變壓器應用至單相交流電源。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

Claims (20)

  1. 一種整合式供電系統包含：一電網電源；至少一再生能源電源；一可充電電池組；一直流匯流排；一雙向交流對直流轉換器，耦接該電網電源與該直流匯流排；至少一第一直流對直流轉換器，耦接該至少一再生能源電源與該直流匯流排；一雙向直流對直流轉換器，耦接該可充電電池組與該直流匯流排；及一控制器，控制饋入該直流匯流排的直流電源與從該直流匯流排抽離的直流電源，以維持該直流匯流排的一匯流排電壓固定為一系統電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之整合式供電系統，更包含：一第二直流對直流轉換器，耦接該直流匯流排與一直流負載，且轉換該匯流排電壓為一負載電壓以對該直流負載供電。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之整合式供電系統，其中該負載電壓小於或等於60伏特。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之整合式供電系統，其中該可充電電池組透過一電源路徑對該直流負載供電，其中該電源路徑包含該雙向直流對直流轉換器、該直流匯流排以及該第二直流對直流轉換器。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之整合式供電系統，其中該可充電電池組透過一電源路徑對一交流負載供電，其中該電源路徑包含該雙向直流對直流轉換器、該直流匯流排以及該雙向交流對直流轉換器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之整合式供電系統，其中當該匯流排電壓低於一第一臨界電壓時，該控制器優先控制該至少一第一直流對直流轉換器轉換該至少一再生能源電源為饋入該直流匯流排的直流電源，其中該第一臨界電壓低於該系統電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之整合式供電系統，其中當該匯流排電壓低於該第一臨界電壓時，該控制器次要優先控制該雙向直流對直流轉換器轉換該可充電電池組的輸出電源為饋入該直流匯流排的直流電源。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之整合式供電系統，其中當該匯流排電壓低於一第二臨界電壓時，該控制器控制該雙向交流對直流轉換器轉換該電網電源為饋入該直流匯流排的直流電源，其中該第二臨界電壓低於該第一臨界電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之整合式供電系統，其中該整合式供電系統容置於一機櫃內，且該雙向直流對直流轉換器與該至少一第一直流對直流轉換器以兩列的排列方式且為可插拔地設置於該機櫃內。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之整合式供電系統，其中該整合式供電系統容置於一機櫃內，且該雙向直流對直流轉換器與該至少一第一直流對直流轉換器以單列的排列方式且為可插拔地設置於該機櫃內。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之整合式供電系統，更包含：一交流變壓器，耦接該電網電源，且轉換該電網電源的電壓準位。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之整合式供電系統，其中該交流變壓器具有三角形連接的一初級側與星形連接的一次級側。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之整合式供電系統，其中該交流變壓器的該次級側三相耦接該雙向交流對直流轉換器。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之整合式供電系統，其中該交流變壓器的該次級側單相耦接該雙向交流對直流轉換器。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之整合式供電系統，其中該交流變壓器的該次級側的至少一繞組提供一輔助繞組，且該輔助繞組的電壓小於該至少一繞組的電壓。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之整合式供電系統，其中該雙向交流對直流轉換器提供一輸入共接端與一輸出中性點，該輸入共接端與該輸出中性點耦接該交流變壓器的該初級側的一相。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之整合式供電系統，其中該雙向交流對直流轉換器提供一輸入共接端與一輸出中性點，該輸入共接端與該輸出中性點耦接該交流變壓器的該初級側的一相。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之整合式供電系統，更包含：一雲端能源管理系統，無線或有線方式連接該控制器，且接收該控制器提供的即時電源資訊。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之整合式供電系統，其中該至少一再生能源電源為一太陽能電源、一風力能電源、一地熱能電源或一水力能電源。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之整合式供電系統，其中該整合式供電系統係用以對住家大樓的住戶或對電動車供電。
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