TWM579410U - 智慧電網系統及其電源轉換裝置 - Google Patents

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顧振維
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Abstract

一種智慧電網系統及其電源轉換裝置，電源轉換裝置包括微控制單元、電壓量測單元、通訊單元以及電源轉換單元；其中，電壓量測單元耦接微控制單元；通訊單元耦接微控制單元、電流偵測端口以及通訊端口；電源轉換單元耦接直流輸入端口以及交流輸出端口。

Description

智慧電網系統及其電源轉換裝置
本創作係有關一種電網系統及其電源轉換裝置，尤指一種智慧電網系統及其電源轉換裝置。
一般而言，在現有技術之智慧電網的基礎設施中，電力公司需要在每個居家用戶或商業及工業用戶中安裝特定裝置以傳輸電錶資料，以取代傳統藉由人力統計數據的成本。
然而，智慧電網仍有許多待改善之目標，例如確保穩定供電、提升配電安全與效能最為重要之議題。隨著智慧型電表基礎建設的普及，智慧型電表之類的介面穩定性的需求也越來越高。尤其是現有技術的智慧電網對於電氣資訊(例如：電壓、電流以及功率等)資訊的需求與應用，至少需要有監控系統、電力轉換裝置以及量測裝置這三個獨立分開運作的部分，使所述智慧電網的運作達到彼此之間完善的協調與所有功能的整合。對於在佈建智慧電網的時候，由於具有裝置的數量較多，需要配置複雜的周邊線路，不僅造成安裝裝置的成本、維護裝置的人力與時間成本難以降低，更有可能因為密集的線路配置而提高電磁干擾的機率，進而造成傳輸功率的耗損。
為此，如何設計出一種電源轉換裝置以及包括所述電源轉換裝置的智慧電網系統，來解決前述的技術問題，乃為本案創作人所研究的重要課題。
本創作之主要目的在於提供一種電源轉換裝置，通過將相似功能的電路整合，能夠解決前述一般智慧電網至少需要三個獨立部分所帶來的技術問題，以達到節省人力與時間、簡化周邊線路、降低電磁干擾以及降低硬體成本之目的。
為了達到前述目的，本創作所提出的一種電源轉換裝置，包括：殼體，配置有電流偵測端口、通訊端口、直流輸入端口以及交流輸出端口；微控制單元，容置於殼體內；電壓量測單元，容置於殼體內，且耦接微控制單元；通訊單元，容置於殼體內，且耦接微控制單元、電流偵測端口以及通訊端口；以及電源轉換單元，容置於殼體內，且耦接直流輸入端口與交流輸出端口。
在使用本創作所述電源轉換裝置時，殼體配置有可以連通內外的電流偵測端口、通訊端口、直流輸入端口以及交流輸出端口，電壓量測單元可以通過與微控制單元耦接而進行電壓量測；所述電源轉換裝置開始運作時，通訊單元可分別通過通訊端口以及電流偵測端口接收管理訊號以及電流量測訊號；電源轉換單元可通過直流輸入端口與交流輸出端口將直流電轉換為交流電，或更包括變壓功能。為此，本創作所述的電源轉換裝置由於包括前述四個端口以及所述電源處理單元，而能夠實現在具有一個殼體的單體之下，同時擁有電力監控功能、電力轉換功能以及電力量 測功能，通過將相似功能的電路整合，能夠解決前述一般智慧電網至少需要三個獨立部分所帶來的技術問題，以達到節省人力與時間、簡化周邊線路、降低電磁干擾以及降低硬體成本之目的。
本創作之另一目的在於提供一種智慧電網系統，通過包括如前所述之該電源轉換裝置，以達到節省人力與時間、簡化周邊線路、降低電磁干擾以及降低硬體成本之目的，並且實現智慧電網之電力資訊的掌握、整合與管理。
為了達到前述目的，本創作所提出的一種智慧電網系統，應用於一負載，該智慧電網系統包括：至少一電源轉換裝置，各電源轉換裝置係如前所述之電源轉換裝置，且電源轉換裝置通過交流輸出端口耦接負載；至少一直流電源，各直流電源耦接直流輸入端口；交流電網，耦接交流輸出端口；以及電流量測單元，耦接交流電網與電流偵測端口；其中，電流量測單元量測流經交流電網的總電流，且提供電流量測值至電流偵測端口。
1、1’‧‧‧電源轉換裝置
2‧‧‧電源轉換裝置
10‧‧‧殼體
11‧‧‧電流偵測端口
12‧‧‧通訊端口
13‧‧‧直流輸入端口
14‧‧‧交流輸出端口
20‧‧‧微控制單元
30‧‧‧電壓量測單元
40‧‧‧通訊單元
50‧‧‧電源轉換單元
51‧‧‧直流轉換器
52‧‧‧逆變器
60‧‧‧負載
71、73‧‧‧再生電源
72、74‧‧‧二次電池
80‧‧‧電流量測單元
90‧‧‧交流電網
100‧‧‧管理中心
201、202‧‧‧監控單元
圖1為本創作電源轉換裝置之第一實施例的架構示意圖；圖2為本創作電源轉換裝置之第二實施例的架構示意圖；圖3為本創作電源轉換裝置之第一實施例或第二實施例配置於智慧電網系統的一實施例示意圖；圖4為本創作電源轉換裝置之第一實施例或第二實施例配置於智慧電網系統的另一實施例示意圖； 圖5為本創作電源轉換裝置之第三實施例的架構示意圖；圖6為本創作電源轉換裝置之第三實施例配置於智慧電網系統的一實施例示意圖；以及圖7為本創作電源轉換裝置之第三實施例配置於智慧電網系統的另一實施例示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本創作之其他優點及功效。本創作亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本創作說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小、元件數量等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技術之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本創作可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本創作所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本創作所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參閱圖1至圖3所示，其中，圖1為本創作電源轉換裝置之第一實施例的架構示意圖；圖2為本創作電源轉換裝置之第二實施例的 架構示意圖；圖3為本創作電源轉換裝置之第一實施例或第二實施例配置於智慧電網系統的一實施例示意圖。
請參閱圖1所示，本創作的電源轉換裝置之第一實施例係為電源轉換裝置1，包括：殼體10、微控制單元20、電壓量測單元30、通訊單元40、以及電源轉換單元50。
其中，殼體10配置有電流偵測端口11、通訊端口12、直流輸入端口13以及交流輸出端口14。電流偵測端口11用以接收外部所量測到的電流量測值。微控制單元20容置於殼體10內，可以是微控制器(Micro Control Unit,MCU)、微處理器(Micro Processor Unit,MPU)、特殊應用積體電路(Application-specific integrated circuit,ASIC)或系統單晶片(System on a Chip,SoC)的其中一者。電壓量測單元30容置於殼體10內，且耦接微控制單元20，其作用在於量測電源轉換裝置1內部需要量測的電壓，在本創作一個較佳實施例中，電壓量測單元30為分壓電阻構成的量測電路。通訊單元40容置於殼體10內，且耦接微控制單元20、電流偵測端口11以及通訊端口12。在本創作之所述第一實施例中，通訊單元40可通過無線(wireless)形式或有線(wired)形式對外通訊連結，例如通訊連接管理中心100，其中管理中心100可為民營或國營的電力公司或電力事業機構。以有線通訊較佳實施方式說明，通訊單元40可經由RS-485或CAN bus等傳輸方式，先傳輸到外部電腦或任何網路設備，如此電腦或網路設備便可以將資訊傳送至管理中心100，然不以此為限制本創作。
電源轉換單元50容置於殼體10內，且耦接直流輸入端口13與交流輸出端口14。電源轉換單元50自直流輸入端口13接收直流電源， 且自交流輸出端口14輸出交流電。進一步而言，電源轉換單元50通過直流輸入端口13耦接的直流電源可包括再生電源71、二次電池72或其它可提供直流電源的裝置。
以再生電源71搭配二次電池72為例說明。再生電源71可以作為對電源轉換單元50供電，二次電池72可作為備用電源，嗣特殊狀況供電之需求，例如再生電源71無法正常供電或不足以提供完備電力時，可透過簡單切換裝置(圖中未示)由二次電池72將電能通過直流輸入端口13輸入至電源轉換裝置1，對電源轉換裝置1提供備援供電，然而也可以不使用二次電池72，這是可根據需求所配置的。繼而，所述再生電源71可以是太陽能、風力、水力、地熱、潮汐等環保再生能源所轉換產生的再生電源。二次電池72可以為鋰電池、鎳氫電池等可重複充放電使用的二次電池72。特別一提，直流輸入端口13並不限定為僅能接受單一直流電源，亦可接收多個直流電源，只需要將電源轉換單元50進行相應的並聯設計。以再生電源為太陽能板為例，可以將不同太陽能板或太陽能板串分別輸入直流輸入端口13，只需將電源轉換單元50進行部分或全部的並聯設計即可，這是本領域人員常規設計，在此不多敘述，僅說明直流輸入端口13不限定僅接收單一輸入電源。在本創作的電源轉換裝置之第一實施例中，電源轉換單元50可包括串聯耦接的直流轉換器51(DC-to-DC converter)，例如作為升壓之用的直流轉換器以及逆變器52(DC-to-AC converter)，用以將直流轉換器51所輸出的直流電源轉換為交流電源，在某些應用也可以省略直流轉換器51，直接通過逆變器52將直流電源轉換為交流電源。此外，電源轉換裝置1更包含斷路器(圖中未示)，用以確認電源轉換裝置1可 正常輸出轉換後的交流電壓時，才將斷路器導通投入，使輸出的交流電源併入交流電網90。
請參閱圖2所示，本創作的電源轉換裝置之第二實施例係為電源轉換裝置1’。第二實施例與前述第一實施例的電源轉換裝置1實質上相同，差異僅在於更包括監控單元201。監控單元201容置於殼體10內，且耦接微控制單元20與通訊單元40。監控單元201用以進行資料處理或暫存，且通過通訊端口12與殼體10外的管理中心100形成通訊連結，達到監控單元201與管理中心100之間的電力資訊通訊。所述通訊連結是無線形式連結或有線形式連結。
請參閱圖3所示，為本創作電源轉換裝置之第一實施例或第二實施例配置於智慧電網系統的一實施例示意圖，由於前述第一實施例與前述第二實施例的差異僅在於殼體10內的配置，故在圖3中僅以第一實施例的電源轉換裝置1為例說明。一併參閱圖1及圖3如下述，當所述單一個電源轉換裝置1配置於智慧電網系統中時，電源轉換裝置1通過交流輸出端口14耦接負載60，所述負載60可用以表示一般家用負載或任何接受交流電源的負載。交流電網90耦接交流輸出端口14。電流量測單元80耦接交流電網90與電源轉換裝置1的電流偵測端口11之間。在本實施例中，電流量測單元80可為比流器(Current Transformer,CT)或霍爾感測器(Hall Sensor)，用以量測流經交流電網90的總電流，且將大的線路總電流轉換為適合電源轉換裝置1接收與處理的較小訊號，進而通過電流偵測端口11輸入至電源轉換裝置1。此外，電流量測單元80可不限制裝設在用以量測流經交流電網90的總電流之位置。是以，根據電流量測單元80所裝設的 位置不同，其所量測到的電流不同，即藉由偵測不同電路節點的電流，電源轉換裝置10計算所得功率的資訊可以應用於不同需求。
其中，在功率資訊的運算配置中，電流量測單元80量測流經交流電網90的總電流，且提供電流量測值(圖中未示)至電流偵測端口11，使通訊單元40通過電流偵測端口11接收電流量測值。由於交流電網90通過交流輸出端口14耦接電源轉換裝置1，因此，電壓量測單元30所直接量測逆變器52輸出的交流電源的電壓值，幾乎可視為是量測到交流電網90的交流電壓。電壓量測單元30將量測到的電壓量測值傳送至微控制單元20。繼而，微控制單元20再將所接收到的電壓量測值傳送至通訊單元40。此時，通訊單元40根據所接收到的電流量測值與電壓量測值，對其進行乘法運算以得到功率資訊。最後，通訊單元40將計算所得到的功率資訊(亦可包含電流與電壓資訊)通過通訊端口12以無線或有線的通訊方式傳送至管理中心100，供管理中心100進行電力調度或電力管理之依據，實現智慧電網之電力資訊的掌握、整合與管理。此處再次說明，傳送至管理中心100不一定為直接傳送到電力事業機構等管理中心，也可以透過一些中繼網路設備，只要最後能將資訊傳送到管理中心100即可。
然上述功率資訊的計算，不以上述為限制，亦可將通訊單元40所接收到的電流量測至傳送至微控制單元20，微控制單元20再將所接收到的電流量測值與電壓量測值，對其進行乘法運算以得到功率資訊。最後，微控制單元20將計算所得到的功率資訊(亦可包含電流與電壓資訊)傳送至通訊單元40，再通過通訊端口12以無線或有線的通訊方式傳送至管理中心100，供管理中心100進行電力調度或電力管理之依據，實現智慧 電網之電力資訊的掌握、整合與管理。值得一提，電流量測單元80提供電流量測值至電流偵測端口11，因為電流量測單元80設置於殼體10外部之電路節點，所以操作人員有機率會經由中間線材和電流偵測端口11接觸到殼體10內部電壓，因此需要較大安全距離。於本創作較佳實施例，通訊單元40較微控制單元20更接近殼體10，這樣可以縮小需要較大安全距離的範圍，以更節省空間。此外，電流偵測端口11、通訊端口12、直流輸入端口13以及交流輸出端口14優選的配置於殼體10的同一側，可以達到集中配線的目的。
請參閱圖4所示，為本創作電源轉換裝置之第一實施例或第二實施例配置於智慧電網系統的另一實施例示意圖，由於前述第一實施例與前述第二實施例的差異僅在於殼體10內的配置，故在圖4中僅以第一實施例的電源轉換裝置1為例。一併參閱圖1及圖4如下述，當大功率系統配置時，有時必須同時並聯耦接多個電源轉換裝置(如圖4所示意的兩個電源轉換裝置：電源轉換裝置1以及電源轉換裝置2，然而本創作所述智慧電網系統之電源轉換裝置的個數不以上述兩個為限制，所述電源轉換裝置2、再生電源73以及二次電池74與前述電源轉換裝置1、再生電源71以及二次電池72實質上相同，且電源轉換裝置1以及電源轉換裝置2接耦接管理中心100。藉由電流量測單元80的設置位置，電源轉換裝置2無須如同電源轉換裝置1執行電壓量測、電流量測以及功率計算的運作。
請參閱圖5所示，為本創作電源轉換裝置之第三實施例的架構示意圖。第三實施例與前述第一實施例的電源轉換裝置1實質上相同，惟通訊單元40通過通訊端口12與殼體10外的監控單元201形成通訊連 結，且監控單元201與殼體10外的管理中心100形成通訊連結。所述通訊連結是無線形式連結或有線形式連結。
參閱圖6所示，為本創作電源轉換裝置之第三實施例配置於智慧電網系統的一實施例示意圖。其與前述圖3中本創作電源轉換裝置之第一實施例或第二實施例配置於智慧電網系統的實施例實質上相同，惟電源轉換裝置1是通過耦接監控單元201而耦接至管理中心100。
參閱圖7所示，為本創作電源轉換裝置之第三實施例配置於智慧電網系統的另一實施例示意圖。其與前述圖4中本創作電源轉換裝置之第一實施例或第二實施例配置於智慧電網系統的實施例實質上相同(如圖7所示意的兩個電源轉換裝置：電源轉換裝置1以及電源轉換裝置2，然而本創作所述智慧電網系統之電源轉換裝置的個數不以上述兩個為限制，惟電源轉換裝置1是通過無線或有線的方式通訊連結監控單元201，並且進一步地通過無線或有線的方式通訊連結管理中心100，同樣地，電源轉換裝置2是通過無線或有線的方式通訊連結監控單元202，並且進一步地通過無線或有線的方式通訊連結管理中心100。進一步而言，監控單元202與監控單元201實質上相同，均用以進行資料處理或暫存。
在使用本創作所述電源轉換裝置時，殼體10配置有可以內外通訊的電流偵測端口11、通訊端口12、直流輸入端口13以及交流輸出端口14，電壓量測單元30可以量測逆變器52輸出的交流電源的電壓值，且將所量測得到的電壓值傳送至微控制單元20。所述電源轉換裝置開始運作時，通訊單元40可分別通過通訊端口12以及電流偵測端口11接收管理訊號(圖中未示)以及電流量測訊號(如前述的電流量測值)。因此，微控制 單元20或通訊單元40可根據所接收到的電流量測值與電壓量測值計算得而功率資訊。電源轉換單元50可通過直流輸入端口13與交流輸出端口14將所接收的直流電轉換為交流電(如前述的逆變器52)。為此，本創作所述的電源轉換裝置由於包括前述該四個端口以及所述電源處理單元，而能夠實現在具有一個殼體10的單體之下，同時擁有電力監控功能、電力轉換功能以及電力量測功能，通過將共有電路整合，能夠解決前述一般智慧電網至少需要三個獨立部分所帶來的技術問題，以達到節省人力與時間、簡化周邊線路、降低電磁干擾以及降低硬體成本之目的，並且實現智慧電網之電力資訊的掌握、整合與管理。
以上僅為本創作較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本創作之特徵並不侷限於此，並非用以限制本創作，本創作之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本創作申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本創作之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本創作之領域內，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 (16)

  1. 一種電源轉換裝置，包括：一殼體，配置有一電流偵測端口、一通訊端口、一直流輸入端口以及一交流輸出端口；一微控制單元，容置於該殼體內；一電壓量測單元，容置於該殼體內，且耦接該微控制單元；一通訊單元，容置於該殼體內，且耦接該微控制單元、該電流偵測端口以及該通訊端口；以及一電源轉換單元，容置於該殼體內，且耦接該直流輸入端口與該交流輸出端口。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，更包括：一監控單元，容置於該殼體內，且耦接該微控制單元與該通訊單元。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源轉換裝置，其中，該監控單元通過該通訊端口與該殼體外的一管理中心形成通訊連結。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中，該通訊單元通過該通訊端口與該殼體外的一監控單元形成通訊連結。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源轉換裝置，其中，該監控單元與該殼體外的一管理中心形成通訊連結。
  6. 如申請專利範圍第3項至第5項中任一項所述之電源轉換裝置，其中，所述通訊連結是無線形式連結或有線形式連結。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中，該通訊單元較該微控制單元更接近該殼體。
  8. 一種智慧電網系統，應用於一負載，該智慧電網系統包括：至少一電源轉換裝置，各該電源轉換裝置係如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之該電源轉換裝置，且該電源轉換裝置通過該交流輸出端口耦接該負載；至少一直流電源，各該直流電源耦接該直流輸入端口；一交流電網，耦接該交流輸出端口；以及一電流量測單元，耦接該交流電網與該電流偵測端口；其中，該電流量測單元量測流經該交流電網的一總電流，且提供一電流量測值至該電流偵測端口。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之智慧電網系統，其中，該電壓量測單元量測該交流電網的一輸出電壓，且提供一電壓量測值至該微控制單元。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之智慧電網系統，其中，該通訊單元接收該電流量測值，且將該電流量測值傳送至該微控制單元。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之智慧電網系統，其中，該微控制單元根據該電壓量測值與該電流量測值得到一功率資訊。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之智慧電網系統，其中，該電壓量測單元量測該交流電網的一輸出電壓，且提供一電壓量測值通過該微控制單元傳送至該通訊單元。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之智慧電網系統，其中，該通訊單元接收該電流量測值。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之智慧電網系統，其中，該通訊單元根據該電壓量測值與該電流量測值得到一功率資訊。
  15. 如申請專利範圍第11項或第14項所述之智慧電網系統，其中，該電源轉換裝置通過該通訊端口將該功率資訊傳送至該管理中心。
  16. 如申請專利範圍第8項所述之智慧電網系統，其中，該至少一電源轉換裝置的數量為多個時，該些電源轉換裝置並聯耦接且對該負載供電。
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