TWI829573B - 功率轉換系統 - Google Patents

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Abstract

一種功率轉換系統，其微控制單元根據荷電狀態信號得到充電電池的目前已充電比例，並依據電壓電流計所偵測到的電壓及電流，得到功率轉換系統的對外輸出功率。當微控制單元偵測到發生市電離網時，微控制單元依據對外輸出功率及充電電池的目前已充電比例，調整功率轉換系統所輸出的交流電的頻率，以使交流電的頻率於不少於三個不同頻率之間切換。充電電池的目前已充電比例越高，交流電的頻率被切換至越低的頻率。

Description

功率轉換系統
本發明係有關於一種功率轉換系統(Power conversion system；PCS)，尤指一種可依據充電電池的已充電比例調整其輸出的交流電頻率之功率轉換系統。
功率轉換系統(Power conversion system；PCS)是一種雙向的電力轉換逆變器，可用於併網(on-grid)和離網(off-grid)的電能儲存應用。如何有效地操作功率轉換系統，一直是本技術領域的一項重要課題。
本發明的功率轉換系統中包含交流電電源埠、直流電電源埠、電壓電流計以及微控制單元。直流電電源埠耦接於充電電池。電壓電流計耦接於交流電電源埠，用以偵測功率轉換系統從交流電電源埠所輸出的電壓及電流。微控制單元用以控制功率轉換系統的操作，並從充電電池接收荷電狀態信號。其中微控制單元根據荷電狀態信號而得知充電電池的目前已充電比例，並依據電壓電流計所偵測到的電壓及電流，進而計算出功率轉換系統的對外輸出功率。當微控制單元偵測到發生市電離網時，微控制單元則執行下述步驟：當判斷出充電電池的目前已充電比例大於第一預設比例時，將功率轉換系統從交流電電 源埠所輸出的交流電的頻率調整至第一頻率，以使耦接於交流電電源埠的太陽光電變流器停止輸出電能；當判斷出充電電池的目前已充電比例小於第一預設比例且大於第二預設比例，且對外輸出功率的負值大於第一預設功率時，將交流電電源埠所輸出的交流電的頻率調升第一預設值；以及當判斷出充電電池的目前已充電比例小於第三預設比例時，將交流電電源埠所輸出的交流電的頻率調降第二預設值。
10:市電
12:市電連接埠
14:交流電電源埠
16:直流電電源埠
20:直流轉換器
22:電源逆變器
30:電壓電流計
40:微控制單元
50:太陽光電變流器
60:負載
70:充電電池
80:太陽能板
100:功率轉換系統
F:頻率
F_min:最小頻率
F_normal:一般頻率
F_Start:啟始頻率
F_Stop:停止頻率
F_Trip:截止頻率
Ia:電流
P_Inv:對外輸出功率
Va:電壓
Vb,Vd:直流電壓
SOC:荷電狀態信號
S200至S212:步驟
第1圖是本發明一實施例之功率轉換系統與所耦接的市電、負載、充電電池、太陽光電變流器及太陽能板之功能方塊圖。
第2圖是第1圖之太陽光電變流器的對外輸出功率比值與功率轉換系統所輸出的交流電的頻率之間的關係圖。
第3A圖和第3B圖是第1圖之微控制單元控制功率轉換系統的流程圖。
第1圖是本發明一實施例之功率轉換系統(Power conversion system；PCS)100與所耦接的市電10、負載60、充電電池70、太陽光電變流器(Photovoltaic inverter；PV inverter)50及太陽能板80之功能方塊圖。太陽光電變流器50用以將太陽能板80所產生的直流電轉換成交流電，並將轉換後的交流電饋入負載60及/或功率轉換系統100。
功率轉換系統100包含市電連接埠12、交流電電源埠14、直流電電源埠16、電壓電流計30以及微控制單元(microcontroller unit；MCU)40。功率轉 換系統100可通過市電連接埠12連接於市電10，並從市電10接收電力。直流電電源埠16耦接於充電電池70，而功率轉換系統100可透過直流電電源埠16對充電電池70進行充電或從充電電池70接收電力。電壓電流計30耦接於交流電電源埠14，用以偵測功率轉換系統100從交流電電源埠14所輸出的電壓Va及電流Ia。其中，電壓Va及電流Ia分別為交流電電壓及交流電電流。微控制單元40用以控制功率轉換系統100的操作，並從充電電池70接收荷電狀態信號SOC。微控制單元40可根據荷電狀態信號SOC得到充電電池70的目前已充電比例，並依據電壓電流計30所偵測到的電壓Va及電流Ia，得到功率轉換系統100的對外輸出功率P_Inv。當對外輸出功率P_Inv為正時，表示功率轉換系統100透過交流電電源埠14對外輸出電能；而當對外輸出功率P_Inv為負時，表示功率轉換系統100透過交流電電源埠14從外部接收電能。
功率轉換系統100還可包含直流轉換器20以及電源逆變器22。直流轉換器20用以將充電電池70所輸出的直流電壓Vb轉換成數值不同的直流電壓Vd，而電源逆變器22則是用以將直流電壓Vd轉換成交流電形式的電壓Va。
當微控制單元40偵測到發生市電離網(off-grid)時(例如：市電連接埠12與市電10之間的連接被切斷或市電10發生斷電時)，微控制單元40會調整功率轉換系統100從交流電電源埠14所輸出的交流電的頻率F，進而控制功率轉換系統100所輸出的對外輸出功率P_Inv。請參考第2圖，第2圖是第1圖之太陽光電變流器50的對外輸出功率比值與功率轉換系統100所輸出的交流電的頻率F之間的關係圖。第2圖的橫軸表示功率轉換系統100從交流電電源埠14所輸出的交流電的頻率F，而第2圖的縱軸表示太陽光電變流器50的對外輸出功率比值。第2圖的縱軸標示100之處表示太陽光電變流器50以最大值(即100%)進行輸出，而 而縱軸標示0之處表示太陽光電變流器50停止輸出。此外，當頻率F介於F_Start和F_Stop之間時，對外輸出功率比值與頻率F呈現線性的反向關係，亦即此時的對外輸出功率比值越大，則交流電的頻率F會越低。其中，F_min<F_normal<F_Start<F_Stop，而F_min表示功率轉換系統100所輸出的交流電之頻率F的最小值，F_normal為功率轉換系統100一般正常操作的頻率，F_Start所對應的對外輸出功率比值等於100%，而F_Stop所對應的對外輸出功率比值等於0%。其中，F_min可簡稱為「最小頻率」，F_normal可簡稱為「一般頻率」，F_Start可簡稱為「啟始頻率」，而F_Stop可簡稱為「停止頻率」。啟始頻率F_Start例如是60赫茲(Hz)，而停止頻率F_Stop例如是60.5赫茲(Hz)。此外，另有一截止頻率F_trip，用以強制太陽光電變流器50停止輸出電能，而使功率轉換系統100進入過頻保護(F_Trip例如是60.6赫茲(Hz)。由於交流電的頻率F一旦到達F_Trip以上，太陽光電變流器50就會停止輸出電能，故頻率F_trip可稱為「截止頻率」)。
第3A圖和第3B圖是第1圖之微控制單元40控制功率轉換系統100的流程圖。當微控制單元40偵測到發生市電離網(off-grid)時(例如：市電連接埠12與市電10之間的連接被切斷或市電10發生斷電時)或重新連線併網饋電時，微控制單元40會執行第3A圖和第3B圖的流程，此流程包含下述步驟：步驟S200：微控制單元40判斷功率轉換系統100是否重新連網？其中，當轉換系統100重新連上市電10或太陽光電變流器50開始供電時，即表示功率轉換系統100重新連網。當微控制單元40判斷出功率轉換系統100並未重新連網時，執行步驟S201；反之，則執行步驟S210；步驟S201：微控制單元40根據荷電狀態信號SOC判斷充電電池70的目前已充電比例是否大於預設比例S2？其中，預設比例S2可介於20%至90%，而當微控制單元40判斷出充電電池70的目前已充電比例大於預設比例S2時，執 行步驟S202；反之，則執行步驟S203；步驟S202：微控制單元40將功率轉換系統100從交流電電源埠14所輸出的交流電的頻率F提高至(F_Trip+Max_Step)，以使耦接於交流電電源埠14的太陽光電變流器50停止輸出電能，而進入過頻保護。其中，F_Trip例如是62赫茲(Hz)，而Max_step例如是0.3赫茲。更進一步地說，一旦交流電的頻率F到達F_Trip以上，太陽光電變流器50就會停止輸出電能，頻率F_Trip可稱為「截止頻率」。因此，當交流電的頻率F等於(F_Trip+Max_step)時，則可更加確保太陽光電變流器50會停止輸出電能；此外，Max_Step可以等於((F_Stop-F_Start)/2)，而F_Trip大於F_Stop；當微控制單元40執行完步驟S202後，即回到步驟S200；步驟S203：微控制單元40根據荷電狀態信號SOC判斷充電電池70的目前已充電比例是否大於預設比例S3？其中，預設比例S3小於預設比例S2，並可介於15%至85%。當微控制單元40判斷出充電電池70的目前已充電比例大於預設比例S3時，執行步驟S204；反之，則執行步驟S207；步驟S204：微控制單元40判斷對外輸出功率P_Inv的負值(即：-P_Inv)是否大於預設功率P2？其中，當對外輸出功率P_Inv的負值為正時，即表示功率轉換系統100從外部接收電力，而預設功率P2例如是1000瓦，但並不以此為限。當微控制單元40並未判斷出對外輸出功率P_Inv的負值大於預設功率P2時，執行步驟S205；而當微控制單元40判斷出對外輸出功率P_Inv的負值大於預設功率P2時，執行步驟S209；步驟S205：微控制單元40判斷對外輸出功率P_Inv是否小於預設功率P1？其中，預設功率P1小於預設功率P2，而預設功率P1例如是500瓦，但並不以此為限。當判斷出對外輸出功率P_Inv小於預設功率P1時，執行步驟S206；反之，則回到步驟S201；步驟S206：微控制單元40將頻率F調升一預設值Min_Step(即： F=F+Min_Step)，並回到步驟S201；其中，預設值Min_Step可以等於((F_Stop-F_Start)/8)，而頻率F在此步驟中最高被調高至F_Stop，亦即頻率F在此步驟中的最大值F_Max為F_Stop。步驟S206的作用在於：當充電電池70的目前已充電比例大於預設比例S3，且對外輸出功率P_Inv小於預設功率P1時，藉由調升頻率F，而降低太陽光電變流器50的輸出功率；步驟S207：微控制單元40根據荷電狀態信號SOC判斷充電電池70的目前已充電比例是否小於預設比例S1？其中，預設比例S1小於預設比例S2及S3，並可介於10%至80%，而當微控制單元40判斷出充電電池70的目前已充電比例小於預設比例S1時，執行步驟S208；反之，則回到步驟S201；步驟S208：微控制單元40將頻率F調降一預設值Min_Step(即：F=F-Min_Step)，並回到步驟S201；其中，頻率F在此步驟中最低被調至F_Start，亦即頻率F在此步驟中的最小值F_Min為F_Start。步驟S208的作用在於：當充電電池70的目前已充電比例小於預設比例S1時，藉由調降頻率F，而調升太陽光電變流器50的輸出功率；步驟S209：微控制單元40將頻率F調升一預設值Mid_Step(即：F=F+Mid_Step)，並回到步驟S201；其中，預設值Mid_Step可以等於((F_Stop-F_Start)/4)，而頻率F在此步驟中最高被調至F_Stop，亦即頻率F在此步驟中的最大值F_Max為F_Stop。步驟S209的作用在於：當充電電池70的目前已充電比例大於預設比例S3，且功率轉換系統100從外部所接收電力大於預設功率P2時，藉由調升頻率F，而降低太陽光電變流器50的輸出功率；步驟S210：微控制單元40根據荷電狀態信號SOC判斷充電電池70的目前已充電比例是否小於預設比例S1？若微控制單元40判斷充電電池70的目前已充電比例並未小於預設比例S1時，則執行步驟S211；反之，則執行步驟S212；步驟S211：微控制單元40將頻率F設定為截止頻率F_Trip，以使太陽 光電變流器50停止輸出電能，而進入過頻保護，並回到步驟S210；以及步驟S212：微控制單元40將頻率F調整至(F_Stop-Min_Step)，並回到步驟S200。
當太陽光電變流器50偵測到電壓或頻率超出正常工作範圍會啟動保護(例如：過壓、欠壓、過頻、欠頻、孤島運轉(Islanding)...等情況)，進而不再輸出功率饋網，此時微控制單元40會判斷太陽光電變流器50是否跳脫，以依據狀態來調控功率轉換系統100的交流輸出頻率F，進而決定太陽光電變流器50是否可再重新連線併網饋電。若太陽光電變流器50偵測市電端的電壓與頻率符合正常的工作範圍時，則會判定可重新連網饋電的條件成立，而太陽光電變流器50計數特定秒數(例如：併網法規規範的300秒)後就會饋網輸出。
在本發明中，當頻率F介於F_Start和F_Stop之間時，對外輸出功率比值與頻率F呈現線性的反向關係，如第2圖所示。故相較於一般兩段式(即：太陽光電變流器以全輸出(100%)或無輸出(0%)的方式輸出)之控制方式，微控制單元40可以以更多段式的方式來調整太陽光電變流器50的輸出功率，而避免因太陽光電變流器瞬間地全輸出(100%)或無輸出(0%)而造成供電系統的不穩定。
此外，根據第2圖以及上述的步驟S203至S208可知，當微控制單元40偵測到發生市電離網(off-grid)時，微控制單元40會限制交流電電源埠14所輸出的交流電的頻率F在介於F_Start和F_Stop之間的預設範圍內，而在此預設範圍內，太陽光電變流器50的輸出功率與交流電的頻率F呈負相關。
本發明的微控制單元40偵測到發生市電離網時則會讓功率轉換系統 100輸出交流電頻率F，進而誘導太陽光電變流器50不進入孤島(Islanding)保護而能發電饋網，其能量可供給負載60與功率轉換系統100，微控制單元40會根據充電電池70的目前已充電比例，及對外輸出功率P_Inv的正負大小來動態調整功率轉換系統100所輸出的交流電的頻率F，因此，功率轉換系統100之整體的電力潮流可得到有效率的調控。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
F_min:最小頻率
F_normal:一般頻率
F_Start:啟始頻率
F_Stop:停止頻率
F_Trip:截止頻率

Claims (6)

  1. 一種功率轉換系統(Power conversion system；PCS)，包含：一交流電電源埠；一直流電電源埠，耦接於一充電電池；一電壓電流計，耦接於該交流電電源埠，用以偵測該功率轉換系統(PCS)從該交流電電源埠所輸出的電壓及電流；一微控制單元(microcontroller unit；MCU)，用以控制該功率轉換系統(PCS)的操作，並從該充電電池接收一荷電狀態(state of charge；SOC)信號；其中該微控制單元根據該荷電狀態信號得到該充電電池的目前已充電比例，並依據該電壓電流計所偵測到的該電壓及該電流，得到該功率轉換系統的對外輸出功率；以及其中當該微控制單元偵測到發生市電離網(off-grid)時，該微控制單元執行下述步驟：當判斷出該充電電池的目前已充電比例大於一第一預設比例時，將該功率轉換系統從該交流電電源埠所輸出的一交流電的頻率調整至一第一頻率，以使耦接於該交流電電源埠的一太陽光電變流器停止輸出電能；當判斷出該充電電池的目前已充電比例小於該第一預設比例且大於一第二預設比例，且該對外輸出功率的負值大於一第一預設功率時，將該交流電電源埠所輸出的該交流電的頻率調升一第一預設值；以及當判斷出該充電電池的目前已充電比例小於一第三預設比例時，將該交流電電源埠所輸出的該交流電的頻率調降一第二預設值。
  2. 如請求項1所述的功率轉換系統，其中當判斷出該充電電池的目前已充電比例小於該第一預設比例且大於該第二預設比例，該對外輸出功率的負值未大於該第一預設功率，且該對外輸出功率小於該第二預設功率時，將該交流電電源埠所輸出的該交流電的頻率調升一第三預設值。
  3. 如請求項2所述的功率轉換系統，其中當該第二預設值等於該第三預設值。
  4. 如請求項1所述的功率轉換系統，其中當該微控制單元偵測到發生市電離網時，若判斷出該對外輸出功率的負值未大於該第一預設功率，則該微控制單元限制該交流電電源埠所輸出的該交流電的頻率在一預設範圍內。
  5. 如請求項4所述的功率轉換系統，其中當該交流電電源埠所輸出的該交流電的頻率在該預設範圍內時，該太陽光電變流器的輸出功率與該交流電的頻率呈負相關。
  6. 如請求項1所述的功率轉換系統，其中該第一預設比例大於該第二預設比例，而該第二預設比例大於該第三預設比例。
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