混合型再生能源與儲能系統供電系統及其控制方法
【專利摘要】一種混合型再生能源與儲能系統供電系統及其控制方法是整合電化學式儲能裝置與機械式儲能裝置，再搭配太陽光電與風力發電系統，并與市電進行倂網。在控制概念運用交直流電相互優先供給交直流負載，藉此減少轉換耗損。本供電系統可使住宅、基地臺或機房用電自給自足，與市電倂網時，可與電力公司進行電力交易，而停電時可避免電力瞬斷，也可確保一定的電力供應。
【專利說明】混合型再生能源與儲能系統供電系統及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微電網技術應用領域，特別涉及一種混合型再生能源與儲能系統供電 系統及其控制方法，可結合iEN(Intelligent Energy Network)智能型節能服務監控系統 進行能源管理服務，可以運用于住宅、基地臺或機房發電設備，為iEN未來發展技術之一。
【背景技術】
[0002] 有鑒于前案的整合自然能源的儲能與供能系統，該前案應用于風力與太陽能源轉 換成電能、熱能與冷能的能源儲存與供給系統，風力與太陽能二項自然能源除產生電力儲 存與供給外，在不需要額外的電力條件下產生熱能與冷能，供給空調冷卻與熱水需求，充分 利用自然能源取代空調主機和鍋爐等設備。但是該前案無法于不同時段（尖峰、離峰與停 電）依需求與電價調整發電設備（燃料電池、風力發電、太陽光電、飛輪電池、鋰鐵電池）供 電順序，有效確保供電可靠度及降低發電成本；無法針對不同性質負載優先提供相應性質 電力，例如沒有將直流電力優先供給直流負載等，存在電力耗損等問題。
[0003] 由此可見，上述現有方式仍有諸多缺失，實非一良善的設計，而亟待加以改良。
【發明內容】
[0004] 達成上述發明目的的混合型再生能源與儲能系統供電系統及其控制方法，指一種 各類儲能系統（燃料電池、鋰鐵磷酸電池、飛輪電池）與再生能源系統（太陽光電與風力 發電）均存在著一定的缺點與局限性，由于儲能系統與再生能源本身的固有特性，若要對 其進行改善又得付出研發與成本上的代價，多種儲能系統與再生能源的結合就可以揚長避 短，充分發揮各種裝置的優點，實現用電自給自足的要求，并且可以延長設備壽命。
[0005] 本專利提出混合型儲能系統與再生能源供電架構，是整合電化學式儲能裝置 (鋰鐵磷酸電池與燃料電池）與機械式儲能裝置（飛輪電池），再搭配太陽光電與風力發電 系統，并與市電進行倂網，可作為住宅、基地臺或機房供電系統使用。
[0006] 本發明的混合型再生能源與儲能系統供電系統，其中該系統包括機械式儲能裝 置，為飛輪儲能裝置，連接市電并依慣性定律自行運轉儲能的裝置，依特殊情形的緊急供電 裝置，混合型供電裝置，是連接的再生能源供電架構與整合電化學式儲能裝置，交直流轉換 器，是與該混合型供電裝置相連接，并與交直流負載端連接，依該交直流負載端的需求提供 交直流供電以及控制單元，接收該混合型供電裝置與該交直流負載的訊號，控制監控該交 直流供電程度，其中，該機械式儲能裝置以低功率方式進行運轉儲能，且該混合型供電裝置 通過該交直流轉換器依控制單元判斷供給該交直流電源于交直流負載端。
[0007] 如上所述的混合型再生能源與儲能系統供電系統，其中該再生能源供電架構為太 陽光電、風力發電、燃料電池供給該交直流負載，該整合電化學式儲能裝置為飛輪電池與鋰 鐵磷酸電池，將多余電力對該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電，作為電力備援使用。
[0008] 其中該系統與市電倂網連接，與電力公司進行電力測試及監控，用以避免電力瞬 斷，保持電力穩定持續供給。
[0009] 若遇停電時期，該風力發電、該太陽光電與該燃料電池供電量遠小于交直流負載 端所需負載時，該控制單元啟動該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行供電，并將非必要負載 進行卸除，以延長該系統供給必要負載時間。
[0010] 該系統依序利用該太陽光電、該風力發電、該燃料電池與該市電進行供電，并將多 余電力對該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電。
[0011] 本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，包括以下步驟：
[0012] 1.市電供給電能于機械式儲能裝置，該機械式儲能裝置為自行運轉儲能的飛輪儲 能裝置，且與混合型供電裝置連接，通過相連接的交直流轉換器與控制單元，判斷及進行交 直流負載端的供需電能需求；
[0013] 2.該市電供給電源于該飛輪儲能裝置，令該飛輪儲能裝置進行低功率慣性運轉；
[0014] 3.該交直流轉換器通過控制單元判斷該混合型供電裝置與該交直流負載端的供 需平衡；
[0015] 4.當供電大于需求時，將電能儲存；
[0016] 5.當需求大于供電時，該混合型供電裝置持續供給電源；以及
[0017] 6.該控制單元判斷所需交直流電源需求，通過交直流轉換器輸出至交直流負載 端。
[0018] 如上所述的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其中該方法在控制概念 上，交流電優先供給交流負載，而直流電優先供給直流負載，用以減少轉換耗損。
[0019] 本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其中該方法于用電尖峰時 間，該混合型供電裝置的電能來源依序利用太陽光電、風力發電與該整合電化學式儲能裝 置的燃料電池與鋰鐵磷酸電池進行供電。
[0020] 相較于現有技術或方法，本發明所述利用混合型再生能源與儲能系統供電系統與 市電倂網，可依特殊情況進行電利調配，并能將多余電力儲存賣回電力公司，達到節能并能 支配調配電力所需的目的。
[0021] 所述混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其中該方法于離峰時段，該混合 型供電裝置的電能來源依序利用太陽光電、風力發電與該整合電化學式儲能裝置的燃料電 池與市電進行供電，并將多余電力對該飛輪儲能裝置電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電。
[0022] 所述混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其中該方法于停電或斷電時，該 飛輪儲能裝置與該鋰鐵磷酸電池所產生的電力，立即供給該交直流負載使用，提供中斷的 電力。
[0023] 所述混合型再生能源與儲能系統供電方法，其中待該系統運行穩定后，該混合型 供電裝置的電能來源再依序利用該太陽光電、風力發電與燃料電池供給負載。本發明所提 供的混合型再生能源與儲能系統供電系統及其控制方法，與其他現有技術相互比較時，整 合電化學式儲能系統（鋰鐵磷酸電池、燃料電池）、機械式儲能系統（飛輪電池）、太陽光電 與風力發電系統，并與市電進行倂網，更具備下列優點：
[0024] 1.交流電優先供給交流負載，而直流電優先供給直流負載，來減少轉換耗損。
[0025] 2.用電尖峰時段電費較貴，電力躉售價格較高，系統依序利用太陽光電、風力發 電、燃料電池與鋰鐵磷酸電池進行供電，用電可以自給自足，并可將多余電力回賣給電力公 司，并持續對飛輪儲能電池進行充電，作為電力備援使用。
[0026] 3.用電離峰時段電費較便宜，電力躉售價格較低，系統依序利用太陽光電、風力發 電、燃料電池與市電進行供電，并將多余電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電池進行充電。
[0027] 4.突然停電時，飛輪與鋰鐵磷酸電池所產生的電力，可直接供給負載使用，作為電 力中斷的轉接橋梁，提供零中斷的電力。待系統運行穩定后，系統依序利用太陽光電、風力 發電、燃料電池供給負載，并將多余電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電池進行充電，作為電力備 援使用。若停電時間過長，風力發電、太陽光電、燃料電池發電量遠小于負載時，將啟動飛輪 電池與鋰鐵電池進行供電，并將非必要負載進行卸除，系統需維持發電量大于負載量狀態， 以延長供給必要負載時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電系統的架構圖；
[0029] 圖2為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的流程圖；
[0030] 圖3為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的尖峰時段的控制流 程圖（1);
[0031] 圖4為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的尖峰時段的控制流 程圖（2);
[0032] 圖5為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的尖峰時段的控制流 程圖（3);
[0033] 圖6為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的尖峰時段的控制流 程圖（4 );
[0034] 圖7為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的離峰時段的控制流 程圖（1);
[0035] 圖8為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的離峰時段的控制流 程圖（2);
[0036] 圖9為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的離峰時段的控制流 程圖（3);
[0037] 圖10為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的停電時段的控制流 程圖（1);
[0038] 圖11為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的停電時段的控制流 程圖（2);
[0039] 圖12為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的停電時段的控制流 程圖（3)。
[0040] 符號說明
[0041] 10 市電
[0042] 20機械式儲能裝置
[0043] 21飛輪儲能裝置
[0044] 30混合型供電裝置
[0045] 31再生能源供電架構
[0046] 311太陽光電
[0047] 312風力發電
[0048] 313燃料電池
[0049] 32整合電化學式儲能裝置
[0050] 322鋰鐵磷酸電池
[0051] 40交直流轉換器
[0052] 50交直流負載
[0053] 51交流負載
[0054] 511必要交流負載
[0055] 52直流負載
[0056] 521必要直流負載
[0057] 60控制單元
[0058] 50交直流負載
[0059] 51 交流
[0060] 52 直流
[0061] 60控制單元
[0062] S11?S16方法流程圖
【具體實施方式】
[0063] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但并 不用于限定本發明。
[0064] 以下，結合附圖對本發明進一步說明：
[0065] 請參閱圖1為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電系統的架構圖，
[0066] 一種混合型再生能源與儲能系統供電系統，其中該系統至少包括機械式儲能裝置 20,可為飛輪儲能裝置21，連接市電并依慣性定律自行運轉儲能的裝置，依特殊情形的緊急 供電裝置，配合實際需求而進行調整，混合型供電裝置30,是連接的再生能源供電架構31 與整合電化學式儲能裝置32,交直流轉換器40,是與該混合型供電裝置30相連接，并與交 直流負載端40連接,依該交直流負載端的需求提供交直流供電以及控制單元，接收該混合 型供電裝置30與該交直流負載的訊號，控制監控該交直流供電程度，其中，該機械式儲能 裝置20以低功率方式進行運轉儲能，且該混合型供電裝置30通過該交直流轉換器40依控 制單元判斷供給該交直流電源于交直流負載端。
[0067] 請參閱圖2為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的流程圖。
[0068] S11市電供給電能于機械式儲能裝置，該機械式儲能裝置為自行運轉儲能的飛輪 儲能裝置，且與混合型供電裝置連接，通過相連接的交直流轉換器與控制單元，判斷及進行 交直流負載端的供需電能需求；
[0069] S12該市電供給電源于該飛輪儲能裝置，令該飛輪儲能裝置進行低功率慣性運 轉；
[0070] S13該交直流轉換器通過控制單元判斷該混合型供電裝置與該交直流負載端的 供需平衡；
[0071] S14當供電大于需求時，將電能儲存；
[0072] S15當需求大于供電時，該混合型供電裝置持續供給電源；
[0073] S16該控制單元判斷所需交直流電源需求，通過交直流轉換器輸出至交直流負載 端。
[0074] 交流電優先供給交流負載，而直流電優先供給直流負載，且依不同時段（尖峰時 段、離峰時段、停電時段），提出不同的控制方法：
[0075] 請參閱圖3為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的尖峰時段的 控制流程圖（1 )，包含以下步驟：
[0076] [1]尖峰時段電費較貴，電力躉售價格較高，系統依不同狀況采用不同的控制方 法：
[0077] 控制方法1 :
[0078] 當風力發電312與太陽光電311發電量大于交流負載51與直流負載52時，風力 發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311優先供給直流負載52,若有不足的部分再 通過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載。然后將剩余的電，以及燃料電池313與鋰 鐵磷酸電池322所產生的電能回賣給電力公司。
[0079] 請參閱圖4為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的尖峰時段的 控制流程圖（2)，包含以下步驟：
[0080] 控制方法2 :
[0081] 當風力發電312、太陽光電311與燃料電池313發電量大于交流負載51與直流負 載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313依次供給直流 負載52,若有不足的部分再通過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載。然后將剩余的 電，以及鋰鐵磷酸電池322所產生的電能回賣給電力公司。
[0082] 請參閱圖5為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的尖峰時段的 控制流程圖（3)，包含以下步驟：
[0083] 控制方法3 :
[0084] 當風力發電312、太陽光電311、燃料電池313與鋰鐵磷酸電池322發電量大于交 流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電 池313、鋰鐵磷酸電池322依序供給直流負載52,若有不足的部分再通過交直流轉換器40 交互供給直流或交流負載，并將剩余電能回賣給電力公司。
[0085] 請參閱圖6為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的尖峰時段的 控制流程圖（4)，包含以下步驟：
[0086] 控制方法4 :
[0087] 當風力發電312、太陽光電311、燃料電池313與鋰鐵磷酸電池322發電量小于交 流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電 池313、鋰鐵磷酸電池322依序供給直流負載52,若有不足的部分再通過交直流轉換器40 交互供給直流或交流負載，不足的電力則由市電10提供。
[0088] 請參閱圖7為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的離峰時段的 控制流程圖（1 )，包含以下步驟：
[0089] [2]離峰時段
[0090] 離峰時段電費較便宜，電力躉售價格較低，系統依不同狀況采用不同的控制方 法：
[0091] 控制方法1:
[0092] 當風力發電312與太陽光電311發電量大于交流負載51與直流負載52時，風力 發電312優先供給交流負載51，太陽光電311優先供給直流負載52,若有不足的部分再通 過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，并將多余的電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電 池322進行充電，作為電力備援使用，而燃料電池313不啟動。
[0093] 請參閱圖8為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的離峰時段的 控制流程圖（2)，包含以下步驟：
[0094] 控制方法2 :
[0095] 當風力發電312、太陽光電311與燃料電池313發電量大于交流負載51與直流負 載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313依次供給直 流負載52,若有不足的部分再通過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，使用電力自 給自足，并可將多余電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322進行充電，作為電力備援使用。 [0096] 請參閱圖9為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的離峰時段的 控制流程圖（3)，包含以下步驟：
[0097] 控制方法3 :
[0098] 當風力發電312、太陽光電311、燃料電池313發電量小于交流負載51與直流負載 52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313依序供給直流負 載52,并通過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，電力不足的部分則由市電10提 供，飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322不啟動作為電力備援使用。
[0099] 請參閱圖10為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的停電時段的 控制流程圖（1 )，包含以下步驟：
[0100] [3]停電時段
[0101] 突然停電時，為避免電力瞬斷，系統采下面控制方法：
[0102] 控制方法1 :
[0103] 飛輪電池與鋰鐵電池322作為電力突然中斷的轉接橋梁，馬上提供負載電力，以 達到電力零中斷的目標，太陽光電311、風力發電312、燃料電池313再依次供給負載，并通 過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載。
[0104] 請參閱圖11為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的停電時段的 控制流程圖（2 )，包含以下步驟：
[0105] 停電穩定后，系統再依不同狀況采用不同的控制方法：
[0106] 控制方法2:
[0107] 當風力發電312、太陽光電311、燃料電池313發電量大于交流負載51與直流負載 52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313依次供給直流負 載52,若有不足的部分再通過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，并將多余電力對 飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322進行充電，作為電力備援使用。
[0108] 請參閱圖12為本發明的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法的停電時段的 控制流程圖（3 )，包含以下步驟：
[0109] 控制方法3:
[0110] 停電時間過長，風力發電312、太陽光電311、燃料電池313發電量小于負載時，啟 動飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322進行供電，并將非必要直流負載521與必要交流負載511 進行卸除，系統維持發電量大于負載量狀態，以延長系統供給必要負載時間。
[0111] 上列詳細說明乃針對本發明的可行實施例進行具體說明，惟該實施例并非用以限 制本發明的專利范圍，凡未脫離本發明技藝精神所為的等效實施或變更，均應包含于本案 的專利范圍中。
【權利要求】
1. 一種混合型再生能源與儲能系統供電系統，其特征在于，該系統包括： 機械式儲能裝置，為飛輪儲能裝置，連接市電并依慣性定律自行運轉儲能的裝置，依特 殊情形的緊急供電裝置； 混合型供電裝置，是連接的再生能源供電架構與整合電化學式儲能裝置； 交直流轉換器，是與該混合型供電裝置相連接，并與交直流負載端連接，依該交直流負 載端的需求提供交直流供電；以及 控制單元，接收該混合型供電裝置與該交直流負載的訊號，控制監控該交直流供電程 度； 其中，該機械式儲能裝置以低功率方式進行運轉儲能，且該混合型供電裝置通過該交 直流轉換器依控制單元判斷供給該交直流電源于交直流負載端。
2. 根據權利要求1所述的混合型再生能源與儲能系統供電系統，其特征在于，該再生 能源供電架構為太陽光電、風力發電、燃料電池供給該交直流負載，該整合電化學式儲能裝 置為飛輪電池與鋰鐵磷酸電池，將多余電力對該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電，作 為電力備援使用。
3. 根據權利要求2所述的混合型再生能源與儲能系統供電系統，其特征在于，該系統 與市電倂網連接，與電力公司進行電力測試及監控。
4. 根據權利要求2所述的混合型再生能源與儲能系統供電系統，其特征在于，若遇停 電時期，該風力發電、該太陽光電與該燃料電池供電量遠小于交直流負載端所需負載時，該 控制單元啟動該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行供電，并將非必要負載進行卸除，以延長 該系統供給必要負載時間。
5. 根據權利要求2所述的混合型再生能源與儲能系統供電系統，其特征在于，該系統 依序利用該太陽光電、該風力發電、該燃料電池與該市電進行供電，并將多余電力對該飛輪 電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電。
6. -種混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其特征在于，步驟包括： A. 市電供給電能于機械式儲能裝置，該機械式儲能裝置為自行運轉儲能的飛輪儲能裝 置，且與混合型供電裝置連接，通過相連接的交直流轉換器與控制單元，判斷及進行交直流 負載端的供需電能需求； B. 該市電供給電源于該飛輪儲能裝置，令該飛輪儲能裝置進行低功率慣性運轉； C. 該交直流轉換器通過控制單元判斷該混合型供電裝置與該交直流負載端的供需平 衡； D. 當供電大于需求時，將電能儲存； E. 當需求大于供電時，該混合型供電裝置持續供給電源；以及 F. 該控制單元判斷所需交直流電源需求，通過交直流轉換器輸出至交直流負載端。
7. 根據權利要求6所述的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其特征在于，該 方法在控制概念上，交流電優先供給交流負載，而直流電優先供給直流負載。
8. 根據權利要求6所述的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其特征在于，該 方法于用電尖峰時間，該混合型供電裝置的電能來源依序利用太陽光電、風力發電與該整 合電化學式儲能裝置的燃料電池與鋰鐵磷酸電池進行供電。
9. 根據權利要求6所述的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其特征在于，該 方法于離峰時段，該混合型供電裝置的電能來源依序利用太陽光電、風力發電與該整合電 化學式儲能裝置的燃料電池與市電進行供電，并將多余電力對該飛輪儲能裝置電池與該鋰 鐵磷酸電池進行充電。
10. 根據權利要求6所述的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其特征在于，該 方法于停電或斷電時，該飛輪儲能裝置與該鋰鐵磷酸電池所產生的電力，立即供給該交直 流負載使用，提供中斷的電力。
11. 根據權利要求9所述的混合型再生能源與儲能系統供電控制方法，其特征在于，待 該系統運行穩定后，該混合型供電裝置的電能來源再依序利用該太陽光電、風力發電與燃 料電池供給負載。
【文檔編號】H02J3/38GK104092236SQ201410260358
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2013年10月1日
【發明者】薛清益, 吳武杰, 黃偉, 林亦欣, 廖仁忠, 呂光欽 申請人:中華電信股份有限公司