混合型再生能源与储能系统供电系统及其控制方法
【专利摘要】一种混合型再生能源与储能系统供电系统及其控制方法是整合电化学式储能装置与机械式储能装置，再搭配太阳光电与风力发电系统，并与市电进行倂网。在控制概念运用交直流电相互优先供给交直流负载，藉此减少转换耗损。本供电系统可使住宅、基地台或机房用电自给自足，与市电倂网时，可与电力公司进行电力交易，而停电时可避免电力瞬断，也可确保一定的电力供应。
【专利说明】混合型再生能源与储能系统供电系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微电网技术应用领域，特别涉及一种混合型再生能源与储能系统供电 系统及其控制方法，可结合iEN(Intelligent Energy Network)智能型节能服务监控系统 进行能源管理服务，可以运用于住宅、基地台或机房发电设备，为iEN未来发展技术之一。
【背景技术】
[0002] 有鉴于前案的整合自然能源的储能与供能系统，该前案应用于风力与太阳能源转 换成电能、热能与冷能的能源储存与供给系统，风力与太阳能二项自然能源除产生电力储 存与供给外，在不需要额外的电力条件下产生热能与冷能，供给空调冷却与热水需求，充分 利用自然能源取代空调主机和锅炉等设备。但是该前案无法于不同时段（尖峰、离峰与停 电）依需求与电价调整发电设备（燃料电池、风力发电、太阳光电、飞轮电池、锂铁电池）供 电顺序，有效确保供电可靠度及降低发电成本；无法针对不同性质负载优先提供相应性质 电力，例如没有将直流电力优先供给直流负载等，存在电力耗损等问题。
[0003] 由此可见，上述现有方式仍有诸多缺失，实非一良善的设计，而亟待加以改良。
【发明内容】
[0004] 达成上述发明目的的混合型再生能源与储能系统供电系统及其控制方法，指一种 各类储能系统（燃料电池、锂铁磷酸电池、飞轮电池）与再生能源系统（太阳光电与风力 发电）均存在着一定的缺点与局限性，由于储能系统与再生能源本身的固有特性，若要对 其进行改善又得付出研发与成本上的代价，多种储能系统与再生能源的结合就可以扬长避 短，充分发挥各种装置的优点，实现用电自给自足的要求，并且可以延长设备寿命。
[0005] 本专利提出混合型储能系统与再生能源供电架构，是整合电化学式储能装置 (锂铁磷酸电池与燃料电池）与机械式储能装置（飞轮电池），再搭配太阳光电与风力发电 系统，并与市电进行倂网，可作为住宅、基地台或机房供电系统使用。
[0006] 本发明的混合型再生能源与储能系统供电系统，其中该系统包括机械式储能装 置，为飞轮储能装置，连接市电并依惯性定律自行运转储能的装置，依特殊情形的紧急供电 装置，混合型供电装置，是连接的再生能源供电架构与整合电化学式储能装置，交直流转换 器，是与该混合型供电装置相连接，并与交直流负载端连接，依该交直流负载端的需求提供 交直流供电以及控制单元，接收该混合型供电装置与该交直流负载的讯号，控制监控该交 直流供电程度，其中，该机械式储能装置以低功率方式进行运转储能，且该混合型供电装置 通过该交直流转换器依控制单元判断供给该交直流电源于交直流负载端。
[0007] 如上所述的混合型再生能源与储能系统供电系统，其中该再生能源供电架构为太 阳光电、风力发电、燃料电池供给该交直流负载，该整合电化学式储能装置为飞轮电池与锂 铁磷酸电池，将多余电力对该飞轮电池与该锂铁磷酸电池进行充电，作为电力备援使用。
[0008] 其中该系统与市电倂网连接，与电力公司进行电力测试及监控，用以避免电力瞬 断，保持电力稳定持续供给。
[0009] 若遇停电时期，该风力发电、该太阳光电与该燃料电池供电量远小于交直流负载 端所需负载时，该控制单元启动该飞轮电池与该锂铁磷酸电池进行供电，并将非必要负载 进行卸除，以延长该系统供给必要负载时间。
[0010] 该系统依序利用该太阳光电、该风力发电、该燃料电池与该市电进行供电，并将多 余电力对该飞轮电池与该锂铁磷酸电池进行充电。
[0011] 本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法，包括以下步骤：
[0012] 1.市电供给电能于机械式储能装置，该机械式储能装置为自行运转储能的飞轮储 能装置，且与混合型供电装置连接，通过相连接的交直流转换器与控制单元，判断及进行交 直流负载端的供需电能需求；
[0013] 2.该市电供给电源于该飞轮储能装置，令该飞轮储能装置进行低功率惯性运转；
[0014] 3.该交直流转换器通过控制单元判断该混合型供电装置与该交直流负载端的供 需平衡；
[0015] 4.当供电大于需求时，将电能储存；
[0016] 5.当需求大于供电时，该混合型供电装置持续供给电源；以及
[0017] 6.该控制单元判断所需交直流电源需求，通过交直流转换器输出至交直流负载 端。
[0018] 如上所述的混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其中该方法在控制概念 上，交流电优先供给交流负载，而直流电优先供给直流负载，用以减少转换耗损。
[0019] 本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其中该方法于用电尖峰时 间，该混合型供电装置的电能来源依序利用太阳光电、风力发电与该整合电化学式储能装 置的燃料电池与锂铁磷酸电池进行供电。
[0020] 相较于现有技术或方法，本发明所述利用混合型再生能源与储能系统供电系统与 市电倂网，可依特殊情况进行电利调配，并能将多余电力储存卖回电力公司，达到节能并能 支配调配电力所需的目的。
[0021] 所述混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其中该方法于离峰时段，该混合 型供电装置的电能来源依序利用太阳光电、风力发电与该整合电化学式储能装置的燃料电 池与市电进行供电，并将多余电力对该飞轮储能装置电池与该锂铁磷酸电池进行充电。
[0022] 所述混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其中该方法于停电或断电时，该 飞轮储能装置与该锂铁磷酸电池所产生的电力，立即供给该交直流负载使用，提供中断的 电力。
[0023] 所述混合型再生能源与储能系统供电方法，其中待该系统运行稳定后，该混合型 供电装置的电能来源再依序利用该太阳光电、风力发电与燃料电池供给负载。本发明所提 供的混合型再生能源与储能系统供电系统及其控制方法，与其他现有技术相互比较时，整 合电化学式储能系统（锂铁磷酸电池、燃料电池）、机械式储能系统（飞轮电池）、太阳光电 与风力发电系统，并与市电进行倂网，更具备下列优点：
[0024] 1.交流电优先供给交流负载，而直流电优先供给直流负载，来减少转换耗损。
[0025] 2.用电尖峰时段电费较贵，电力趸售价格较高，系统依序利用太阳光电、风力发 电、燃料电池与锂铁磷酸电池进行供电，用电可以自给自足，并可将多余电力回卖给电力公 司，并持续对飞轮储能电池进行充电，作为电力备援使用。
[0026] 3.用电离峰时段电费较便宜，电力趸售价格较低，系统依序利用太阳光电、风力发 电、燃料电池与市电进行供电，并将多余电力对飞轮电池与锂铁磷酸电池进行充电。
[0027] 4.突然停电时，飞轮与锂铁磷酸电池所产生的电力，可直接供给负载使用，作为电 力中断的转接桥梁，提供零中断的电力。待系统运行稳定后，系统依序利用太阳光电、风力 发电、燃料电池供给负载，并将多余电力对飞轮电池与锂铁磷酸电池进行充电，作为电力备 援使用。若停电时间过长，风力发电、太阳光电、燃料电池发电量远小于负载时，将启动飞轮 电池与锂铁电池进行供电，并将非必要负载进行卸除，系统需维持发电量大于负载量状态， 以延长供给必要负载时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的混合型再生能源与储能系统供电系统的架构图；
[0029] 图2为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的流程图；
[0030] 图3为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的尖峰时段的控制流 程图（1);
[0031] 图4为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的尖峰时段的控制流 程图（2);
[0032] 图5为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的尖峰时段的控制流 程图（3);
[0033] 图6为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的尖峰时段的控制流 程图（4 );
[0034] 图7为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的离峰时段的控制流 程图（1);
[0035] 图8为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的离峰时段的控制流 程图（2);
[0036] 图9为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的离峰时段的控制流 程图（3);
[0037] 图10为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的停电时段的控制流 程图（1);
[0038] 图11为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的停电时段的控制流 程图（2);
[0039] 图12为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的停电时段的控制流 程图（3)。
[0040] 符号说明
[0041] 10 市电
[0042] 20机械式储能装置
[0043] 21飞轮储能装置
[0044] 30混合型供电装置
[0045] 31再生能源供电架构
[0046] 311太阳光电
[0047] 312风力发电
[0048] 313燃料电池
[0049] 32整合电化学式储能装置
[0050] 322锂铁磷酸电池
[0051] 40交直流转换器
[0052] 50交直流负载
[0053] 51交流负载
[0054] 511必要交流负载
[0055] 52直流负载
[0056] 521必要直流负载
[0057] 60控制单元
[0058] 50交直流负载
[0059] 51 交流
[0060] 52 直流
[0061] 60控制单元
[0062] S11?S16方法流程图
【具体实施方式】
[0063] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并 不用于限定本发明。
[0064] 以下，结合附图对本发明进一步说明：
[0065] 请参阅图1为本发明的混合型再生能源与储能系统供电系统的架构图，
[0066] 一种混合型再生能源与储能系统供电系统，其中该系统至少包括机械式储能装置 20,可为飞轮储能装置21，连接市电并依惯性定律自行运转储能的装置，依特殊情形的紧急 供电装置，配合实际需求而进行调整，混合型供电装置30,是连接的再生能源供电架构31 与整合电化学式储能装置32,交直流转换器40,是与该混合型供电装置30相连接，并与交 直流负载端40连接,依该交直流负载端的需求提供交直流供电以及控制单元，接收该混合 型供电装置30与该交直流负载的讯号，控制监控该交直流供电程度，其中，该机械式储能 装置20以低功率方式进行运转储能，且该混合型供电装置30通过该交直流转换器40依控 制单元判断供给该交直流电源于交直流负载端。
[0067] 请参阅图2为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的流程图。
[0068] S11市电供给电能于机械式储能装置，该机械式储能装置为自行运转储能的飞轮 储能装置，且与混合型供电装置连接，通过相连接的交直流转换器与控制单元，判断及进行 交直流负载端的供需电能需求；
[0069] S12该市电供给电源于该飞轮储能装置，令该飞轮储能装置进行低功率惯性运 转；
[0070] S13该交直流转换器通过控制单元判断该混合型供电装置与该交直流负载端的 供需平衡；
[0071] S14当供电大于需求时，将电能储存；
[0072] S15当需求大于供电时，该混合型供电装置持续供给电源；
[0073] S16该控制单元判断所需交直流电源需求，通过交直流转换器输出至交直流负载 端。
[0074] 交流电优先供给交流负载，而直流电优先供给直流负载，且依不同时段（尖峰时 段、离峰时段、停电时段），提出不同的控制方法：
[0075] 请参阅图3为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的尖峰时段的 控制流程图（1 )，包含以下步骤：
[0076] [1]尖峰时段电费较贵，电力趸售价格较高，系统依不同状况采用不同的控制方 法：
[0077] 控制方法1 :
[0078] 当风力发电312与太阳光电311发电量大于交流负载51与直流负载52时，风力 发电312优先供给交流负载51，而太阳光电311优先供给直流负载52,若有不足的部分再 通过交直流转换器40交互供给直流或交流负载。然后将剩余的电，以及燃料电池313与锂 铁磷酸电池322所产生的电能回卖给电力公司。
[0079] 请参阅图4为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的尖峰时段的 控制流程图（2)，包含以下步骤：
[0080] 控制方法2 :
[0081] 当风力发电312、太阳光电311与燃料电池313发电量大于交流负载51与直流负 载52时，风力发电312优先供给交流负载51，而太阳光电311、燃料电池313依次供给直流 负载52,若有不足的部分再通过交直流转换器40交互供给直流或交流负载。然后将剩余的 电，以及锂铁磷酸电池322所产生的电能回卖给电力公司。
[0082] 请参阅图5为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的尖峰时段的 控制流程图（3)，包含以下步骤：
[0083] 控制方法3 :
[0084] 当风力发电312、太阳光电311、燃料电池313与锂铁磷酸电池322发电量大于交 流负载51与直流负载52时，风力发电312优先供给交流负载51，而太阳光电311、燃料电 池313、锂铁磷酸电池322依序供给直流负载52,若有不足的部分再通过交直流转换器40 交互供给直流或交流负载，并将剩余电能回卖给电力公司。
[0085] 请参阅图6为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的尖峰时段的 控制流程图（4)，包含以下步骤：
[0086] 控制方法4 :
[0087] 当风力发电312、太阳光电311、燃料电池313与锂铁磷酸电池322发电量小于交 流负载51与直流负载52时，风力发电312优先供给交流负载51，而太阳光电311、燃料电 池313、锂铁磷酸电池322依序供给直流负载52,若有不足的部分再通过交直流转换器40 交互供给直流或交流负载，不足的电力则由市电10提供。
[0088] 请参阅图7为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的离峰时段的 控制流程图（1 )，包含以下步骤：
[0089] [2]离峰时段
[0090] 离峰时段电费较便宜，电力趸售价格较低，系统依不同状况采用不同的控制方 法：
[0091] 控制方法1:
[0092] 当风力发电312与太阳光电311发电量大于交流负载51与直流负载52时，风力 发电312优先供给交流负载51，太阳光电311优先供给直流负载52,若有不足的部分再通 过交直流转换器40交互供给直流或交流负载，并将多余的电力对飞轮电池与锂铁磷酸电 池322进行充电，作为电力备援使用，而燃料电池313不启动。
[0093] 请参阅图8为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的离峰时段的 控制流程图（2)，包含以下步骤：
[0094] 控制方法2 :
[0095] 当风力发电312、太阳光电311与燃料电池313发电量大于交流负载51与直流负 载52时，风力发电312优先供给交流负载51，而太阳光电311、燃料电池313依次供给直 流负载52,若有不足的部分再通过交直流转换器40交互供给直流或交流负载，使用电力自 给自足，并可将多余电力对飞轮电池与锂铁磷酸电池322进行充电，作为电力备援使用。 [0096] 请参阅图9为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的离峰时段的 控制流程图（3)，包含以下步骤：
[0097] 控制方法3 :
[0098] 当风力发电312、太阳光电311、燃料电池313发电量小于交流负载51与直流负载 52时，风力发电312优先供给交流负载51，而太阳光电311、燃料电池313依序供给直流负 载52,并通过交直流转换器40交互供给直流或交流负载，电力不足的部分则由市电10提 供，飞轮电池与锂铁磷酸电池322不启动作为电力备援使用。
[0099] 请参阅图10为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的停电时段的 控制流程图（1 )，包含以下步骤：
[0100] [3]停电时段
[0101] 突然停电时，为避免电力瞬断，系统采下面控制方法：
[0102] 控制方法1 :
[0103] 飞轮电池与锂铁电池322作为电力突然中断的转接桥梁，马上提供负载电力，以 达到电力零中断的目标，太阳光电311、风力发电312、燃料电池313再依次供给负载，并通 过交直流转换器40交互供给直流或交流负载。
[0104] 请参阅图11为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的停电时段的 控制流程图（2 )，包含以下步骤：
[0105] 停电稳定后，系统再依不同状况采用不同的控制方法：
[0106] 控制方法2:
[0107] 当风力发电312、太阳光电311、燃料电池313发电量大于交流负载51与直流负载 52时，风力发电312优先供给交流负载51，而太阳光电311、燃料电池313依次供给直流负 载52,若有不足的部分再通过交直流转换器40交互供给直流或交流负载，并将多余电力对 飞轮电池与锂铁磷酸电池322进行充电，作为电力备援使用。
[0108] 请参阅图12为本发明的混合型再生能源与储能系统供电控制方法的停电时段的 控制流程图（3 )，包含以下步骤：
[0109] 控制方法3:
[0110] 停电时间过长，风力发电312、太阳光电311、燃料电池313发电量小于负载时，启 动飞轮电池与锂铁磷酸电池322进行供电，并将非必要直流负载521与必要交流负载511 进行卸除，系统维持发电量大于负载量状态，以延长系统供给必要负载时间。
[0111] 上列详细说明乃针对本发明的可行实施例进行具体说明，惟该实施例并非用以限 制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案 的专利范围中。
【权利要求】
1. 一种混合型再生能源与储能系统供电系统，其特征在于，该系统包括： 机械式储能装置，为飞轮储能装置，连接市电并依惯性定律自行运转储能的装置，依特 殊情形的紧急供电装置； 混合型供电装置，是连接的再生能源供电架构与整合电化学式储能装置； 交直流转换器，是与该混合型供电装置相连接，并与交直流负载端连接，依该交直流负 载端的需求提供交直流供电；以及 控制单元，接收该混合型供电装置与该交直流负载的讯号，控制监控该交直流供电程 度； 其中，该机械式储能装置以低功率方式进行运转储能，且该混合型供电装置通过该交 直流转换器依控制单元判断供给该交直流电源于交直流负载端。
2. 根据权利要求1所述的混合型再生能源与储能系统供电系统，其特征在于，该再生 能源供电架构为太阳光电、风力发电、燃料电池供给该交直流负载，该整合电化学式储能装 置为飞轮电池与锂铁磷酸电池，将多余电力对该飞轮电池与该锂铁磷酸电池进行充电，作 为电力备援使用。
3. 根据权利要求2所述的混合型再生能源与储能系统供电系统，其特征在于，该系统 与市电倂网连接，与电力公司进行电力测试及监控。
4. 根据权利要求2所述的混合型再生能源与储能系统供电系统，其特征在于，若遇停 电时期，该风力发电、该太阳光电与该燃料电池供电量远小于交直流负载端所需负载时，该 控制单元启动该飞轮电池与该锂铁磷酸电池进行供电，并将非必要负载进行卸除，以延长 该系统供给必要负载时间。
5. 根据权利要求2所述的混合型再生能源与储能系统供电系统，其特征在于，该系统 依序利用该太阳光电、该风力发电、该燃料电池与该市电进行供电，并将多余电力对该飞轮 电池与该锂铁磷酸电池进行充电。
6. -种混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其特征在于，步骤包括： A. 市电供给电能于机械式储能装置，该机械式储能装置为自行运转储能的飞轮储能装 置，且与混合型供电装置连接，通过相连接的交直流转换器与控制单元，判断及进行交直流 负载端的供需电能需求； B. 该市电供给电源于该飞轮储能装置，令该飞轮储能装置进行低功率惯性运转； C. 该交直流转换器通过控制单元判断该混合型供电装置与该交直流负载端的供需平 衡； D. 当供电大于需求时，将电能储存； E. 当需求大于供电时，该混合型供电装置持续供给电源；以及 F. 该控制单元判断所需交直流电源需求，通过交直流转换器输出至交直流负载端。
7. 根据权利要求6所述的混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其特征在于，该 方法在控制概念上，交流电优先供给交流负载，而直流电优先供给直流负载。
8. 根据权利要求6所述的混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其特征在于，该 方法于用电尖峰时间，该混合型供电装置的电能来源依序利用太阳光电、风力发电与该整 合电化学式储能装置的燃料电池与锂铁磷酸电池进行供电。
9. 根据权利要求6所述的混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其特征在于，该 方法于离峰时段，该混合型供电装置的电能来源依序利用太阳光电、风力发电与该整合电 化学式储能装置的燃料电池与市电进行供电，并将多余电力对该飞轮储能装置电池与该锂 铁磷酸电池进行充电。
10. 根据权利要求6所述的混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其特征在于，该 方法于停电或断电时，该飞轮储能装置与该锂铁磷酸电池所产生的电力，立即供给该交直 流负载使用，提供中断的电力。
11. 根据权利要求9所述的混合型再生能源与储能系统供电控制方法，其特征在于，待 该系统运行稳定后，该混合型供电装置的电能来源再依序利用该太阳光电、风力发电与燃 料电池供给负载。
【文档编号】H02J3/38GK104092236SQ201410260358
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2013年10月1日
【发明者】薛清益, 吴武杰, 黄伟, 林亦欣, 廖仁忠, 吕光钦 申请人:中华电信股份有限公司