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行政院國家科學委員會專題研究計畫 期末報告

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Academic year: 2022

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 期末報告

用於分佈式發電系統之混合式孤島偵測脈波電流注入法

計 畫 類 別 : 個別型

計 畫 編 號 : NSC 101-2221-E-216-029-

執 行 期 間 : 101 年 08 月 01 日至 102 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 中華大學電機工程學系

計 畫 主 持 人 : 侯中權

計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理人員:江盈璇 碩士班研究生-兼任助理人員:蘇心平 碩士班研究生-兼任助理人員:羅棨榜 碩士班研究生-兼任助理人員:林書緯 大專生-兼任助理人員:林漢威

公 開 資 訊 : 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 102 年 08 月 28 日

(2)

中 文 摘 要 : 分散式發電系統通常由太陽能發電系統和風力發電機等系統 組成。其中孤島偵測對於分散式發電系統非常重要。當市電 與分散式發電系統解除並聯時,孤島現象發生,此時分散式 發電系統供電給區域負載。先前的文獻提出孤島偵測技術與 微電網的保護觀念。本研究提出單相市電並聯反流器系統搭 配孤島偵測。此系統包含電壓電流感測器、孤島保護跳脫 器、類比數位轉換器、數位訊號處理器、電阻電感電容之區 域負載及脈波寬度調變器。

孤島偵測技術主要分為三類,被動式技術、主動式技術及遙 測技術。被動式技術偵測電壓、頻率及諧波。被動式技術與 主動式技術的差異在於電阻電感電容之區域負載。當電阻電 感電容之區域負載與分散式發電系統供電相同時,即使孤島 現象發生,被動式技術也無法偵測,稱為非偵測區。因此,

主動式技術用來偵測非偵測區。傳統的主動式技術於 2 秒內 可偵測非偵測區的孤島現象,滿足(IEEE-1547 標準)。例 如,鎖相回路法(> 220ms),主動漂移法(> 100ms),相位跳 躍法(> 26 ms),及諧波電流注入法(> 16.5 ms)。本研究提 出主動式孤島偵測技術使用可調脈波電流於分散式發電系 統。利用脈波電流注入所造成的電壓響應差於 2.8ms 內判斷 系統操作在市電並聯模式或孤島模式,比傳統的電流注入法 判斷快。此外,利用電力線通訊技術確保孤島偵測之準確 性。

中文關鍵詞: 主動式孤島偵測,被動式孤島偵測,分散式發電系統,微電網, 非偵測區,鎖相回路,主動頻率漂移,相位跳躍,諧波電流注入, 脈波電流注入,電力線通訊,單相市電並聯反流器,電壓感測 器,電流感測器,數位訊號處理器

英 文 摘 要 : The islanding detection is an important issue for distributed generation systems (DGSs) or micro-grid.

The DGSs consist of photovoltaic, wind generator systems and etc. The islanding issue in DGSs occurs when utility power is disconnected, and the local load is fed power from DGSs. The islanding detection methods for DGSs are presented. The protection

principles for micro-grid are proposed.

This study presents a single-phase grid-connected inverter system with islanding detection. The system consists of DGSs, voltage sensor (VPCC) and current sensor (Iinv) via point of common coupling (PCC), a breaker as anti-islanding trip, analog-to-digital (A/D) converters, a digital signal processor (DSP)

(3)

controller, parallel resistor-inductor-capacitor (RLC) loads and a pulse width modulator (PWM) unit.

This study proposes an active anti-islanding detection using an adjustable pulse current. The pulse current injection (PCI) method is utilized to find out the NDZ with fast detection time (< 2.8 ms).

Furthermore, the power line communication (PLC) as an auxiliary islanding detection method to keep

islanding detection system with accuracy.

英文關鍵詞: Active anti-islanding detection, Passive anti-

islanding detection, distributed generation systems, micro-grid, non-detection zone, phase lock loop, active frequency drift, phase jump, harmonic current injection, pulse current injection, power line

communication, single-phase grid-connected inverter, voltage sensor, current sensor, digital signal

processor

(4)

目錄

目錄... I 表目錄... II 圖目錄... III 摘要... IV Abstract ... V

第一章 緒論... 1

1.1 前言... 1

1.2 論文架構... 1

第二章 文獻回顧... 2

2.1 孤島運轉簡介... 2

2.2 遠端遙控孤島偵測及區域孤島偵測分析... 3

2.2.1 遠端通訊技術... 3

2.2.2 區域型孤島偵測技術... 3

2.3 被動型孤島偵測技術... 4

2.3.1 輸出功率變化率(Rate of change of output power, ROCOP) ... 5

2.3.2 頻率變化率(The rate of change of frequency, ROCOF) ... 5

2.3.3 頻率功率變化率(Rate of change of frequency over power) ... 5

2.3.4 阻抗變化(Change of impedance) ... 6

2.3.5 電壓不平衡(Voltage unbalance) ... 6

2.3.6 諧波失真檢測(Harmonic distortion) ... 6

2.4 主動式孤島偵測技術... 6

2.4.1 虛功誤差偵測(Reactive power export error detection) ... 6

2.4.2 阻抗量測(Impedance measurement) ... 6

(5)

2.4.3 相位(頻率)移動(Phase (or frequency) shift) ... 6

2.5 混合式孤島偵測技術... 7

2.5.1 正回授及電壓不平衡技術... 7

2.5.2 電壓及虛功漂移技術... 7

2.6 結論... 8

第三章 孤島測試平台架構設計... 8

3.1 前言... 8

3.2 鎖相迴路控制器設計... 9

3.3 電流控制... 10

3.4 孤島非探測區負載設計... 11

3.5 主動式孤島偵測-脈波電流注入偵測法 ... 12

3.5.1 系統阻抗分析... 12

3.5.2 脈波電流注入法... 14

3.6 電力線通訊偵測法... 19

3.7 混合式孤島偵測配置及操作點選擇... 20

第四章 模擬結果... 23

4.1 簡介... 23

4.2 非 NDZ 之孤島偵測模擬 ... 23

4.3 NDZ 中應用主動式脈波電流注入法之孤島偵測 ... 31

第五章 實驗結果... 35

5.1 簡介... 35

5.2 可探測區孤島偵測實驗結果... 35

5.3 非探測區混合式孤島偵測實驗結果... 37

5.4 電力線通訊孤島偵測實驗結果... 40

5.5 實驗結論... 41

第六章 總結... 42

(6)

6.1 結論... 42

6.2 未來展望... 42

參考文獻 ... 44

附錄 ... 47

(7)

表目錄

表 2-1 孤島偵測技術之優缺點 ... 4

表 3-1IEEE-1547 規範之電壓與頻率正常操作與故障清除時間 ... 12

表 3-2 主動式孤島偵測法中 PCI 與 HCI 比較 ... 19

表 4-1 孤島運轉模擬系統參數一覽 ... 23

表 4-2 模擬 OV/UV、OF/UF 狀況之負載參數 ... 24

表 4-3 主動式孤島偵測速度比較表 ... 35

表 5-1 孤島運轉實驗系統參數一覽 ... 35

表 5-2 實驗 OV/UV、OF/UF 狀況之負載參數 ... 36

表 5-3 非探測區孤島偵測測試使用負載 ... 38

表 5-4 混合式孤島偵測法中各別方法之優缺點比較 ... 42

(8)

圖目錄

圖 2-1 孤島偵測技術架構 ... 3

圖 2-2NDZ 範圍圖形 ... 5

圖 3-1 市電並聯型單相全橋式反流器用於孤島偵測系統 ... 8

圖 3-2 三相電壓源使用之鎖相迴路控制方塊圖 ... 9

圖 3-3 三相與靜止座標及同步座標示意圖 ... 9

圖 3-4 單相電壓源使用之鎖相迴路控制方塊圖 ... 10

圖 3-5 預測電流控制之模型 ... 11

圖 3-6 市電並聯型反流器的阻抗模型 ... 13

圖 3-7 在 NDZ 之 RLC 負載阻抗的動態響應 ... 13

圖 3-8 使用脈波電流於並聯 RLC 負載之電壓反應 ... 14

圖 3-9 各種脈波電流及脈波寬度所造成的電壓反應 ... 15

圖 3-10 脈波電流輸出半週期向上或向下序列示意圖 ... 16

圖 3-11 脈波電流輸出一上一下序列示意圖 ... 17

圖 3-12 向上或向下脈波序列電流注入頻譜分析 ... 17

圖 3-13 一上一下脈波序列電流注入頻譜分析 ... 18

圖 3-14 不同頻率之序列脈波電流注入差異 ... 18

圖 3-15 一般家庭應用電力線通訊網路橋接架構圖 ... 19

圖 3-16 應用於微電網之電力線通訊技術架構 ... 20

圖 3-17 電力線通訊與其他分散式發電機系統連結示意圖 ... 20

圖 3-18 混合式孤島偵測控制方塊圖 ... 21

圖 3-19 混合式孤島偵測流程 ... 22

圖 4-1 在非線性負載操作時發生孤島運轉其反流器輸出電壓與電流波形 ... 24

圖 4-2 孤島運轉中過壓狀況之模擬 ... 25

(9)

圖 4-3 孤島運轉中欠壓狀況之模擬 ... 26

圖 4-4 孤島運轉中過頻狀況之模擬 ... 28

圖 4-5 孤島運轉中欠頻狀況之模擬 ... 29

圖 4-6 模擬測試欠壓時之防孤島運轉 ... 30

圖 4-7 模擬測試過頻時之防孤島運轉 ... 30

圖 4-8 操作於 NDZ 下之反流器輸出電流及電壓波形 ... 30

圖 4-9NDZ 負載之系統發生孤島運轉於 0.8 S且同時間注入脈波電流 ... 32

圖 4-10NDZ 負載之系統發生孤島運轉於 0.8145 S且同時間注入脈波電流 ... 33

圖 4-11 在不同能量 QPCI(庫倫)之電流總諧波失真分布 ... 34

圖 5-1 孤島運轉發生過壓 OV 情況以及防孤島實驗 ... 36

圖 5-2 孤島運轉發生欠壓 UV 情況以及防孤島實驗 ... 36

圖 5-3 孤島運轉發生過頻 OF 情況以及防孤島實驗 ... 37

圖 5-4 孤島運轉發生欠頻 UF 情況以及防孤島實驗 ... 37

圖 5-5 上半弦波注入一上一下脈波電流實驗示意圖 ... 38

圖 5-6 下半弦波注入一上一下脈波電流實驗示意圖 ... 38

圖 5-7 利用 PCI 在不同注入角度下於非探測區負載偵測孤島運轉 ... 40

圖 5-8 單獨使用電力線通訊孤島偵測法 ... 41

(10)

摘要

隨著再生能源的開發,市電並聯型的發電系統已漸漸成為一種趨勢。為了分 散式發電系統的應用、確保系統維護人員的安全,以及電網的可靠性以及並聯所 需技術要求,孤島運轉已經是非常關鍵的議題。

本研究提出了一個新混合式孤島偵測,包含被動式、主動式、遠端式孤島偵 測技術於分散式發電系統。本研究所發展新型主動式脈波電流注入法可有效解決 孤島運轉中非探測區的問題,以注入脈波電流知道其系統電壓響應,不須使用快 速傅立葉轉換或離散傅立葉轉換等大量計算消耗控制處理器運算能力,比其他主 動式孤島偵測法更為快速(<2.8ms)。此外,本文加入電力線通訊法,利用與遠 端伺服器,或是分散式發電系統之間溝通,使孤島偵測更為可靠。

被動式包含過/欠電壓及過/欠頻率;主動式脈波電流注入法;遠端式電力 線通訊法,所成之混合式孤島偵測可以搭配使用且不互擾,提供一項快速、有效、

可靠度高之孤島偵測技術。全文依照 IEEE-1547-2008 規範及 IEEE-929-2000 規 範,透過模擬與實驗證明其方法可行。

關鍵字 – 孤島運轉、分散式發電系統、微電網、脈波電流注入、電力線通訊

(11)

Abstract

Depend on the development of renewable energy, the grid-connected power generation systems have become a trend. For application of distributed power generation systems, to ensure that safety of maintenance staff of power system, as well as the reliability of the grid-connected technical requirements, the islanding is a very critical issue.

This study proposes a hybrid islanding detection method which including active method and remote method for distributed generation. The pulse current injection (PCI) as active method is utilized to find out non-detection zone (NDZ). Using pulse current injection to observer the voltage response of the system replaces Fast Fourier Transform (FFT) or Discrete Fourier Transform (DFT). It is faster and more than the other active islanding detection method (<2.8ms). Furthermore, the power line communication (PLC) as remote method to keep islanding detection system stably and accurate.

Passive methods include over / under voltage and over / under frequency; active method: pulse current injection method; remote method: power line communication method, as the hybrid islanding detection can be used with and without interference, to propose a fast, effective and high reliability of islanding detection technology.

Finally, the performances of the proposed scheme follow IEEE-929 and IEEE-1547 standards are validated by simulation and experimental results.

Keywords – Islanding, distributed generation systems, micro-grid, pulse current injection, power line communication.

(12)

第一章 緒論 1.1 前言

在現今溫室效應衝擊下,地球氣候已產生巨大變異。自工業革命以來,人類 的能源需求越來越高,大量使用各種燃料,使得二氧化碳濃度急遽高升,不僅僅 是環境變異問題,而且能源的耗盡是可以預期的。為了解決未來能源缺乏的窘境,

國際間已有共識,紛紛投入再生能源的研究發展,各國在 1997 年簽訂「京都議 定書」共同解決溫室氣體排放問題。因此,再生能源發展已是現今熱門的議題。

隨著再生能源的開發,市電並聯型的發電系統已漸漸成為一種趨勢。為了分 散式發電(Distributed Generation, DG)系統大規模的應用、確保系統維護人員 的安全,以及電網的可靠性以及並聯所需技術要求,孤島運轉(Islanding)已經 是非常關鍵的問題。為了明確定義孤島運轉以及規範其要求,國際間有制定兩種 規範分別為 IEEE Std.1547[1]及 IEEE Std. 929[2]。

孤島運轉所指的是市電並聯型的反流器具有反潮流系統,且並聯之市電端故 障停止供電,形成分散式能源單獨運轉的情況。當市電端斷開後,可能仍穩定的 供電,或是產生劇烈負載電壓變化,進而造成電器機具的損壞。根據國際間規範,

一旦偵測到市電端故障,保護裝置都應隨即切斷分散式能源供電,以防止孤島現 象發生。而且當分散式發電系統繼續供電,並持續將電力回送電網時,若此時維 護人員正在修復電網,容易造成人員觸電,產生工安危險。因此分散式能源系統 之孤島檢測技術非常重要。

現今已有許多文獻探討孤島檢測,但各種孤島檢測方法仍有其優缺點,然而 非探測區問題使得孤島運轉不易被發現 ,而傳統偵測非探測區之方式非常緩慢,

本研究使用脈波注入技巧可以快速偵測非探測區,而混合式孤島偵測使系統更加 可靠完備,詳細內容在下列各章節會一一描述。

1.2 論文架構

本文的架構共分為六章節,內容如下概述:

第二章 文獻回顧

對目前現有的文獻探討回顧,目前的孤島檢測技術主要分為遠端遙控孤島偵 測技術及區域孤島偵測技術,區域孤島偵測技術又可進一步分為被動式、主動式 和混合式偵測,本文將在此章節一一介紹其特性,及其優缺點之整理。

第三章 孤島測試平台架構設計

測試平台依照 IEEE1547 之測試規範設計,設計反流器控制方式,並針對可 探測區與非探測區之負載作探討。本章節也包含本文提出之主動式脈波電流注入 法及電力線通訊法及混合式孤島偵測概念。

(13)

第四章 模擬結果

使用 PSCAD/EMTDC 建立模擬專案,分別利用被動式與主動式模擬探測區 以及非探測區之孤島偵測。

第五章 實驗結果

建構實驗平台,以實驗結果驗證提出之方法,證實本研究於探測區與非探測 區的孤島偵測可行性。

第六章 結論

對本文之混合式孤島偵測作結論,並提出未來研究方向建議及討論。

第二章 文獻回顧

2.1 孤島運轉簡介

分散式發電系統(Distributed Generation, DG)併入市電系統之後,會衍生 出許多問題,例如:電壓控制、鎖相迴路、暫態分析等…,孤島運轉(Islanding)

即為重要的問題之ㄧ。孤島運轉是指市電端故障,造成電力中斷,而分散式發電 系統並未從並聯系統上解聯,分散式發電系統仍持續提供電力,產生獨立區域供 電的情況。

孤島運轉有許多好處,但同時也有缺點如下[4]:

1. 系統將電力輸往市電,市電電網維修人員會在不知情的情況下觸電,造成人 員受傷,產生工安問題。

2. 電壓和頻率可能無法維持在規定的標準範圍內。

3. 若是持續並聯直到市電修復且供電的瞬間,可能會因為市電與分散式發電系 統相位不同,造成電網上的發電機、設備損傷,或是分散式發電系統設備的 損壞。同時產生的暫態反應很可能破壞用電戶設備。

4. 孤島運轉會干擾鄰近線路以及用戶手動或自動復原程序。

基於以上理由,快速且精準的孤島運轉檢測系統是非常重要的。

孤島運轉偵測主要在監測分散式發電系統的輸出參數或系統參數,並從這些 監測數據的變動來判斷孤島效應是否已產生。孤島偵測技術可以分類成「遠端型 孤島偵測」及「區域型孤島偵測」,區域孤島偵測又可進一步分為被動式、主動 式和混合式偵測,如圖 2-1 所示。

(14)

圖 2-1 孤島偵測技術架構[4]

2.2 遠端遙控孤島偵測及區域孤島偵測分析 2.2.1 遠端通訊技術

遠端通訊孤島偵測技術,是市電與分散式發電系統設備間做通訊。若是市電 發生故障,將由市電端發出訊號要求分散式發電系統設備解聯。雖然遠端遙控孤 島偵測技術較區域孤島偵測技術可靠,但是對於小系統而言成本較高。遠端遙控

孤島偵測的相關技術整理如下:

移轉跳脫偵測技術[5]:

此技術主要監控電網電驛(Relay)的狀態。可由主控端系統進行監控。此 方法必須在市電和分散式發電系統之間作通訊,因此會增加市電及分散式發電系 統的設備成本。

電力線訊號技術[6-7]:

利用電力電網當作通訊路徑來傳遞訊號,而分散式發電系統端加裝接受器。

市電端一直傳送訊號,而分散式發電系統端則接收,若是接收器接收不到訊號,

則孤島現象即產生。此技術成本較高,但在多個分散式發電系統並聯系統下較為 實際。

2.2.2 區域型孤島偵測技術

區域偵測技術以量測分散式發電系統之系統參數,如電壓、頻率、相位等…。

可歸類如下:

1. 被動式偵測技術:

量測系統電壓、頻率、諧波失真等參數變化。代表技術:輸出功率變動率[8]、

頻率變動率[9]、阻抗變動[10]、電壓不平衡[11]、諧波失真檢測[11]。

孤島偵測

區域型孤島偵測

遠端型孤島偵測

被動式 主動式 混合式

(15)

2. 主動式偵測技術:

虛功誤差偵測[10]、諧波注入測量[12-13]、阻抗量測[14-15]、相位或頻率移 動(如滑差模式頻率移動演算法[16-17]、主動式頻率飄移法[18-19]、自動相 移法[20]等…)。

3. 混合式偵測技術:

利用正回授和電壓不平衡技術[21]、利用電壓和虛功飄移技術[22]。

孤島偵測技術主要分成遠端遙控及區域偵測技術。而區域偵測技術又分為主 動式、被動式與混合式。每個技術皆有其優點及限制。沒有一個孤島偵測技術可 以滿足所有的系統可能的操作情況。選擇哪一種孤島偵測方式和分散式發電系統 的型式及特性有很大的關係。近年來提出的混合式偵測技術,其方式是以參數變 化做為區別,當系統參數變動量很大時採用被動式偵測技術,而變化量不夠大時 則改用主動式偵測技術。其優缺點如表 2-1。

表 2-1 孤島偵測技術之優缺點[4]

偵測技術 優點 缺點

遠端型偵測技術 ‧可靠度高 ‧對小系統而言成本高

區域型偵測技術

被 ‧偵測時間短 ‧在非探測區不精確

動 ‧不干擾系統 ‧系統設定太敏感容易

式 ‧在可探測區仍保持精確 經常跳脫

主 ‧在非探測區可保持精確 ‧系統中引進干擾

‧偵測時間較久

混 ‧不可偵測範圍小 ‧當被動式及主動式同時

採用,孤島偵測時間會

被延長

2.3 被動型孤島偵測技術

被動式孤島偵測技術其優點為簡單、設備成本便宜,業界也已有產品安裝於 電力系統之上。但是被動型孤島偵測技術有缺點:有較大的不可偵測範圍(Non Detectable Zone, NDZ),在發電量與負載需求量非常接近時,會無法偵測到孤島 現象。根據 IEEE-1574,典型的過/欠電壓設定值為 1.1 標么值到 0.88 標么值,

而過/欠頻率為 60.5Hz 到 59.3Hz。依規範而定,可繪出 NDZ 的範圍圖形如圖 2-2,

NDZ 圖形指出負載消耗實功與反流器輸出實功相減所得之ΔP,以及載消耗虛功 與反流器輸出虛功相減所得之ΔQ。在負載需求之實功量小於輸出之實功量,在 相同輸出電流下,其反應之電壓即增加,此時利用過電壓(OV)電驛即可偵測 出孤島運轉;反之,在負載需求之實功量大於輸出之實功量,在相同輸出電流下,

(16)

其反應之電壓即下,降此時利用欠電壓(UV)電驛即可偵測出孤島運轉。在負 載需求負虛功量大於輸出之需功量,則頻率上升,利用過頻率(OF)電驛即可

圖 2-2 NDZ 範圍圖形

偵測出孤島運轉;在負載需求正虛功量大於輸出之需功量,則頻率下降,利用欠 頻率(UF)電驛即可偵測孤島運轉。而被動式孤島偵測,尚有許多方法,在下 列小節會一一介紹:

2.3.1 輸出功率變化率(Rate of change of output power, ROCOP)

輸出功率變化率:𝑑𝑃𝑑𝑡,當分散式發電系統與電力系統併網,而且在相同的負 載情況下。途中發生孤島運轉,分散式發電系統的輸出功率會變得異常。此方法 對於不平衡負載的情況下較為有效。

2.3.2 頻率變化率(The rate of change of frequency, ROCOF)

孤島現象發生時,頻率會因實功不平衡而變動的非常劇烈,其中頻率變化率

(ROCOF)的數學方程式如式(2-1)。

𝑑𝑓

𝑑𝑡 = 2𝐺𝐻∆𝑃 𝑓 (2.1) 其中

ΔP:實功不平衡量

H :分散式發電系統的慣性常數

G :分散式發電系統系統的額定發電量 f :市電頻率

大型的系統擁有較大的 H 及 G,小型的系統擁有較小的 H 和 G,小型系統 會讓 𝑑𝑓𝑑𝑡 值變得較大。頻率變化率的系統會監測電壓波形,若是頻率變化率,高 過於設定的值一段時間,則判定孤島運轉發生。

2.3.3 頻率功率變化率(Rate of change of frequency over power)

頻率功率變化率:𝑑𝑓

𝑑𝑃 值在小容量發電系統比大容量發電系統來的大。頻率 P

Q OF

UF

OV

UV

NDZ

Δ

Δ

(17)

功率變化率利用此概念來檢測孤島運轉。然而在功率較小,以及分散式發電系統 與負載不匹配的情況下,頻率功率變化率方式會比頻率變化率方式更為敏感,因 此決定方式與參數是必須的工作。

2.3.4 阻抗變化(Change of impedance)

電力系統的阻抗比起孤島運轉系統的阻抗小的多。利用此概念,只要電力系 統網中有一節電力中斷,則阻抗將會有所變化。所以持續觀察電源的阻抗變化,

則能判斷是否已呈現孤島運轉。

2.3.5 電壓不平衡(Voltage unbalance)

當孤島運轉發生時,分散式發電系統必須對突然間的負載變大狀況做些改變。

可利用監測幾種參數如:電壓大小、相位移動、和頻率改變。若改變的量非常大,

則很容易將孤島運轉的狀態檢測出。然而,這些方式若是在狀態改變很小的情況 下,就不見得很有效。

2.3.6 諧波失真檢測(Harmonic distortion)

其方法為監測分散式發電系統內的總諧波失真量(Total harmonic distortion, THD),在與市電並聯時,因市電系統比起分散式發電系統大,並聯情況下諧波 失真變化較小。而孤島運轉時,因分散式發電系統單獨運作輸出,因此諧波失真 變化量較大,因比較分散式發電系統在孤島運轉前後的參數值,即可知道是否呈 現孤島運轉。

2.4 主動式孤島偵測技術

有了主動式偵測技術,就算是在發電機輸出功率與負載在非探測區時,孤島 運轉仍然能檢測出來,這是被動式技術做不到的。主動式偵測技術是指直接在電 力系統中注入擾動,若是在孤島運轉發生時,會產生一些重要的反應。而在分散 式發電系統及電網並聯時這些反應極小,因此可以判定是否孤島運轉產生。相關 的技術如下:

2.4.1 虛功誤差偵測(Reactive power export error detection)

此方法的概念,是因分散式發電系統會在責任分界點(Point of Common Coupling, PCC)或是斷路器上產生一定水平的虛功潮流。而與電網連結的分散 式發電系統則會維持此虛功潮流。若是檢測出虛功潮流超出設定的值,而無法維 持虛功潮流水平的話,那孤島運轉即被檢測出。

2.4.2 阻抗量測(Impedance measurement)

此方法的觀點與被動式偵測技巧阻抗變化技術有關。在主動式的方法中,使 用一個並聯電感跨接在電源及分散式發電系統端。如此,產生的短路電流及壓降,

即可測出系統之阻抗。

2.4.3 相位(頻率)移動(Phase (or frequency) shift)

當以變流器為基礎的分散式發電系統發生孤島運轉時,相對相位是一個很好 的偵測方法。當分散式發電系統和市電聯結時,引進一個小擾動量,造成相位移 動,市電將會很快將頻率穩定。相對的,若是在孤島運轉發生時引進擾動,則會 產 生 很 重 大 的 頻 率 變 化 。 其 中 常 見 的 技 術 有 : 滑 差 模 式 頻 率 移 動 演 算 法

(18)

(Slip-Mode Frequency Shift Algorithm, SMS )、主動式頻率飄移法(Active Frequency Drift, AFD)、自動相移法(Automatic Phase-Shift Method, APS)。這些 方法大致相同,而各種方法各有其優缺點,詳細可參考文獻[23]。

2.5 混合式孤島偵測技術

混合式孤島偵測技術將區域型偵測的兩大項技術,被動式及主動式孤島偵測 作結合。若是被動式孤島偵測懷疑可能有孤島運轉產生時,則轉成主動式孤島偵 測。相關的技術如下:

2.5.1 正回授及電壓不平衡技術

正回授及電壓不平衡技術,使用了兩種偵測技巧,一者是正回授(主動式), 另者是電壓不平衡(被動式)。此方法概念是監測三相電壓且持續的計算電壓不 平衡狀態,其式子如式(2.2):

VU =𝑉𝑉−𝑠𝑞

+𝑠𝑞 (2.2)

其中 VU 代表電壓不平衡的計算結果,V+sq為正序電壓而 V-sq為負序電壓。

理想狀況下,VU 的值該趨近於零。但若是負載改變、孤島運轉、開關動作等…,

皆能觀察出瞬態電壓(Spike)。每當 VU 超出設定值後,分散式發電系統的頻率 設定點將改變。若因電力中斷造成系統頻率改變,則孤島運轉狀態即被檢測出。

2.5.2 電壓及虛功飄移技術

此技術為量測一段時間的電壓變化(被動式)得到共變異數(Covariance)

值如式(2.3),到達設定的參數值後,轉換成適應性虛功飄移方法(主動式)。

cov(𝑇𝑎𝑣𝑡,𝑇𝑣) = 𝐸(𝑇𝑎𝑣(𝑛)− 𝑈𝑎𝑣)(𝑇𝑣(𝑛)− 𝑈𝑣) (2.3) 其中

𝑇𝑎𝑣(𝑛):前四個電壓週期平均值 𝑈𝑎𝑣:𝑇𝑎𝑣𝑡的平均值

𝑇𝑣:電壓週期 𝑈𝑣:的平均值

共變異數表示機率與統計學中兩個變數的總體的誤差,而 E 表示期望值,孤島 發生時會產生暫態或不穩定量,利用期望值與實際量的誤差量 cov(𝑇𝑎𝑣𝑡,𝑇𝑣) 來懷 疑是否孤島運轉,進而執行主動式適應性虛功飄移:

適應性虛功飄移利用 d 軸電流位移,虛功位移如式(2.4) 𝑖𝑑𝑘 = 𝑘𝑑(𝑇𝑎𝑣𝑡−𝑇𝑣(𝑘)

𝑇𝑣(𝑘) ) (2.4)

kd的設定點決定孤島是否產生。而一般而言,正常的系統 d 軸電流(虛功)變化 率小於 q 軸電流(實功),因此,系統不論如何令虛功飄移,皆不產生巨大變化。

若 d 軸(虛功)電流增加,則孤島運轉可能發生,適應性虛功飄移加速相位移動。

因此使得系統頻率快速變動以發覺孤島產生[22]。

(19)

2.6 結論

孤島偵測已有大量技術及辦法被提出,以被動式而言可以掌握大部分孤島運 轉的問題,然而非探測區的問題使得被動式有其缺陷,而目前主動式方法有偵測 速度較緩慢的問題,本文提出一脈波電流注入之方法,解決主動式技術偵測緩慢 的問題。而電力線通訊設備以目前發展之下已趨於便宜,本文應用電力線通訊方 式進行實驗,詳細操作流程在下章節詳述。

第三章 孤島測試平台架構設計

3.1 前言

孤島測試平台依照 IEEE1547 之測試規範設計。圖 3-1 表示本文所使用之單 相全橋式市電並聯型反流器及孤島標準測試電路,其中包含輸入之分佈式直流電 源(DG Source)、直流濾波電容(𝐶𝑑𝑐)、全橋式反流器(Full-Bridge Inverter)、

濾波電感(𝐿𝑖𝑛𝑣)、電壓及電流感測器、數位類比轉換器(A/D Converter)、控制 器(Controller)、RLC 並聯負載(Parallel RLC Load)及斷路器(Breaker)。其中 IEEE1547 中,定義量測的點為責任分界點(Point of Common Coupling, PCC)。 控制器必須執行鎖相迴路控制,電流控制及孤島偵測;為了達成市電並聯,穩定 的鎖相迴路控制及電流控制是必須的。因此在 3.2 節及 3.3 節各別討論其控制方 法,若系統負載不匹配於分散式發電系統輸出能量,則孤島產生後,系統會座落 在過/欠電壓(OV/UV)、過/欠頻率(OF/UF)範圍中,孤島現象便可非常快速的 檢測出。但系統負載若匹配,則系統會座落在非探測區(Non-Detection Zone, NDZ),相關之非探測區負載設計方法會在 3.4 節提到。

圖 3-1 市電並聯型單相全橋式反流器用於孤島偵測系統

Iinv

Vgrid

Breaker

RLC Load +

Vdc Cdc

Linv S1

S2

S3

S4

S1 S2 S3 S4

Vpcc

Iinv

A/D PWM

TMS320C28335 DSP Controller

Distributed DC Source Generations

Vpcc

(20)

3.2 鎖相迴路控制器設計

對於許多電網並聯式設備而言,因為市電頻率、電壓較穩定且容量大,因此 市電相位角已被認定是最基礎的資訊。在這些條件下,快速且精準的鎖相迴路

(Phase Lock Loop, PLL)系統是必須的[24-25]。

一般三相市電鎖相迴路之控制方塊圖如圖 3-2[25],其方法利用三相各相序 理想電壓𝑉𝑎、𝑉𝑏、𝑉𝑐,如式(3.1):

[ 𝑉𝑎 𝑉𝑏

𝑉𝑐] = [

𝑉 cos(𝜔𝑡 + 𝜃) 𝑉 cos(𝜔𝑡 + 𝜃 −2𝜋3) 𝑉 cos(𝜔𝑡 + 𝜃 +2𝜋3)

] (3.1)

代入靜止參考系座標轉換(Clark Transformation)後,可將三相(A、B、C)電 壓轉為兩相的靜止參考座標 𝑉𝛼、𝑉𝛽 以及零序座標 𝑉0,再以 𝑉𝛼、𝑉𝛽 代入同步 參考系座標轉換(Park Transformation),輸出 𝑉𝑞𝑒 和 𝑉𝑑𝑒,其靜止框及同步框轉 換之框轉換如圖 3-3。而公式分別為式(3.2)及式(3.3):

圖 3-2 三相電壓源使用之鎖相迴路控制方塊圖

圖 3-3 三相與靜止座標及同步座標示意圖

Vα

Va

Vb

Vc

Clark Transformation

Vβ

Park Transformation

Vd

+- PI

Controller ++

Vd* ω

θ

a

b c

qe

de α

β

θ

(21)

[ 𝑉𝛼 𝑉𝛽 𝑉0

] = [

2 3

−1 3

−1 3

0 −1

√3 1 1 √3

3 1 3

1 3]

[ 𝑉𝑎 𝑉𝑏

𝑉𝑐] (3.2)

[𝑉𝑞e

𝑉𝑑𝑒] = [cos(𝜔𝑡) −sin(𝜔𝑡) sin(𝜔𝑡) cos(𝜔𝑡) ] [

𝑉𝛼

𝑉𝛽] (3.3) 將𝑉𝑑減去命令𝑉𝑑得到的誤差(error),利用比例積分控制器(PI Controller)

累積誤差,最後加上起始角度ω,對其做積分後即可得到目前系統角度 θ。

然而本文使用單相並聯系統,但單相電源不像三相電源般可利用三相各相序 電壓提供同步參考系座標轉換。因此,必須利用輸入之單相電源 𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑 作為靜止 參考系座標的 Vα軸,初始之 Vβ軸以零為初始值,利用同步框轉換輸出 Vd軸與 Vq 軸同步框座標,經濾波器後得到 𝑉𝑑(表示系統虛功)與 𝑉𝑞(表示系統實功)

輸入式(3.4)得到下一階段之 β 軸。

{𝑉𝛼= 𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑

𝑉𝛽 = 𝑉𝑞cos 𝜃 − 𝑉𝑑sin 𝜃 (3.3) 之後,如圖 3-4,再將 α、β 軸輸入同步參考系座標轉換如式(3.3) 得到其 d 軸及 q 軸,對其軸 𝑉𝑑 減去命令 𝑉𝑑 得到的誤差,利用比例積分控制器累積誤差,

最後加上起始角速度ω,對其做積分後即可得到目前系統角度 θ。

圖 3- 4 單相電壓源使用之鎖相迴路控制方塊圖

3.3 電流控制

併網系統中,因市電端為定電壓系統,因此利用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)的操作技術控制輸出電流。

本文使用預測電流控制(Predictive Current Control),其控制模型如圖 3-5。

電流控制需要幾項要求如下:非正弦的電流追蹤、有高頻諧波下仍有高電流追蹤、

高電流控制頻寬、恆定開關 PWM 頻率、維持電流漣波(Current Ripple)邊界及 相位間的互擾與避免電流環流問題等…[26],預測電流控制基於輸出電流的靜止 座標兩相座標(分別為 𝑖𝑑 及 𝑖𝑞)下做控制,以控制實功為例:將框轉換後之

Park Transformation

Vq

Vd

Vβ

Vα

+- ++

' '

sT+1 1

sT+1

Vd 1

Vq

V =V cosθ-V sinθβ q d

PI ∫

θ

ω

Vd*

θ ' '

(22)

𝑖𝑞 與電流命令 𝑖𝑞 相減得到誤差 ∆𝑖𝑞 後乘上比例控制器 ∆𝑡𝐿 (其中 L 表示輸出 濾波電感量,而 Δt 表示固定的切換時間)之後,加上系統電壓反電動勢 e 作為 前饋項,以電壓弦波為基礎以及增加系統追隨能力,輸出到 PWM 單元控制反流 器開關做切換,利用市電端與直流匯流排(DC Bus)端電壓差,以濾波電感 𝑠𝐿1 輸 出切換電流。

預測電流控制是在固定取樣週期內,根據輸出電流與命令間的誤差,以及硬 體元件的配置及參數的不同,預測之後電流輸出的趨勢,輸出相應的控制命令。

圖 3- 5 預測電流控制之模型

3.4 孤島非探測區負載設計

對孤島偵測而言,非探測區(Non Detectable Zone, NDZ),是指在發電量與 負載需求量非常接近時,被動式孤島偵測法會無法偵測到孤島現象,RLC 負載 量與品質因數𝑄𝑓則為非探測區關鍵之ㄧ[27]。

品質因數𝑄𝑓其定義為(3.5)式,而 RLC 並聯負載之品質因數可表示為(3.6)式:

𝑄𝑓= 儲存電能

消耗電能 (3.4)

𝑄𝑓= 1𝑃(√𝑄𝐶× 𝑄𝐿) (3.5) 其中|𝑃|為反流器輸出實功量,|𝑄𝐶|為電容器消耗負虛功量,|𝑄𝐿|為電感器消耗正 虛功量。而將負載設計於非探測區時,三者消耗之實功以及正負虛功率皆相同如

(3-7)式,代表品質因數𝑄𝑓=1。

|P| = |𝑄𝐶| = |𝑄𝐿| (3.6) 再者因 IEEE1547 規範之電壓及頻率如下頁表 3-1,以其範圍之過/欠電壓

(OV/UV)及過/欠頻率(OF/UF)及可繪出非探測區範圍。而並聯 RLC 負載計 算式如下(3.8)式、(3.9)式、(3.10)式及(3.11)式:

𝑓 = 1

2𝜋√𝐿𝐶 (3.7)

𝑅 = 𝑉𝑃2 (3.8)

Lt

sL PWM + INV 1

+ + + -

-

feedforward

e

Back EMF

of utility voltage

i

dq

i *

dq

Δ

Δ

i

dq

+ i

dq

feedback

V

inv

V

inv

Physical Control

*

(23)

𝐿 =2𝜋𝑓𝑄𝑉2

𝑓𝑃 (3.9)

𝐶 =2𝜋𝑓𝑉𝑄𝑓𝑃2 (3.10) 其中 f 代表系統頻率、P 代表輸出實功、𝑄𝑓表示品質因數。

表 3- 1 IEEE-1547 規範之電壓與頻率正常操作與故障清除時間

參數 範圍 故障清除時間

電壓

𝑉 < 50% 0.16 sec 50% ≤ 𝑉 < 88% 2.00 sec 88% ≤ 𝑉 < 110% 一般操作情況 110% ≤ 𝑉 < 120% 1.00 sec 𝑉 ≥ 120% 0.16 sec

頻率

𝑓 > 60.5 𝐻𝑧 0.16 sec 60.5 𝐻𝑧 ≥ 𝑓 ≥ 59.3 𝐻𝑧 一般操作情況 𝑓 < 59.3 𝐻𝑧 0.16 sec

在 IEEE-1547 中規範品質因數𝑄𝑓≦2.5,本文以𝑄𝑓= 1作為全參數設定,因 此在同輸出功率下,NDZ 的範圍可以依上頁並聯負載 RLC 各式算出,本文提出 脈波電流注入法針對 NDZ 下負載做孤島偵測,以脈波電流判斷其負載座落點,

以分辨系統是否為孤島運轉,詳細內容將在下一節詳述。

3.5 主動式孤島偵測-脈波電流注入偵測法

本文提出一個新的主動式孤島偵測法,脈波電流注入法(Pulse Current Injection, PCI),提供了一項快速、無非探測區問題的孤島偵測。脈波電流注入 法利用改變電流命令,以脈波方式偵測系統電壓反應,依照反應的變化,得知目 前系統是否為孤島運轉,減少被動式方法在 NDZ 上無法有效偵測的問題,使用 其方法必須了解系統阻抗、脈波寬度變化及總諧波失真(THD)的影響,以下將 分為兩小節一一說明。

3.5.1 系統阻抗分析

市電並聯型反流器的阻抗模型如圖 3-6,以反流器輸出觀點而言,其路徑可 為反流器輸出阻抗 Zinv、並聯 RLC 負載 Zload、斷路器電驛 Breaker、市電系統阻 抗 Zgrid及市電系統電壓源 Vgrid,其中流經輸出阻抗之電流為 Iinv、流經當地負載 之電流為 Iload、流經市電系統阻抗的電流為 Igrid。一般而言,市電系統阻抗 Zgrid 比起並聯負載阻抗 Zload小很多[15],因此,在反流器維持市電並聯狀態時,其輸 出阻抗為 Zcon。而斷路器電驛斷開時,因少了市電系統端阻抗 Zgrid,整體則會呈 現另一阻抗 Zisl狀態,可整理成(3.12)式:

(24)

[𝑍𝑐𝑜𝑛

𝑍𝑖𝑠𝑙] = 𝑍𝑙𝑜𝑎𝑑[

𝑍𝑔𝑟𝑖𝑑 𝑍𝑙𝑜𝑎𝑑+𝑍𝑔𝑟𝑖𝑑

1 ] + 𝑍𝑖𝑛𝑣[11] (3.11) 依照(3.12)式,當孤島運轉發生時,此時輸出的阻抗,剩反流器輸出阻抗 Zinv

及並聯 RLC 負載 Zload。並聯 RLC 負載 Zload可以描述成(3.13)式:

𝑍𝑙𝑜𝑎𝑑 = 1 1

𝑅+𝑗(𝜔𝐶−𝜔𝐿1) (3.12)

圖 3- 6 市電並聯型反流器的阻抗模型

根據(3.13)式,可繪出在 NDZ 之 RLC 負載阻抗的動態響應圖如圖 3-7。其表 示 NDZ 負載在不同頻率的範圍內變化,以 60Hz 左右為最高峰點,隨著頻率增 長或下降,其阻抗大小會相對應的下降。利用注入電流得知其操作阻抗的方法還 有諧波電流注入法(Harmonic Current Injection, HCI),諧波電流注入法(HCI)

利用注入三次或高次諧波,再利用數位處理器(DSP)執行離散式傅立葉分析

(Discrete Fourier Transform, DFT)或是快速傅立葉分析(Fast Fourier Transform, FFT)來得知其阻抗是否呈現為孤島運轉[11,13],利用 DFT 或 FFT 的計算對 DSP 而言處理量非常大,且低頻的諧波電流注入容易影響電力系統,高頻的諧波電流 注入其阻抗反應極小不易偵測,這些注入諧波參數設定不易。PCI 利用脈波電流 偵測負載電壓反應,可以預測其負載目前落點,細節將在下一小節詳述。

圖 3-7 在 NDZ 之 RLC 負載阻抗的動態響應

Inverter

V

grid

Z

inv

Z

load

Z

grid

Iload

Iinv Igrid

Breaker

Frequency (Hz)

Impedance

Mid-point of NDZ

Boundary of NDZ

(25)

3.5.2 脈波電流注入法

本研究提出主動式脈波電流注入法(PCI),解決孤島運轉中 NDZ 的問題。

給予一個系統脈衝訊號,得到其輸出訊號,可以得到此系統的系統轉移函數。反 之,得到系統的轉移函數後,只要輸入一脈波訊號,就會得到一可預測的反應,

因此,PCI 利用已知的 NDZ 阻抗模型,注入一脈波電流預測其孤島運轉之電壓 反應,若是電壓不符合預測範圍內反應,表示目前系統併網正常,若是電壓符合 範圍內反應,則判定系統呈孤島運轉,並且中斷輸出。

根據式(3.13),已知系統呈現孤島運轉時阻抗。再利用原先系統使用的預測 電流控制如(3.14)式,增加步階函數 u(t) 改成式(3.15)以達到脈波電流輸出的需 求:

𝑣𝑐𝑚𝑑 = 𝑉𝑝𝑐𝑐+𝐿𝑖𝑛𝑣𝑇 {(𝑖− 𝑖𝑖𝑛𝑣)} (3.13)

𝑣𝑐𝑚𝑑 = 𝑉𝑝𝑐𝑐+𝐿𝑖𝑛𝑣𝑇 {(𝑖− 𝑖𝑖𝑛𝑣) ± 𝑖𝑝𝑐𝑖 × [𝑢(𝑡) − 𝑢(𝑡 − 𝑡𝑝𝑐𝑖)]} (3.14) 其中𝑣𝑐𝑚𝑑 表示輸出電壓命令、𝑉𝑝𝑐𝑐表示責任分界點電壓、𝐿𝑖𝑛𝑣表示輸出濾波電感 值、𝑇表示系統取樣速度、𝑖表示電流命令、𝑖𝑖𝑛𝑣表示系統真實輸出電流、𝑖𝑝𝑐𝑖 表 示脈波電流大小、𝑡表示脈波電流注入起始點、𝑡𝑝𝑐𝑖表示脈波電流注入時間、

𝑢(𝑡 − 𝑡𝑝𝑐𝑖)表示脈波電流時間寬度。

圖 3-8 表示了對並聯 RLC 負載(R: 50 Ω; L: 132.4 mH; C: 53μf)使用脈波電 流注入(ipci* =0.5A; Δtpci=400us)的電壓反應,其中圖 3-8(a)為脈波電流以零電 壓為基礎向上注入電流及其電壓反應,而圖 3-8(b)為脈波電流以零電壓為基礎向 下注入電流及其電壓反應。

(a) 向上注入脈波與電壓反應 (b) 向下注入脈波與電壓反應 圖 3- 8 使用脈波電流於並聯 RLC 負載之電壓反應

- .0 5 0 0 5. 1 1 5. 2 2 5. 3 3 5.

Voltage (V) and Current (A)

Time (s)

- .3 5 -3 - .2 5 -2 - .1 5 -1 - .0 5 0 0 5.

Voltage (V) and Current (A)

Time (s)

(26)

電壓響應可以被視為一個並聯 RLC 負載於無市電源之響應,依照 RLC 負載 可寫成以下(3.16)式:

𝑉𝑟𝑒𝑠𝑝(𝑡𝑝𝑐𝑖) 𝑅𝑧 +𝐿1

𝑧0𝑡𝑝𝑐𝑖𝑉𝑟𝑒𝑠𝑝(𝑡)𝑑𝑡+ 𝐼𝑙𝑜𝑜𝑝+ 𝐶𝑍𝑑𝑉𝑟𝑒𝑠𝑝𝑑𝑡(𝑡𝑝𝑐𝑖)= 0 (3.15) 其中 Vresp為電壓響應,tpci為脈波電流注入的時間,而 Rz、Lz和 Cz分別為電阻 性負載、電感性負載及電容性負載,而這項式子,經微分及拉式轉換(Laplace Transform)後可被推導成下列式(3.17):

𝑉𝑜𝑢𝑡(t) = 2𝐶 𝑖𝑝𝑐𝑖

𝑍√𝛼𝑍2−𝜔𝑍2𝑒(−𝛼𝑍+√𝛼𝑍2−𝜔𝑍2)𝑡𝑝𝑐𝑖𝑖𝑝𝑐𝑖

2𝐶𝑍√𝛼𝑍2−𝜔𝑍2𝑒(−𝛼𝑍−√𝛼𝑍2−𝜔𝑍2)𝑡𝑝𝑐𝑖 (3.16) 其中

Z Z

Z 2R C

 1

 以及

Z Z

Z L C

 1

 .

依照上頁式(3.17)可以發現 NDZ 下的 LC 負載會呈現弦波震盪的情形,若正好與 市電週期震盪頻率相同,則孤島運轉就無法被有效偵測出來。因此引入一些外部 的擾動觀察系統,這樣當方式稱之為主動式孤島偵測法,而因 PCI引入脈波電流,

加入電流擾動量偵測系統,所以也屬於主動式孤島偵測法。利用脈波電流注入市 電並聯反流器系統,會有兩種情況發生:一、電壓反應非常的微小。二、電壓反 應大。其中第一種狀況是系統仍與市電並聯供電的情況,依照圖 3-6 與(3.12)式 得知,在市電並聯的情況下,輸出阻抗特別小,所以引入脈波電流對目前主要供 電之市電電壓源而言,電壓反應微小。第二種為孤島運轉的情況,利用(3.17)式 可知在孤島運轉時,其阻抗會呈現 RLC 負載的電壓響應,因此,利用(3.17)式可 將各種脈波電流及脈波寬度所造成的電壓反應繪出如圖 3-9。

圖 3-9 各種脈波電流及脈波寬度所造成的電壓反應

PulseCurrent Amplitude(A)

Pulse Current Time (s)

Voltage ResponseV ()

(27)

根據圖 3-7 與圖 3-9,較低的頻率會有較大的阻抗,電壓響應會更加明顯,

因此根據環境需要,可選擇不同的頻率(fpulse)與占空比(𝑑),選擇的不同頻率與占 空比之輸出能量(𝑄𝑝𝑐𝑖:庫倫)表示成(3.18)式:

𝑄𝑝𝑐𝑖 = 𝑖𝑝𝑐𝑖𝑓 𝑑

𝑝𝑢𝑙𝑠𝑒 (3.17)

然而,較低的頻率會產生較低次的諧波,而低次諧波對市電系統有較大的影 響,另一方面,只讓脈波電流單純以零點為基準向上或向下注入脈波電流,會影 響系統輸出之電流基頻,因此,令注入之脈波電流呈一上一下序列注入,可使得 電流基頻不受影響,於偵測上可減少因基頻變動造成的錯誤發生。圖 3-10 表示 設計輸出電壓半週期 m 個脈波電流向上,而半週期 m 個脈波電流下向,其脈波 寬度為δ,脈波與脈波間的寬度為 Δ,傅立葉級數定義為(3.19)式,其中函式為(3.20) 式及(3.21)式,式子中 A 表示脈波電流大小:

f(ωt) = ∑𝑛=1[𝑎𝑛sin(𝑛𝜔𝑡) + 𝑏𝑛cos(𝑛𝜔𝑡)] (3.18) 𝑎𝑛 = 2𝐴𝑛𝜋𝑚−1𝑘=0{cos[𝑛𝑘∆] − cos[𝑛 × (𝑘∆ + 𝛿)]} (3.19)

𝑏𝑛 = 2𝐴𝑛𝜋𝑚−1𝑘=0{−sin[𝑛𝑘∆] + cos[𝑛 × (𝑘∆ + 𝛿)]} (3.20) 而圖 3-11 表示設計輸出脈波電流一上一下序列,其脈波寬度為 δ,脈波與脈 波間的寬度為Δ,而半個週期會有 m 個脈波輸出,傅立葉級數定義如上(3.19)式,

而其中函式為(3.22)式及(3.23)式,式子中 A 表示脈波電流大小:

𝑎𝑛 = 2𝐴𝑛𝜋𝑚−1𝑘=0{(−1)𝑘× {cos[𝑛𝑘∆] − cos[𝑛 × (𝑘∆ + 𝛿)]}} (3.21)

𝑏𝑛 = 2𝐴𝑛𝜋𝑚−1𝑘=0{(−1)𝑘× {−sin[𝑛𝑘∆] + cos[𝑛 × (𝑘∆ + 𝛿)]}} (3.22)

圖 3- 10 脈波電流輸出半週期向上或向下序列示意圖

2 π π

δ Δ

2m pulses

A

(28)

圖 3- 11 脈波電流輸出一上一下序列示意圖

依照上頁傅立葉級數,設定參數 m=3(半個市電週期有 3 個脈波)、400μs 脈波寬度、高度為 1A 電流注入,可以分析出半週期輸出向上或向下脈波電流,

其項次與諧波量如圖 3-12。由圖 3-12 顯示當半週期輸出向上或向下脈波電流會 影響各項奇次頻率,因其波型對稱所以沒有偶次項諧波。而每市電周期注入脈波 數越多,高次諧波衰減程度越低。輸出一上一下序列脈波電流其項次與諧波量為 圖 3-13。而圖 3-13 顯示輸出一上一下序列脈波電流並不影響電流基頻,而其諧 波項都集中於 3 倍頻上。如圖 3-14,隨著頻率增高,其諧波項也隨之往高次項諧

圖 3- 12 向上或向下脈波序列電流注入頻譜分析

2 π π

δ Δ

2m pulses

A

1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th 8th 9th 10th 11th 12th 13th 14th 15th 0

0 05. 0 1. 0 15. 0 2. 0 25.

Harmonic

CurrentA()

(29)

圖 3- 13 一上一下脈波序列電流注入頻譜分析

圖 3- 14 不同頻率之序列脈波電流注入差異

波累積,但隨著高次的脈波電流注入,越容易影響電流控制,因此依操作環境挑 選相當之脈波與脈寬是必須的。相同地,每市電周期注入脈波數越多,高次諧波 衰減程度越低

脈波電流注入法(PCI)注入高頻脈波電流,並且觀察注入電流前後電壓反 應,PCI 比起其他主動式孤島偵測更加快速。舉例,注入每市電週期 6 個脈波的 脈波電流,可使系統在最慢時間 2.8ms(1 6⁄ 系統週期)內偵測出 NDZ 下的孤島 系統,與 PCI 最相似的為諧波電流注入法(HCI),兩者之間的比較如下表 3-2:

1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th 8th 9th 10th 11th 12th 13th 14th 15th 0

0 05. 0 1. 0 15. 0 2. 0 25.

Harmonics

CurrentA ()

1st 3rd 5th 7th 9th 11th 13th 15th 17th 19th 21th 23th 25th 27th 29th 31th

0 0 05. 0 1. 0 15. 0 2. 0 25.

Harmonics

CurrentA()

6 10 14

pulses/cycle pulses/cycle pulses/cycle

(30)

表 3-2 主動式孤島偵測法中 PCI 與 HCI 比較

諧波電流注入法(HCI) 脈波電流注入法(PCI)

偵測方式 DFT 或 FFT 電壓反應

處理器處理時間 非常小

偵測速度 較慢

3.6 電力線通訊偵測法

電力線通訊(Power Line Communication, PLC)系統的概念在西元 1950 年 被提出。至現今,電力線通訊已發展成熟,並且已應用到一般區域網路建置。電 力線通訊技術可透過既有之電源線迴路建置網路寬頻環境,而不必佈署額外網路 線路。圖 3-15 表示一般家庭電力線通訊網路橋接架構圖。外部網路由路由器

(Route)連線到電力線通訊設備,利用既有之電力迴路傳送網路信號,在其它 電力線通訊設備之間做資訊解碼,再傳送至其他須上網設備如個人電腦(Personal Computer)、機上盒(STB)、遊戲機(Games)等…。

電力線通訊除了在寬頻網路的通訊範圍領域外,也可利用於控制、自動化或 微電網,如偵測停電、監控電力品質、遠端搖控及負載管理等相關議題。本研究 利用電力線通訊使用於孤島偵測上,如圖 3-16 顯示,遠端伺服器部分持續傳送 固定資訊,讓控制系統持續接收。若是發生孤島運轉,則市電端通訊設備發送之 訊號中斷。此時分散式系統若一段時間沒有接收到任何訊息,即可判定孤島運轉 產生,這是一項非常有效的方法應用於孤島偵測。初期電力線通訊設備非常昂貴 [4],因此遠端通訊功能不常被採用。但發展至今,目前一組 HomePlug AV 的電 力線通訊設備可以 99 元美金購得。比較於再生能源平台設置而言,已非常廉價。

圖 3-15 一般家庭應用電力線通訊網路橋接架構圖

PLC equipment

Route

Internet

PLC equipment

Personal Computer

PLC equipment

STB

PLC equipment

Games Room 1 Room 2

Room 1 Room 3

Source Circuit

(31)

圖 3-16 應用於微電網之電力線通訊技術架構

由於伺服器散播訊號至各個分散式系統的控制器,若是失去訊號等待過久則 跳脫。連接於電網之其他分散式發電機也可以由網路通訊中雙向溝通功能,利用 PLC 互相傳遞信息,可包含輸出總功率、輸出系統規格、系統狀態等…。如圖 3-17,市電若是故障,則伺服器與各個分散式發電機系統(DGSs)間通訊中斷,

而若其中一台分散式發電機發現孤島運轉,則將停止輸出能量信號給各個分散式 發電機,一併達到遠端及區域溝通的防孤島運轉(Anti-islanding)。

圖 3-17 電力線通訊與其他分散式發電機系統連結示意圖

3.7 混合式孤島偵測配置及操作點選擇

本研究之市電並聯反流器混合式孤島偵測控制方塊圖如圖 3-18,包含電流控 制(Current Control)、單相鎖相迴路控制(Phase Lock Loop, PLL)、及混合式孤 島偵測,詳細的解釋如下。

責任分界點電壓 Vpcc被用來做為靜止框(Stationary reference frame)轉換的 α 軸,利用單相 PLL 創造出虛擬的 β 軸進行同步框(Synchronous reference frame)

轉換得到 Vqe與 Vde軸,其中 Vqe表示實功量、Vde表示虛功量。而 Vde經過低通 濾波器(Low pass filter, LPF)後得到一直流量 Vde,dc,經由同步比例積分器

PLC

PLC

Controller

Ethernet

Server

Power line carrier

/

PLC

Server

Power line carrier

PLC PLC

PLC DGS

n

DGS

2

DGS

1

Breaker

(32)

(Proportional-Integral, PI)產生頻率角速度誤差 ωerr,基本頻率角速度ωf 加上頻 率角速度誤差ωerr後作積分即得到目前同步市電電壓相角θ。電流控制方面採預 測電流控制,以直流鏈電壓命令 Vdc*

減去實際直流鏈電壓 Vdc後執行比例積分器 控制產生電流命令 i*,電流命令乘上 cos 𝜃 後與目前輸出電流 iinv和脈波電流命 令 ipci*相減乘上 𝐿𝑖𝑛𝑣𝑇 ,再加上前饋項(feed forward term)電壓 Vpcc輸出電壓命令 𝑣𝑐𝑚𝑑 於 PWM 單元。

而混合式孤島偵測的部分搭配 OV/UV、OF/UF 獨立執行,PCI 部分依照 PLL 所得的系統角度 θ 進行脈波電流注入,而 PLC 部分持續接收外部訊息,可依照 環境獨立進行孤島偵測或是做為看門狗(Watchdog)控制 PCI 啟動運作。

圖 3-18 混合式孤島偵測控制方塊圖

然而 PCI 注入之電流大,其反應電壓量大,可減少偵測上受到干擾問題,但 由於規範中輸出電流必須維持 THDi < 5%,因此保持輸出電流在規範之內是必須 的,操作點的選擇與 THDi有關,操作點選擇依照以下四個步驟:

1. 以系統輸出電流基頻(fundamental)為基準,與 PCI 注入之脈波電流與寬度行 傅立葉分析如(3.26)及(3.25)式,算出的各諧波項次(H1、H2、H3…)如(3.26) 式,其中脈波寬度為δ,脈波與脈波間的寬度為 Δ,而半個週期會有 m 個脈 波輸出,以總諧波失真(THD)如(3.27)式預測計算出電流 THD < 5%的操作 點。

𝑎𝑛 = 2𝐴𝑛𝜋𝑚−1𝑘=0{(−1)𝑘× {cos[𝑛𝑘∆] − cos[𝑛 × (𝑘∆ + 𝛿)]}} (3.23)

𝑏𝑛 = 2𝐴𝑛𝜋𝑚−1𝑘=0{(−1)𝑘× {−sin[𝑛𝑘∆] + cos[𝑛 × (𝑘∆ + 𝛿)]}} (3.24)

𝐻𝑛 = √𝑎𝑛2+ 𝑏𝑛2 (3.25)

Cosθ

-iinv

i* Linv

T

Vpcc

v*

PWM

Vpcc αβ dqe Vde

LPF

PI

1s

Vqe

Vde,dc

ωf

θ

PLC

Remote Signal

PCI

θ Cos

θ i *pci

Current Control

Hybrid islanding detection

PI

-Vdc

V *dc

ωerr

cmd

參考文獻

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