TW201803241A - 分散模組式併網轉換裝置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一種分散模組式併網轉換裝置供與電網電性連接，用以提供交流電力予電網，其包含有一電池模組、一功率轉換模組以及一電源管理模組。該電池模組用以輸出一直流電力；該功率轉換模組包含有至少二變流器，該些變流器之間並聯連接，該功率轉換模組用以接收該電池模組所輸出的直流電力並轉換為一交流電力輸出，且所輸出之該交流電力係供應予電網；該電源管理模組係依據電網的負載用電量，對各該變流器進行功率調控，以輸出相應於該負載用電量的交流電力。
Description
本發明係與燃料電池之轉換裝置有關；特別是指一種分散模組式併網轉換裝置及其控制方法。
由於全球氣候變遷對人類帶來警訊，各種綠色能源科技快速發展，例如太陽能、風能以及氫能等發電技術均有顯著突破。特別是燃料電池，燃料電池可將化學能連續地直接轉換成電能，具有低汙染、低噪音、免充電、高效率、壽命長、適用範圍廣以及可以分散式供電等諸多優點，除了可應用於太空計劃，也可應用於民生發電、交通載具、軍事、可攜式電源以及電子產品等方面。
習用燃料電池發電系統為多級串接式電力轉換架構，通常搭配備載電池(Back-up Battery)使用，系統包含有一升壓轉換器以及一直流/交流變流器，其中升壓轉換器用以將低壓輸入轉換至直流高壓準位，而位於後端之直流/交流變流器用以將直流高壓轉換成交流電，以供家用負載使用。
然而，習用多級式電力轉換的控制器必須分別獨立設計，分別對直流鏈電壓以及交流輸出作控制，具有複雜、高成本以及系統可靠度降低的缺點；另一方面，其能量傳送的過程經過多次高頻電力轉換，轉換效率較差；再加上習用燃料電池的變流器產品為高壓啟動規格，不適用各式低壓輸出型之燃料電池。是以，為提升能源的使用效能以及降低能源生產過程所造成的汙染，如何提高應用有燃料電池之發電系統的轉換效率，實在是當前發展綠色能源的過程中，所必須面對的課題。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種分散模組式併網轉換裝置，具有高效率電能轉換、大量模組化、擴充運用靈活、且適用於各式標準的低壓輸出型燃料電池等特性。
緣以達成上述目的，本發明提供的一種分散模組式併網轉換裝置供與一電網電性連接，用以提供交流電力予該電網，該分散模組式併網轉換裝置包括有一電池模組，用以輸出一直流電力；一功率轉換模組，與該電池模組以及該電網電性連接，該功率轉換模組包含有至少二變流器，該些變流器之間並聯連接，該功率轉換模組用以接收該電池模組所輸出的直流電力並轉換為一交流電力輸出，且所輸出之該交流電力係供應予該電網；一電源管理模組，與該電池模組以及該功率轉換模組電性連接，該電源管理模組係依據該電網的負載用電量，對各該變流器進行功率調控，以輸出相應於該負載用電量的交流電力。
本發明另提供一種分散模組式併網轉換裝置的控制方法，其包含有以下步驟：A、偵測該電網的負載用電量；B、依據步驟A所偵測之負載用電量，作以下其中一個步驟：B1、該電網的負載用電量大於一第一閥值時，該電源管理模組對至少二該變流器發出啟動訊號，以使至少二該變流器進行運作；B2、該電網的負載用電量小於一第二閥值時，該電源管理模組對至少一該變流器發出關閉訊號，以使至少一該變流器停止運作。
本發明之效果在於該分散模組式併網轉換裝置可直接將電池模組之電力傳送至市電網以省去蓄電池組成本，且該分散模組式併網轉換裝置採用返馳式變流器，可以滿足燃料電池寬廣輸入電壓範圍的要求，使其適用於各式標準的低壓輸出型燃料電池；該分散模組式併網轉換裝置採用控制器區域網路匯流排，能大幅縮減各模組間連接時之電線的使用量，也相對的減少許多線路上的接點，有效提升該分散模組式併網轉換裝置之可靠度；而並聯之結構設計使擴充與應用更靈活，方便對綠色能源發電規模的調整，且當單一變流器故障時，可針對該故障變流器進行故障排除與檢修，不須將全系統停止運轉。
為能更清楚地說明本發明，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖１所示，為本發明一較佳實施例之分散模組式併網轉換裝置100，其用以供與一電網10電性連接並可提供交流電力予該電網10。更詳而言之，該電網10係用以提供用電的輸電網路，其可以是家庭型微電網、社區型電網及城市型電網等不同規模大小的電網種類，而於本實施例中，該電網10茲以市電（城市型電網）為例，但於其他實際實施上並不以此為限。
該分散模組式併網轉換裝置100包含有一電池模組20、一功率轉換模組30以及一電源管理模組40。
該電池模組20用以輸出一直流電力，於本實施例中係選用直流電型式之燃料電池系統作為該電池模組20，且其啟動電壓為15V。另外由於燃料電池本身之電氣特性，其輸出為低壓時電流大，且電壓會隨著輸出電流而變化，意即，當該電池模組20供予負載之電流越大時，該電池模組20之電壓將越低。
請參圖２以及圖３所示，該功率轉換模組30與該電池模組20以及該電網10電性連接，用以接收該電池模組20所輸出的直流電力並轉換為一交流電力輸出供應予該電網10。於本實施例中，該功率轉換模組30包含有多個變流器32、多個整流電路34以及多個濾波電路36，該些濾波電路36設置於該電網10前，本實施例中，該些濾波電路36採用LC濾波電路。各該變流器32與相對應之各該整流電路34電性連接，各該整流電路34與相對應之各該濾波電路36電性連接，且該些變流器32之間並聯連接，而各該變流器32係選用單級返馳式變流器之設計，且各該變流器32電路為多向分流設計，而該些整流電路34則採用低頻全橋整形開關；其中，該變流器32具有一一次側322(即本發明所界定的直流側)與一二次側324(即本發明所界定的交流側)，該一次側322耦接該電池模組20，該二次側324耦接該整流電路34。該功率轉換模組30之設計目的，在於該電池模組20所選用之燃料電池是經由化學反應而產生能量，其暫態響應較長，若所供電之負載瞬間抽取大電流時，該電池模組20將發生輸出電壓驟降的情況，而會造成電路的導通損失遽增以及轉換效率降低的情況發生，進而導致該電池模組20整體發電性能下降之情況，據此，透過各該變流器32電路為多向分流之設計，該電池模組20之電流得以平均經過各該變流器32，使電路導通損失降低，同時抑制高頻電流漣波，有效地降低電路高頻損失，且該電池模組20之功率控制響應亦得到提昇。
值得一提的是，該些變流器32於本實施例中採用單級返馳式變流器並同時導入準諧振切換技術，將可實現模擬直流鏈操作原理之效果，使達到高效率電能轉換，返馳式轉換電路之電壓增益為可升降壓特性，可使其適用於各式標準的低壓輸出型(15V~80V)燃料電池。另外，該準諧振切換技術之電路架構包含有至少一主開關元件(圖未示)、至少一主開關寄生電容(圖未示)以及一漏感(圖未示)，該主開關元件、該主開關寄生電容以及該漏感皆位於該一次側322。透過準諧振切換技術並利用該漏感與該主開關寄生電容產生共振，將可降低該一次側322之該主開關元件之應力，使該主開關元件達到零電壓柔性切換，並且可大幅降低該二次側324之逆向回復電流損失，使該功率轉換模組30的各該變流器32都能達到高轉換效率。
此外，各該整流電路34採用低頻全橋整形開關之設計，便可將半正弦波電流整形成正弦波電流，而連接於該電網10前的各該濾波電路36，則可以濾除高頻雜訊，藉以使輸出至該電網10之波形較為平滑，而可達到減少失真以及諧波之效果。當該變流器32與市電電壓頻率達到同步時，便可經由交流電壓/電流之回授得知市電電壓以及各該變流器32輸出電流，提供該電源管理模組40判斷是否適合進行能量饋入市電作業。除此之外，於本實施例中，該功率轉換模組30更包含有二薄膜電容38，各該薄膜電容38分別耦接於一該變流器32與一該整流電路34之間，用以對各該變流器32所輸出的半弦波電壓進行濾波並輸出予各該整流電路34。如此一來，該功率轉換模組30之電路運作是於該二次側324之各該薄膜電容38上以模擬直流鏈操作原理來形成半正弦波波形電壓，故不需額外的高壓電解電容，此特點使該些變流器32具有長壽命之優勢。
請參圖４，該電源管理模組40與該電池模組20以及該功率轉換模組30電性連接，於本實施例中，該電源管理模組40包含有一控制器42、一顯示器44、一輸入器46以及一輔助電源48。其中，該輸入器46用以供使用者輸入該電源管理模組40之各種狀態的資訊，透過該顯示器44顯示該電源管理模組40之各種狀態的資訊；該輔助電源48用以提供該電源管理模組40所需之電力；該控制器42用以偵測該電網10的負載用電量，並依據負載用電量對各該變流器32輸出控制訊號。較佳者，於一實施例當中，該電源管理模組40係可透過一控制器區域網路匯流排（CAN-BUS）以對各該變流器32下達對應的控制訊號，例如：該電源管理模組40係可透過變頻式脈波寬度調變控制訊號，以個別地對各該變流器32進行功率調控，以輸出相應於負載用電量的交流電力。
該控制器42持續監控各該變流器32，並對該些變流器32做故障檢測，除此之外，該控制器42更可與一家庭能源管理系統50(HEMS)進行通訊，該家庭能源管理系統50用以發出即時調度命令，並透過該顯示器44告之使用者系統狀態或透過通訊告知該控制器42，以實現即時處理與提高系統可靠度。
舉例而言，當每台變流器32之供應瓦數可達300瓦，當該電網10的負載用電量大於一第一閥值(本實施例中設定為1000瓦)時，則需啟動相對較多台之該變流器32，此時，該電源管理模組40便會向對應之各該變流器32發出啟動訊號，以使其中四台該變流器32進行運作，以供應足夠之用電量給該電網10的負載使用；另外，當該電網10的負載用電量小於一第二閥值(本實施例中設定為500瓦)時，則僅需要啟動一部分的變流器32，此時，該電源管理模組40便會向對應之各該變流器32發出關閉訊號，以使部分的該變流器32停止運作，而僅保留其中兩台持續運作，即可提供足夠的電量供該電網10使用。
如此一來，透過因應負載用電量大小來控制啟動相應數量的該些變流器32作動的方式，可進而達到節約能源之效果。
另外，於本實施例中，各該變流器32與該電源管理模組40係透過一控制器區域網路匯流排60（CAN-BUS）進行雙向資訊(例如燃料電池的電壓/電流、電網之電壓/電流等)傳輸，採用該控制器區域網路匯流排60之好處，在於能大幅縮減電線的使用量，相對的，也減少線路上之接點，進而可減少布線成本並可增加線路穩定度。除此之外，當任一該變流器32有壞損的情況發生時，該家庭能源管理系統50更可透過該控制器區域網路匯流排60回報給該電源管理模組40以進行檢修，而後便可進一步控制該功率轉換模組30關閉異常的該變流器32以進行降載操作模式，此創新方式改善了習用變流器系統故障就必須停機的問題、有效地減少客戶端的發電損失。另外，該控制器區域網路匯流排60更具有穩定、有效通訊距離長、容錯以及抗干擾之能力，而可提升該分散模組式併網轉換裝置100之泛用性。
請配合圖５所示，於該分散模組式併網轉換裝置100啟動後，作為運作中樞的電源管理模組40將啟動，並檢測其與家庭能源管理系統50之間是否有發生連線逾時的情況，其中，若是，則表示系統發生故障或異常，此時該電源管理模組40便控制該些變流器停止供電；若否，則表示電源管理模組40與家庭能源管理系統50運作正常；接者，便可透過CAN-BUS收集所有變流器32的資訊（例如：變流器的故障資訊、實際發電量、命令與回授量等資訊），藉以獲悉各該變流器當前的工作狀態等資訊；接著，更新家庭能源管理系統20所回傳之負載用電量以及能量轉換指令，藉以供該電源管理模組40依據該負載用電量以及能量轉換指令對各該變流器發布控制訊號，其中，較佳者，於對各該變流器發布控制訊號之前係可執行一自我檢驗程序藉以標記出可投入併電網發電的變流器編號及/或標記出無法工作的變流器編號。
請參圖６所示，所述的自我檢驗程序的一實施態樣，首先，設定有一變數N，並將該變數N初始化為0，以及清除所有變流器上的標記（或稱狀態標籤），接著，進入一檢驗迴圈，以每次N遞增加1的順序，檢驗變流器第N號機是否發生異常，若該變流器第N號機為屬於正常可供作狀態，則標記該變流器第N號機為可投入併網發電的變流器，直到所有變流器皆已完成檢驗，亦即，直到變數N已遞增至大於最大變流器數量為止，以結束自我檢驗的程序。其中，透過該自我檢驗程序，便可檢驗出各該變流器（例如變流器第1~N號機）的狀態是否正常。
接著，復參圖５所示，於執行完自我檢驗程序後，即根據是否執行該能量轉換指令作後續的步驟，若否，便控制所有變流器停止供電；若是，則進一步判斷負載用電量是否大於已標記（係指可正常工作之標記）的總變流器的發電量，其中，若是，則控制所有已標記的變流器滿載公電；若否，則根據負載用電量的多寡，分配適當數量的變流器投入併網發電即可，藉以達到因應負載用電量大小來控制啟動相應數量的變流器作動，進而達到節約能源之效果。
值得一提的是，基於上述架構，可採用MK64FN1M0VLL12數位訊號處理器(DSP)作為該電源管理模組40的控制器42，並透過CAN-BUS來調控燃料電池之輸出電流，而可使該一次側322的電流波形追隨一整流後弦波電流命令，而後利用全橋開關電路進行半正弦波低頻切換，進一步將該二次側324的電流依正負半週經LC濾波電路注入該電網10。另外，在該變流器32控制韌體實現上，則可採用TMS320F28335(內含有A/D轉換器、計數器、PWM輸出等功能模組)配合週邊感測電路設計進行韌體演算，藉以減少硬體電路的複雜度。此外，本實施例所開發的該電源管理模組40及其通訊介面49，則可採用RS-232/RS-485通信標準以實現該家庭能源管理系統50與該電源管理模組40之間的遠程通信，並可藉由上述設計達到調控燃料電池輸出功率與併網電流的效果。值得說明的是，該電源管理模組40之電力來源是經由該輔助電源48(AC/DC)提供三組隔離的五伏特，該電源管理模組40亦可透過該輸入器46(本實施例中採用KEYPAD)輸入系統狀態之資訊並將系統狀態之資訊顯示於該顯示器44(本實施例中採用LCD)或回傳至該家庭能源管理系統50。另外，於一實施例當中，上述之通訊介面49亦可同樣採用CAN-BUS或其他通信標準，而不以上述說明為限。
綜上所述，本發明之該分散模組式併網轉換裝置100可直接將該電池模組20之電力傳送至市電網以省去蓄電池組成本，且該分散模組式併網轉換裝置100採用返馳式變流器，返馳式變流器的電路之電壓增益為可升降壓特性，可以使其適用於各式標準的低壓輸出型燃料電池，因此具有市場通用性；該分散模組式併網轉換裝置100採用該控制器區域網路匯流排60，能大幅縮減各該變流器32間連接時之電線的使用量，也相對的減少許多線路上的接點，有效提升該分散模組式併網轉換裝置100之可靠度；而該些變流器32並聯之結構設計使擴充與應用更靈活，方便對綠色能源發電規模的調整，且當單一該變流器32故障時，可針對該故障變流器32進行故障排除與檢修，不需將全系統停止運轉，有效地減少客戶端的發電損失。如此一來，本發明改善了習用應用綠色能源時轉換效率不彰的問題，並成功地提升綠色能源的轉換效率，進而提高了人們對於綠色能源的使用意願。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
［本發明］
100‧‧‧分散模組式併網轉換裝置
10‧‧‧電網
20‧‧‧電池模組
30‧‧‧功率轉換模組
32‧‧‧變流器
322‧‧‧一次側
324‧‧‧二次側
34‧‧‧整流電路
36‧‧‧濾波電路
38‧‧‧薄膜電容
40‧‧‧電源管理模組
42‧‧‧控制器
44‧‧‧顯示器
46‧‧‧輸入器
48‧‧‧輔助電源
49‧‧‧通訊介面
50‧‧‧家庭能源管理系統
60‧‧‧控制器區域網路匯流排
100‧‧‧分散模組式併網轉換裝置
10‧‧‧電網
20‧‧‧電池模組
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322‧‧‧一次側
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34‧‧‧整流電路
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38‧‧‧薄膜電容
40‧‧‧電源管理模組
42‧‧‧控制器
44‧‧‧顯示器
46‧‧‧輸入器
48‧‧‧輔助電源
49‧‧‧通訊介面
50‧‧‧家庭能源管理系統
60‧‧‧控制器區域網路匯流排
圖１為本發明一較佳實施例之分散模組式併網轉換裝置的電路架構示意圖。 圖２為上述較佳實施例之分散模組式併網轉換裝置的單一變流器之電路圖。 圖３為上述較佳實施例之分散模組式併網轉換裝置的單一變流器之電路工作波形圖。 圖４為上述較佳實施例之分散模組式併網轉換裝置的電源管理模組之電路架構示意圖。 圖５為上述較佳實施例之分散模組式併網轉換裝置的流程圖。 圖６為上述較佳實施例之分散模組式併網轉換裝置的自我檢驗程序的流程圖。
100‧‧‧分散模組式併網轉換裝置
10‧‧‧電網
20‧‧‧電池模組
30‧‧‧功率轉換模組
32‧‧‧變流器
40‧‧‧電源管理模組
50‧‧‧家庭能源管理系統
60‧‧‧控制器區域網路匯流排
Claims (11)
- 一種分散模組式併網轉換裝置，供與一電網電性連接，用以提供交流電力予該電網，該分散模組式併網轉換裝置包含有： 一電池模組，用以輸出一直流電力； 一功率轉換模組，與該電池模組以及該電網電性連接，該功率轉換模組包含有至少二變流器，該些變流器之間並聯連接，該功率轉換模組用以接收該電池模組所輸出的直流電力並轉換為一交流電力輸出，且所輸出之該交流電力係供應予該電網； 一電源管理模組，與該電池模組以及該功率轉換模組電性連接，該電源管理模組係依據該電網的負載用電量，對各該變流器進行功率調控，以輸出相應於該負載用電量的交流電力。
- 如請求項1所述之分散模組式併網轉換裝置，其中各該變流器與該電源管理模組係透過一控制器區域網路匯流排（CAN-BUS）進行雙向資訊傳輸。
- 如請求項1所述之分散模組式併網轉換裝置，其中各該變流器為返馳式變流器。
- 如請求項1所述之分散模組式併網轉換裝置，其中該電源管理模組係個別地對各該變流器輸出變頻式脈波寬度調變控制訊號，以個別地對各該變流器進行功率調控。
- 如請求項1所述之分散模組式併網轉換裝置，其中該功率轉換模組更包含有至少二整流電路；各該變流器具有一直流側與一交流側，且各該變流器的直流側耦接該電池模組，交流側耦接一該整流電路；各該整流電路用以將一該變流器所輸出的半弦波電壓轉換為正弦波電壓並輸出予該電網。
- 如請求項5所述之分散模組式併網轉換裝置，其中該功率轉換模組更包含有至少二濾波電路，各該濾波電路分別耦接於一該整流電路與該電網之間，用以濾除該正弦波電壓之高頻諧波成分，以輸出該交流電力予該電網。
- 如請求項5或6所述之分散模組式併網轉換裝置，其中該功率轉換模組更包含有至少二薄膜電容，各該薄膜電容分別耦接於一該變流器與一該整流電路之間，用以對該變流器所輸出的半弦波電壓進行濾波並輸出予該整流電路。
- 如請求項1所述之分散模組式併網轉換裝置，其中該電網的負載用電量大於一第一閥值時，該電源管理模組對至少二該變流器發出啟動訊號，以使至少二該變流器進行運作；當該電網的負載用電量小於一第二閥值時，該電源管理模組對至少一該變流器發出關閉訊號，以使至少一該變流器停止運作；其中該第二閥值小於該第一閥值。
- 一種應用於如請求項1所述之分散模組式併網轉換裝置的控制方法，其包含有以下步驟： A、 偵測該電網的負載用電量； B、 依據步驟A所偵測之負載用電量，作以下其中一個步驟： B1、該電網的負載用電量大於一第一閥值時，該電源管理模組對至少二該變流器發出啟動訊號，以使至少二該變流器進行運作； B2、該電網的負載用電量小於一第二閥值時，該電源管理模組對至少一該變流器發出關閉訊號，以使至少一該變流器停止運作。
- 如請求項9所述之分散模組式併網轉換裝置的控制方法，其中該第二閥值小於該第二閥值。
- 如請求項9所述之分散模組式併網轉換裝置的控制方法，其中於步驟B之前，更包含有執行一自我檢驗程序，以標記出可投入併網發電的變流器。
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