TWI711999B - 混合電力管理方法與混合電力管理系統 - Google Patents
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Abstract
一種混合電力管理方法，由一混合電力管理系統執行，該混合電力管理系統包含一再生發電裝置、多個儲能裝置，及一電力調控裝置，該混合電力管理方法為該電力調控裝置偵測該再生發電裝置於一時間區間內產生的多個再生功率而得到一功率趨勢資訊，並根據一目標併接點功率值、該功率趨勢資訊、每一儲能裝置的能量轉換損耗成本，及市電系統的時間電價進行運算產生一功率控制排程，該電力調控裝置根據該功率控制排程產生多個控制信號分別控制該等儲能裝置於多個不同時間點分別產生多個儲能功率。
Description
本發明是有關於一種預測目的的資料處理系統及方法，特別是指一種能源預測或最佳化的的混合電力管理方法及混合電力管理系統。
有鑑於再生能源在台灣的發電量佔比越來越高，將再生能源併入台灣現有電力系統(再生能源併網)而導致發電功率變化過大的問題也因此時常發生，例如：太陽能容易受到天氣影響而在短時間內使發電量劇烈波動，因而衍生出將再生能源輸出平滑化的相關技術。
現有主流技術例如為採用動態追蹤(Dynamic Rate Limiter,DRL)演算法控制儲能系統，將當前的再生能源與上一時段比較，若有超出設定門檻值的劇烈波動時，由儲能系統主動吸收或輸出電力，也就是充放電，以解決電力波動問題，另一種主流技
術則是規劃儲能系統的充/放電時程以達到賺取電費價差，即降低成本，與負載削峰二種目標，此外，成本問題還包含儲能系統的購置成本、損耗成本，及能量轉換成本。
然而，不論是何種技術方案，都只能達到單一目標，例如以第一種技術方案而言，只能將輸出電力平滑化，避免劇烈波動，卻無法同時降低成本及負載削峰，而第二種技術方案其儲能系統無法同時接收來自關於降低成本及負載削峰的指令，因而也無法同時實現該等目標，有鑑於此，現有的再生能源相關規劃技術有改善的必要。
因此，本發明的一目的，即在提供一種將輸出的再生能源平滑化、並同時達到負載削峰，及降低成本的混合電力管理方法。
於是，本發明混合電力管理方法，由一適用於電連接一市電系統的混合電力管理系統執行，該混合電力管理系統包含一電連接該市電系統的再生發電裝置、多個電連接該市電系統的儲能裝置，及一電連接該再生發電裝置與該等儲能裝置的電力調控裝置，該再生發電裝置用於產生一變動的再生功率，每一儲能裝置各自受控制以產生一儲能功率，當儲能功率為負時是充電，當儲能功率為正時是放電，該混合電力管理方法包含以下步驟：
(A)該電力調控裝置偵測該再生發電裝置於一時間區間內的多個不同時間點分別產生的多個再生功率，而得到一功率趨勢資訊。
(B)該電力調控裝置根據一目標併接點功率值、該功率趨勢資訊、每一儲能裝置的一能量轉換損耗成本，及一對應於該市電系統的時間電價，進行運算產生一具有多個功率控制值的功率控制排程，該等功率控制值分別對應該時間區間內的多個不同時間點，該市電時間電價具有多個分別對應該時間區間內的多個不同時間點的數值，該電力調控裝置還根據每一儲能裝置各自對應的一使用損耗成本進行運算以產生該功率控制排程。
(C)該電力調控裝置根據該功率控制排程產生多個控制信號分別控制該多個儲能裝置，每一儲能裝置根據所接收的控制信號於多個不同時間點分別產生多個儲能功率。
又，本發明的另一目的，即在提供一種將輸出的再生能源平滑化、並同時達到負載削峰，及降低成本的混合電力管理系統。
於是，本發明混合電力管理系統，適用於電連接一市電系統，該混合電力管理系統包含一再生發電裝置、多個儲能裝置，及一電力調控裝置。
該再生發電裝置電連接該市電系統，且用於產生一變動的再生功率。
每一儲能裝置電連接該市電系統，且各自受控制以產生一儲能功率，當儲能功率為負時是充電，當儲能功率為正時是放電
該電力調控裝置電連接該再生發電裝置與該等儲能裝置，以偵測該再生發電裝置於一時間區間內的多個不同時間點分別產生的多個再生功率，而得到一功率趨勢資訊。
該電力調控裝置根據一目標併接點功率值、該功率趨勢資訊、每一儲能裝置的一能量轉換損耗成本，及一對應於該市電系統的時間電價，進行運算產生一具有多個功率控制值的功率控制排程，該等功率控制值分別對應該時間區間內的多個不同時間點，該市電時間電價具有多個分別對應該時間區間內的多個不同時間點的數值，該電力調控裝置還根據每一儲能裝置各自對應的一使用損耗成本進行運算以產生該功率控制排程。
該電力調控裝置根據該功率控制排程產生多個控制信號分別控制該多個儲能裝置，每一儲能裝置根據所接收的控制信號於多個不同時間點分別產生的多個儲能功率。
本發明的功效在於：藉由該電力調控裝置預先依據該再生發電裝置在該時間區間內的多個再生功率計算出該功率趨勢資訊，再依據該功率趨勢資訊、預設的目標併接點功率值、儲能裝置能量轉換運作相關成本、市電系統供電的時間電價運算產生功率控制排程，進而產生控制儲能裝置充、放電的控制信號，以同時達到
穩定再生發電裝置及儲能裝置輸出功率、減少用電尖峰，及降低用電成本之目的。
1:市電系統
2:再生發電裝置
3:儲能裝置
31:變壓器
32:儲能電池
4:電力調控裝置
5:負載端
A:趨勢預測步驟
B:排程運算步驟
C:功率調控步驟
4:電力調控裝置
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明本發明混合電力管理系統的一實施例；圖2是一趨勢圖，說明該實施例執行一功率控制排程的結果；圖3是一流程圖，說明該實施例執行的一混合電力管理方法；圖4是一示意圖，輔助說明該混合電力管理方法的詳細步驟；圖5是一示意圖，輔助說明該實施例的一儲能裝置的能量轉換效率及輸出功率；圖6是一趨勢圖，說明該實施例的一時間電價的變化；圖7是一趨勢圖，說明該實施例對一再生發電裝置輸出的再生功率的調控結果；及圖8是一趨勢圖，說明該實施例的儲能裝置對應的充/放電變化。
本提案構想係配合與台電公司供電系統併接，採用系統
併接點(PCC：Point of Common Coupling)(或稱責任分界點)定功率技術共同供電置多個負載端(即用戶端)，本提案於每秒偵測太陽能發電量並持續控制對應的儲能裝置充/放電，使系統併接點的總功率(即太陽能輸出功率加儲能裝置輸出功率)維持於一固定值，並配合台電需量反應事件的高電價時段，在集中時段使系統併接點功率提高，也就是使儲能裝置在輸出功率平滑化的前提下在集中時段放電，此外，本提案採用的能源規劃最佳化排程的決策變數便是此系統併接點的功率，以下接著以一具體實施例詳細說明本提案技術內容。
參閱圖1，本發明混合電力管理系統的一實施例，適用於電連接一市電系統1，該混合電力管理系統包含一再生發電裝置2、多個儲能裝置3，及一電力調控裝置4，而該市電系統1為台電的供電系統，與本實施例二者相互配合輸出電力到一併電網(Grid)，再由併電網供電至多個負載端。
須先說明的是，本發明會每秒偵測太陽能發電量(也就是該再生發電裝置2的發電量)並持續控制儲裝置3充放電，目標為使系統併接點的總功率(意即太陽能與儲能裝置二者的發電功率)，維持於一固定值，也就是如圖2所述的定功率，避免該再生發電裝置2因例如氣候變動問題而使其發電量有劇烈變動，造成供電不穩定。
該再生發電裝置2電連接該市電系統1，且用於產生一變動的再生功率，具體而言，該再生發電裝置2的能量來源可例如為太陽能、風力、水力...等，在本實施例中，則是以接收太陽能做為具體實施態樣，而該再生發電裝置2產生的該再生功率則是依據太陽能變化趨勢而有所變動。
每一儲能裝置3電連接該市電系統1，且各自受控制以產生一儲能功率，當儲能功率為負時是充電，當儲能功率為正時是放電，而該等儲能裝置3具體可例如為鋰電池或釩液流電池，於實際應用中，該等儲能裝置3的使用搭配可為同一種類，但亦可混合使用，該等儲能裝置3的充/放電控制及種類搭配的更具體實施方式將詳述於後。
該電力調控裝置4具體為一具有工業電腦功能的伺服器，其電連接該再生發電裝置2與該等儲能裝置3，並用以偵測該再生發電裝置2發電的輸出功率，並依據該輸出功率的相關資訊及其他相關必要條件控制該等儲能裝置3進行充/放電。
參閱圖3、圖4，接著說明該實施例執行的一混合電力管理方法，包含一趨勢預測步驟(A)、一排程運算步驟(B)，及一功率調控步驟(C)。
該趨勢預測步驟(A)為該電力調控裝置4偵測該再生發電裝置2於一時間區間內的多個不同時間點分別產生的多個再生功
率，而得到一功率趨勢資訊，進一步說明，該電力調控裝置4依據該再生發電裝置2於例如前一日整天的發電量，即在該時間區間內的該等再生功率，進而估計次一日的再生能源發電趨勢，也就是前述的功率趨勢資訊，以進行後續的功率分配最佳化排程。
該排程運算步驟(B)為該電力調控裝置4根據一目標併接點功率值、該功率趨勢資訊、每一儲能裝置3對應的一能量轉換損耗成本、每一儲能裝置3各自對應的一使用損耗成本，及一對應於該市電系統1的時間電價，進行運算產生一具有多個功率控制值的功率控制排程，需再說明的是，該電力調控裝置4儲存一資料庫，該資料庫記錄該功率趨勢資訊、該等儲能裝置3對應的能量轉換損耗成本、使用損耗成本，及對應於該市電系統1的時間電價，以供該電力調控裝置4進行相關的運算。
詳言之，該目標併接點功率值即為前述的該固定值；每一能量轉換損耗成本相關於對應的儲能裝置3與該市電系統1之間的充/放電能量轉換效率，及對應的儲能裝置3在某一時間點的的儲能功率；每一使用損耗成本相關於對應的儲能裝置3的一購置金額、一殘餘電量、一可使用次數、一達該可使用次數時的殘餘電量、在該時間區間內對應於每一時間點的儲能功率，及一儲能容量、該時間電價具有多個分別對應該時間區間內的多個不同時間點的數值，亦即該市電系統1在每一時間點對負載端供電時對應的供電費
用；該等功率控制值分別對應該時間區間內的多個不同時間點。
此外，當其中一儲能裝置3的儲能功率為正值時，該儲能裝置3的該能量轉換損耗成本正相關於該儲能功率，且反比於該儲能裝置3進行放電的該能量轉換效率，當其中一儲能裝置3的儲能功率為負值時，該儲能裝置3的該能量轉換損耗成本正相關於該儲能功率，且負相關於該儲能裝置3進行放電的該能量轉換效率。
更詳細地說，該電力調控裝置產生的功率控制排程的運算公式為：
其中，(式一)為功率控制排程目標函式，(式二)~(式六)為(式一)的限制條件，各參數代表意義說明如下：i代
表其中一儲能裝置、N代表該等儲能裝置的總數量、TOU t 為各個時間點t的時間電價、P pcc,t 為各個時間點t的功率控制值、P pv,t 為該再生發電裝置於各時間點t產生的再生功率、C deg,i 為每一個儲能裝置對應的損耗成本、C eff,i 為每一第i個儲能裝置對應的能量轉換效率、cc i 為其中一儲能裝置的該購置金額、sv為其中一儲能裝置達該可使用次數時的殘餘電量、cl i 為其中一儲能裝置的該可使用次數、P ess,i,t 為第i個儲能裝置在時間點t產生的儲能功率、cap ess,i 為第i個儲能裝置的儲能容量、η i 為第i個儲能裝置的該能量轉換效率、
為再生發電裝置的儲能容量、δ re 為平滑化修正百分比限制、SOC i,t 為第i個儲能裝置在時間點t當下的電池電量。
需再說明的是，在本實施例中，針對目標函式(式一)及其限制條件(式二)~(式六)的最佳化求解方法為採用屬非線性規畫的內點法(interior point method)及有效集法(active-set method)，搭配程式軟體Matlab R2018b內建之toolbox進行求解。
最後該功率調控步驟(C)為該電力調控裝置4根據該功率控制排程產生多個控制信號以分別控制該等儲能裝置3，使每一儲能裝置3根據所接收的控制信號於多個不同時間點分別產生多個儲能功率。
當求得功率控制排程後，該電力調控裝置4再自該功率排
控制排程扣除該再生發電裝置2所產生的再生功率，以得到總儲能應充/放電的功率，並依此數據分配至各個儲能裝置3，以下接著再依據儲能裝置3種類相同或不同的搭配組合，列舉二例輔助說明該電力調控裝置4依據該等控制信號調控該等儲能裝置3的具體實施態樣，其中，為方便說明，各例的儲能裝置數量皆為二個。
例一：同類型儲能裝置(同為鋰電池，或同為釩液流電池)。
以同類型的儲能裝置而言，由於相關的損耗參數皆相同，當該電力調控裝置4根據該功率控制排程產生該等控制信號後，該電力調控裝置4只需再以每個儲能裝置3各自在時間點t當下的電池電量做為在時間點t的功率決策分配即可，此外，由於充電時還需考慮儲能裝置可供充電的剩餘容量，因此是考慮State of Charge(SOC)，若要放電則要考慮State of Discharge(SOD)，二者相加為一，例如電量剩40%，則SOC為0.4，SOD則為0.6。
其功率分配相關的數學式如下列：SOD i,t =1-SOC i,t (式七)
假設在時間點t的功率控制值為10kW，再生發電裝置於
時間點t產生的再生功率為8kW，則儲能裝置在時間點t產生的儲能功率為10kW-8kW=2kW，代表該電力調控裝置4須控制每一儲能裝置放電2kW，假設其中一儲能裝置的儲能容量為10kWh，其在時間點t當下的電池電量剩30%，最低放電限制，也就是電池放電最低下限為10%，因此離最低放電限制還有20%；另一儲能裝置的儲能容量為40kWh，其在時間點t當下的電池電量剩60%，且最低放電限制為10%，因此離最低放電限制還有50%，則每一儲能裝置在時間點t產生的儲能功率放電量2kW乘上該儲能裝置本身的放電潛力並除以該儲能裝置與另一儲能裝置的總放電潛力，更具體地說，放電潛力的定義為在時間點t時，其剩餘可放電量，也就是儲能容量×(時間點t當下的電池電量(%)-最低放電限制(%))，因此，在本例中，該二個儲能裝置在時間點t產生的儲能功率具體分別為：2kW×
；及2kW×
例二：不同類型儲能裝置(鋰電池搭配釩液流電池)
以不同類型的儲能裝置而言，需考慮儲能裝置對應的損耗成本及能量轉換效率，且不同類型的儲能裝置的損耗參數並不相同，故應以儲能裝置之間的損耗比較做為功率調控依據，配合參閱圖5，定義儲能裝置3包括一變壓器31與一儲能電池32，當市電輸出功率為10kW，變壓器31對能量轉換效率為90%，則儲能電池32
可獲得9Kw的充電量；當儲能電池32輸出功率為11.1kW，變壓器31對能量轉換效率為90%，則儲能電池32的放電量約10kW。
接著繼續說明例二的具體應用，假設在時間點t的功率控制值為10kW，再生發電裝置於時間點t產生的再生功率為8kW，則儲能裝置在時間點t產生的儲能功率為10kW-8kW=2kW，代表該電力調控裝置4須控制儲能裝置放電2kW，假設其中一儲能裝置(鋰電池)的儲能容量為10kWh，其在時間點t當下的電池電量剩50%，其購置金額為40000NTD，另一儲能裝置(釩液流電池)的儲能容量為40kWh，其在時間點t當下的電池電量剩50%，其購置金額為45000NTD，則可先以(式二)及(式三)計算二個儲能裝置其對應的損耗成本與能量轉換效率對應的損耗金額進行加總，再將於時間點t的儲能功率完全分配給損耗成本較低的其中一儲能裝置，如有低於其最低放電限制，將剩餘的儲能功率分配給另一儲能裝置。
參閱圖6，為單日從時間0時~23時台電供電對應的時間電價的趨勢圖，從圖6可知，0時~約7時為低電價時段，約7時後~約22時為高電價時段，配合參閱圖7，藉由本實施例調控儲能裝置充放電，可明確得知確實可將原本再生發電裝置所產生有劇烈變動的功率平滑化，此外，本實施例還可應用於多儲能系統上，除了同類型儲能系統可藉電池殘餘電量為分配功率之判斷，混合類型儲能系統亦可藉不同類型儲能的充放電損耗金額為判斷分配功率，配合
參閱圖8，為儲能裝置受控於電力調控裝置依據功率控制排程控制充/放電對應的趨勢圖，亦即配合台電或供電端的需量反應事件，當需要使用者降低用電量，此時便會進行排程使儲能裝置於該時段全力放電，其中，功率為負值時為充電，功率為正值時為放電。
綜上所述，藉由該電力調控裝置依據該該再生發電裝置先前的輸出功率歷史記錄得到對應的功率趨勢資訊，並配合預定的目標併接點功率值、時間電價、儲能裝置對應的能量轉換損耗成本，及儲能裝置的使用損耗成本據以運算產生功率控制排程，再根據功率控制排程對應的控制信號控制每一儲能裝置充/放電，確實可在低電價時段控制儲能裝置充電，並於高電價時段控制儲能裝置放電，同時達到將再生發電裝置輸出功率平滑化、負載削峰，及節省成本的目的，故確實達成本發明的創作目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:市電系統
2:再生發電裝置
3:儲能裝置
4:電力調控裝置
5:負載端
Claims (8)
- 一種混合電力管理方法，由一適用於電連接一市電系統的混合電力管理系統執行，該混合電力管理系統包含一電連接該市電系統的再生發電裝置、多個電連接該市電系統的儲能裝置，及一電連接該再生發電裝置與該等儲能裝置的電力調控裝置，該再生發電裝置用於產生一變動的再生功率，每一儲能裝置各自受控制以產生一儲能功率，當儲能功率為負時是充電，當儲能功率為正時是放電，該混合電力管理方法包含：(A)該電力調控裝置偵測該再生發電裝置於一時間區間內的多個不同時間點分別產生的多個再生功率，而得到一功率趨勢資訊；(B)該電力調控裝置根據一目標併接點功率值、該功率趨勢資訊、每一儲能裝置的一能量轉換損耗成本，及一對應於該市電系統的時間電價，進行運算產生一具有多個功率控制值的功率控制排程，該等功率控制值分別對應該時間區間內的多個不同時間點，該時間電價具有多個分別對應該時間區間內的多個不同時間點的數值，該電力調控裝置還根據每一儲能裝置各自對應的一使用損耗成本進行運算以產生該功率控制排程；及(C)該電力調控裝置根據該功率控制排程產生多個控制信號分別控制該等儲能裝置，每一儲能裝置根據所接收的控制信號於多個不同時間點分別產生多個儲能功率。
- 如請求項1所述的混合電力管理方法，其中，每一使用損 耗成本相關於對應的儲能裝置的一購置金額、一殘餘電量、一可使用次數、一達該可使用次數時的殘餘電量、在該時間區間內對應於每一時間點的儲能功率，及一儲能容量。
- 如請求項2所述的混合電力管理方法，其中，在該步驟(B)中，當其中一儲能裝置的儲能功率為正值時，該儲能裝置的該能量轉換損耗成本正相關於該儲能功率，且反比於該儲能裝置將該儲能功率釋放至該市電系統的一轉換效率，當其中一儲能裝置的儲能功率為負值時，該儲能裝置的該能量轉換損耗成本正相關於該儲能功率，且負相關於該儲能裝置將該儲能功率釋放至該市電系統的該轉換效率。
- 如請求項1所述的混合電力管理方法，其中，在該步驟(B)中，該功率控制排程的運算公式為：
- 一種混合電力管理系統，適用於電連接一市電系統，該混合電力管理系統包含： 一再生發電裝置，電連接該市電系統，且用於產生一變動的再生功率；多個儲能裝置，每一儲能裝置電連接該市電系統，且各自受控制以產生一儲能功率，當儲能功率為負時是充電，當儲能功率為正時是放電；及一電力調控裝置，電連接該再生發電裝置與該等儲能裝置，以偵測該再生發電裝置於一時間區間內的多個不同時間點分別產生的多個再生功率，而得到一功率趨勢資訊，該電力調控裝置根據一目標併接點功率值、該功率趨勢資訊、每一儲能裝置的一能量轉換損耗成本，及一對應於該市電系統的時間電價，進行運算產生一具有多個功率控制值的功率控制排程，該等功率控制值分別對應該時間區間內的多個不同時間點，該時間電價具有多個分別對應該時間區間內的多個不同時間點的數值，該電力調控裝置還根據每一儲能裝置各自對應的一使用損耗成本進行運算以產生該功率控制排程，該電力調控裝置根據該功率控制排程產生多個控制信號分別控制該等儲能裝置，每一儲能裝置根據所接收的控制信號於多個不同時間點分別產生的多個儲能功率。
- 如請求項5所述的混合電力管理系統，其中，每一使用損耗成本相關於對應的儲能裝置的一購置金額、一殘餘電量、一可使用次數、一達該可使用次數時的殘餘電量、在該時間區間內對應於每一時間點的儲能功率，及一儲能容 量。
- 如請求項6所述的混合電力管理系統，其中，當其中一儲能裝置的儲能功率為正值時，該儲能裝置的該能量轉換損耗成本正相關於該儲能功率，且反比於該儲能裝置將該儲能功率釋放至該市電系統的一轉換效率，當其中一儲能裝置的儲能功率為負值時，該儲能裝置的該能量轉換損耗成本正相關於該儲能功率，且負相關於該儲能裝置將該儲能功率釋放至該市電系統的該轉換效率。
- 如請求項5所述的混合電力管理系統，其中，該功率控制排程的運算公式為：
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