技术领域
[0001] 本发明是关于一种电力系统及其运作方法，特别是关于一种电力调度系统及电力调度方法。
相关背景技术
[0002] 电能由于使用方便，目前是世界上密度最高、分布最广并且使用最多的能源型态。然而，当电力负载高于发电量或低于发电量，都可能使电网的频率出现变动进而可能造成电网的崩溃，因此要维持电力系统稳定，时时刻刻都要保持供需平衡，适应电力负载需求而适时的调整电力供应，即为调度工作。近年使用的太阳能的光电以及风力的风电等绿色能源发电，由于发电功率的难以掌握，更使电力调度工作不只成本增加，也使得维持电网的稳定性更加的困难。
[0003] 绿色能源的惯量（inertia）要比传统发电机组小很多，在正常发电出力变动的时候，发电系统频率容易偏离目标值。系统发生偶发跳机事故时，绿色能源发电占较高比例的系统总惯量比较小，发电系统频率响应较快，因而更容易造成系统稳定度的问题，更突显现代电网电力调度的困难性。
[0004] 一般而言，电力大致可通过火力发电、水力发电或核能发电来获得。其中，基础的电力来源是来自于核能发电或火力发电，而当有意外的紧急需求时，一般则会选择使用水力发电。因为水力发电的特性是启动快，电力可以快速并网。然而，水力发电的缺点在于，发电过后的水不会复返，而抽蓄水力发电需在用电低峰时间再将水抽至上池储存，有建造环境有限、效率低以及降雨量等天然因素的限制。
[0005] 为了解决高峰或瞬间电能不足的问题，业界采用电池储能发电来取代水力发电或者抽蓄水力发电，电池储能发电快速反应的特性，更是低惯量绿色能源发电的最佳调度方案。但是电池储能发电的费用相当昂贵，其至少包括电网发电成本、电池折旧成本以及再发电成本，储能用的锂电池目前的平均成本大约为每千瓦小时180 200美元，对比于其他形式~储能发电厂的发电成本，相对昂贵许多。因此，若要单独建造一座具有效益的电池储能发电厂，其投入的成本是非常可观的。
[0006] 因此，如何更经济而有效的因应电网的需求而调度电力，以维持电力系统稳定，实属当前的重要问题之一。
具体实施方式
[0049] 为了使所属技术领域中技术人员能了解本发明的内容，并可据以实现本发明的内容，现配合适当实施例及附图说明如下，其中相同的组件将以相同的组件符号加以说明。
[0050] 本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，并非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的组件或操作。另外，本文中所使用的“耦接”（couple）可包括直接或间接的电性连接，或是通过通信的方式所达成的通信连接或数据连接等。
[0051] 首先要说明的是，本发明的电力调度系统以及电力调度方法是与电动车及其使用的交换电池组配合应用。请参阅图1所示，一电动车100可包括一主电池组11、一交换电池组容置空间12以及一交换电池组（swappable battery pack）13。
[0052] 主电池组11设置于电动车100的四个车轮101a 101d之间的车底空间，并与电动车~100的车体结构稳固结合（图未显示），然而主电池组11的实际配置位置可依据各车型的设计而改变。
[0053] 交换电池组容置空间12可以装载并连接不同型式或容量规格的交换电池组13。交换电池组容置空间12是专属设计于电动车100上的一个半封闭空间或封闭式空间（图未显示），其可稳固收纳特定相同外形的交换电池组13。如图2所示，交换电池组13具有相互耦接的一直流电源转换器（DC‑to‑DC converter）131、多个相互电性连接的电池单元（battery cell）132以及一连接端子133。电池单元132可以是包括但不限于锂电池、锂钴电池、锂锰电池、锂镍电池、锂镍钴电池、磷酸锂铁电池及磷酸铁锂电池等。直流电源转换器131可以是单向的也可以是双向的，其可以根据电池单元132的特性而独立设计，使其具有较长的电池寿命以及较佳的电源转换效率。另外，直流电源转换器131还与连接端子133电性连接，通过连接端子133，交换电池组13能够传输电力至外界，或接收由外界传输而来的电力。
[0054] 于上述的电动车100中，其主电池组11的外形不同于交换电池组13的外形，并且不同的交换电池组13可以具有不同的容量规格。换言之，同一电动车100在不同的时间点可以装载不同容量的交换电池组13，而不同容量的交换电池组13都能够对主电池组11充电，或是协同主电池组11提供电动车100行驶所需的动力。另外，当上述的电动车100的电量不足时，可以选择利用充电桩对电池充电。然而，即使使用快充设备对电池充电，仍至少需要20至30分钟的时间，因此若非是长时间的休息状态，一般使用者将会选择至一电力调度站采用更换交换电池组13的方式，便在短时间（大约3‑6分钟）内补充电动车100所需的电力来源，高速公路长途旅行使用电池交换的技术是电动车补充电能的必要手段。
[0055] 在上述的电动车100数量以及电力调度站的据点不断地增加之后，伴随着电动车100南来北往的移动，将会有数量庞大的交换电池组13在电动车100与电力调度站之间流动。再进一步说明，电力调度站除了提供电动车100更换交换电池组13的服务之外，还可替电力不足的交换电池组13充电，或可利用交换电池组13与电网30并网后，作为发电站的功能，借此以填补电网缺电的紧急状况。
[0056] 根据上述的基础，请再参照图3所示，本发明较佳实施例的电力调度系统20包括多个交换电池组21、多个容置空间22、一交直流电源转换装置23、一能源控制中心24以及一直流总线25。电力调度系统20可以基于电力调度站的据点而配置，而电力调度站可作为电动车100更换其交换电池组21的据点，并且电力调度站还集中储存有多个来自于不同电动车100使用的交换电池组21。这些交换电池组21是流通于往来的电动车100与其他的电力调度站之间，所以同一个交换电池组21在不同的电力调度站执行电力调度任务是本发明的技术特征之一。当然，电力调度站中所存放的交换电池组21不必然是完全来自于电动车。
[0057] 交换电池组21是容置于对应的容置空间22中，并且稳固地收纳于其中。与前述的交换电池组13相同，交换电池组21具有相互耦接的一直流电源转换器211以及多个相互电性连接的电池单元212。另外，于各容置空间22分别设置有相对应的一连接器，其用以与对应的交换电池组21连接，并且连接器还耦接至直流总线25。在本实施例中，集中在电力调度站的交换电池组21具有不同的容量规格，而这些不同容量规格的交换电池组21可以随机地被设置于对应的容置空间22中。在其他实施例中，不同容量规格的交换电池组21还可以经过分类后再集中被设置于对应的容置空间22中。相对于现有的电池储能发电站直流总线连接的每一串电池都采用相同的规格，本发明的电力调度站直流总线25连接的电池单元212可以采用由不同规格电池单元212组成的交换电池组21是本发明的技术特征之一。
[0058] 值得一提的是，容置空间22是设置于电力调度站，并且可由多个容置空间22组成一个交换电池组群21a1 21an、21b1 21bn、21z1 21zn、21a’21z’。另外还可通过适当的设~ ~ ~ ~计而使得交换电池组群21a1 21an、21b1 21bn、21z1 21zn、21a’21z’形成串联（connect ~ ~ ~ ~
in series）、并联（connect in parallel）或同时包括串并联的连接架构。
[0059] 交直流电源转换装置23耦接于直流总线25与一电网30之间。于此，交直流电源转换装置23是作为直流电与交流电之间的转换用途，例如将交换电池组21放电并传输至直流总线25，再转换为交流电源而传送至电网30。上述将交流电源传送至电网30的运作方式可称为并网发电。又例如将电网30的交流电源转换为直流电源，并传输至直流总线25而对交换电池组21充电。
[0060] 交直流电源转换装置23可包括多个电源转换单元231a 231z（如图4A所示），其可~以包括直流转交流转换单元、交流转直流转换单元及其组合。于此，所谓的组合是表示单一电源转换单元具有直流转交流以及交流转直流的功能而言。电源转换单元231a 231z的前~
级（forestage）可直接电性连接至电网30，或者通过一变压器26、261a 261z而连接至电网~
30。而电源转换单元231a 231z的后级（post‑stage）则是通过直流总线25、容置空间22相对~
应的连接器而电性连接至容置空间22中的交换电池组21。
[0061] 值得一提的是，直流总线25是用以连接交直流电源转换装置23以及交换电池组21而进行电源转换的连接接口。一般使用于电力调度的状况，交直流电源转换装置23的功率相较于交换电池组21的直流电源转换器211的功率大很多，所以一般使用下，一个交直流电源转换装置23经过直流总线25将会连接多个交换电池组21。在本实施例中，直流总线25还可包括多个子总线251a 251z、252a 252z、25na 25nz，其可通过多级串接的方式连接，然其~ ~ ~非为限制性，其目的在于直流总线25串联后得到更高的输出电压，便于连接更高功率的交直流电源转换装置23。
[0062] 能源控制中心24是分别与电网30、交直流电源转换装置23、直流总线25以及容置空间22电性连接，或是通过数据连接以执行控制以及信息搜集。能源控制中心24通过与容置空间22相对应的连接器得到电性连接，进而能够与设置于容置空间22中的交换电池组21建立通信。在能源控制中心24与交换电池组21建立通信后，能源控制中心24除了可以获得交换电池组21的电性规格参数及实时电性参数，还可以控制交换电池组21的工作模式、供电能力以及充电效能。
[0063] 上述的电力调度系统20在交直流电源转换装置23与交换电池组21之间的连接架构可以具有多种变化，以下仅分别以图4A及图4B简单说明两种连接架构的实施例，然而，电路的拓朴结构（topology）可以由下述两个例子衍生。
[0064] 如图4A所示，在第一种连接架构下，交直流电源转换装置23可包括多个电源转换单元231a 231z，其是分别连接至电网30，而各电源转换单元231a 231z则是分别通过直流~ ~总线25所包括的子总线251a 251z、252a 252z以及25na 25nz，而电性连接对应的交换电池~ ~ ~
组群21a1 21an、21b1 21bn以及21z1 21zn，每一交换电池组群不需要有相同的数量。其中，~ ~ ~
各电源转换单元231a 231z的稳态电流等于其串联连接的并联的交换电池组21的稳态电流~
总合，由于每一交换电池组21都具有直流电源转换器211，因此每个直流电源转换器211以及交直流电源转换装置23必须由能源控制中心24控制，确保直流总线25工作在预先设定的电压范围内。这也是为何上述对“指派”提出解释，指出“指派”于交换电池组21、连接关系以及其控制上的意义，能源控制中心24通过指派才能控制及保证电力调度任务的完成。另外，须注意，上述的代号a、n、z仅为符号表示，而非用以代表数量。
[0065] 再如图4B所示，在第二种连接架构下，电源转换单元231a 231z是并联连接于电网~30与直流总线25包括的子总线251a 251z之间，而多个交换电池组21可以并联连接成为一~
交换电池组群21a’21z’，再使多个交换电池组群21a’21z’分别并联连接于各子总线251a~ ~
251z之间，例如交换电池组群21a’是电性连接于子总线251a与子总线251b之间。由于所有~
的交换电池组群21a’21z’串联在一起，必须控制交换电池组21的直流电源转换器211确保~
每一交换电池组群21a’21z’的稳态总电流相同。另外，在本电路架构中，工作中的电源转~
换单元231a 231z数目可以随着系统的负载不同而增加或减少，以维持最少工作中的电源~
转换单元231a 231z数目，进而可增加系统的效率。各子总线251a 251z的各自交换电池组~ ~
群21a’21z’数目不必相同。并且各交换电池组21因为拥有独立的直流电源转换器211，所~
以交换电池组21在电力调度任务中可以随时加入或退出，其与现有的电池储能发电站所使用电池单元，在执行电力调度任务中只能退出而不能加入的限制具有更大的调度优势。
[0066] 电源转换单元231a 231z的工作数目可以随着负载的变化而增减得到最大的转换~效率，并可以灵活指派直流总线25并联大量的交换电池组群21a’21z’。须注意，上述的交~
换电池组群21a’21z’一方面是为了方便叙述所使用，在实际执行时可不需有群的概念，而~
可直接对个别的交换电池组21加以控制或执行操作，而不受限于整个交换电池组群21a’~
21z’中的交换电池组21必须执行相同的工作（例如充电或放电）。
[0067] 另外，请参阅图5A与图5B所示，上述的高功率的电力调度站相对需要连接较高的电网30电压，较高的电网30电压和交直流电源转换装置23之间需要串接一变压器26作为电压匹配。如图5A所示，交直流电源转换装置23可以由各电源转换单元231a 231z分别直接串~连连接对应的变压器261a 261z。或者如图5B所示，电源转换单元231a 231z是并联连接于~ ~
一交流总线27，而交流总线27再通过一变压器26而连接电网30。
[0068] 现有的电池储能发电厂架构为多个电池串接直流总线，直流总线本质上跟电池串一样都是标准的电压源，直流总线电压就是电池串的电压，不需要也无法加以控制。
[0069] 电力调度系统20架构为多个交换电池组21接直流总线25，交换电池组21为多个相互电性连接的电池单元212耦接一直流电源转换器211，直流总线25在电路学本质上是直流电源转换器211并联使用，各交换电池组21的直流电源转换器211必须由能源控制中心24加以控制，确保并联工作的稳定性，以及保持直流总线25（包括子总线）的电压在预先设定的范围内。换言之能源控制中心24通过控制交直流电源转换装置23以及交换电池组21的直流电源转换器211，控制直流总线25电压于预先设定的范围内，是本发明的技术特征之一。
[0070] 请再参阅图3所示，能源控制中心24还可依据一第一电力需求指令I01而指派（或控制）至少部分位于容置空间22内的交换电池组21参加一第一电力调度任务，使交换电池组21通过直流总线25以及交直流电源转换装置23而向电网30提供电力、或者消耗电网电力。其中，一个能源控制中心24可以与一个电力调度站进行沟通，也可以同时与多个电力调度站进行沟通，以达到较佳的调度能力。
[0071] 于此，所谓的第一电力需求指令I01可以由能源控制中心24因应实时电力负载状况所产生。能源控制中心24则可根据第一电力需求指令I01，而调度电力调度站的电力，使其与电网30并网发电、或者消耗电网30电力。
[0072] 电力调度站扮演电动车100电池交换、电网30消峰填谷以及电池储能发电三个角色，例假日以电动车100电池交换为主（即较多电动车100在路上行驶，电力调度站需储备较多的交换电池组21以供电动车100更换，例假日电网30的尖峰需求大幅降低，正好供需互相配合），非例假日以电网30消峰填谷以及电池储能发电为主（即较多电动车100处于静止状态或短程移动，因而大部分的交换电池组21集中于电力调度站）。电动车100电池交换用的交换电池组21以充满电为主，而电网30消峰填谷以及电池储能发电用的交换电池组21则不一定要充满。电池交换功能只能由电力调度站执行，所以电池交换的功能在电力调度站一般具有较高的地位。
[0073] 备载容量是电力调度站预定可用于发电的容量，关联于电力调度站中所储存所有交换电池组21的总容量，扣除预计做为电池交换的数量及其容量后，为可发电的最大容量。在一般的情况中，备载容量是大于可发电的最大容量。
[0074] 集中于电力调度站中的交换电池组21可处于三种状态，即为充电中状态、放电中状态以及等待中状态。等待中状态若为充满电，其可作为电池交换或发电使用，而等待中状态若为未充满电，其可作为发电准备使用，或者经过充电充满以后作为电池交换或发电使用。
[0075] 现有的电池储能发电厂的电池容量是固定的，也就是备载容量是固定的。由于集中储存于电力调度站中的交换电池组21，会适应电动车往来的需求而变动数量，因此电力调度站中的备载容量是变动的，这是本发明的技术特征之一。
[0076] 以下，再以实例说明本发明较佳实施例的电力调度方法。首先，请参阅图6，其显示的是交换电池组21集中至电力调度站的流程图，其包括步骤S01至步骤S04。
[0077] 步骤S01是由装载着交换电池组21的电动车100驶至电力调度站。
[0078] 步骤S02是在电力调度站，将电动车100上的交换电池组21卸载。电动车100可以驶至一特定的区域或空间，并通过机械手臂（robotic arm）或其他自动化设备将交换电池组21从电动车100上卸载。于此，机械手臂可以是四轴或六轴机械手臂，并未加以限定。另外，机械手臂也可搭配人力协助完成交换电池组21的卸载工作。
[0079] 步骤S03是将卸载的交换电池组21置入电力调度站中对应的交换电池组容置空间，以准备后续对交换电池组21充电。卸载后的交换电池组21可以通过无人搬运车（Automatic Guided Vehicle，AGV）或输送装置而移动至对应的容置空间22，并且被置入容置空间22，连接相对应的连接器。对于己上锁的交换电池组21的进行解锁，其中，解锁是让交换电池组21中的双向直流电源转换器211，对电池充电的方向致能（enable），使其可以进行充电工作。通过直流总线25把电力传输至交换电池组21以对其充电。
[0080] 步骤S04是将充电后的交换电池组21装载至另一电动车100。当有其他电动车100驶至电力调度站，并且需要交换电池组21时，对于需要上锁的交换电池组21进行上锁作业，则可再通过机械手臂或其他自动化设备将充满电后的交换电池组21装载于有需求的电动车100。
[0081] 通过上述步骤，交换电池组21可以通过电动车100而在不同的电力调度站以及电动车100之间移动，并且能够以电力调度站作为集中储存的据点，当然也有不移动的退役交换电池组21。值得一提的是，由于交换电池组21具有外形兼容性、相同的连接器、相同的控制韧体等优势，退役交换电池组21可以在电力调度站直接使用，直接提高了退役交换电池组21的价值，更是本发明降低成本的一环。交换电池组21使用相同的外形及连接接口，内部的电池单元212以及直流电源转换器211，可以随着科技的进步增加电池单元212的容量或者提高直流电源转换器211的效率，交换电池组21保持共享性但性能可随着科技的进步而增强。同样的交换电池组容置空间12可以持续使用，因此使用中的交换电池组21与退役交换电池组21共享相同的交换电池组容置空间12是本发明的技术特征之一。须注意，所谓”退役交换电池组21”的定义在电动车100业界一般为实际容量降到标示容量80%，即将该电池退役。
[0082] 请再参阅图7，其显示的是电力调度方法流程示意图。当电力公司发现电力供需不平衡时，可以根据实时电力状况而发出电力需求指令，以向电力调度系统寻求协助，其可包括下列步骤。
[0083] 步骤S11是于一第一时间，由能源控制中心24接收一第一电力需求指令I01，并据以开始执行一第一电力调度任务。
[0084] 步骤S12是由能源控制中心24判断电力调度站的备载容量、充电中以及可充电的容量。于此，能源控制中心24可通过与设置于容置空间22中的交换电池组21进行通信，以获取交换电池组21的参数信息，并且在获得所有信息后，即可进行优化运算。其中，参数信息包括但不限于交换电池组21的实时总电量。
[0085] 步骤S13是由能源控制中心24指派电力调度站中至少部分的交换电池组21参加第一电力调度任务。在一般的运作模式下，电力调度站会根据电池交换历史纪录保留部分的交换电池组21以作为提供给来往的电动车100更换使用，另外也有电量太低的交换电池组21，或者备载容量大于电力调度任务，因此仅有部分的交换电池组231会参加第一电力调度任务，如此的规划也可包括于前述的优化运算中。
[0086] 要进一步说明的是，假设第一电力需求指令I01中代表电网30需要电力为100KW，此时的能源控制中心24在获得电力调度站的电力容量信息后，至少可采取下列方式以执行发电电力调度任务。第一种方式为通过被指派的交换电池组21放电，通过交直流电源转换装置23而向电网30提供100KW的电力。第二种方式为通过指派的交换电池组21减少100KW的充电，使电网30增加100KW的电力，或者两种方法一起使用以提供电网30所需要的电力。
[0087] 另外，关于指派交换电池组21参加电力调度任务，“指派”除了上述直接指定之外，其还可以以不同的方式执行。以发电电力调度任务为例，例如将容置空间22分成多个个区域，再依据指派的内容将交换电池组21放置于对应的各区域的容置空间22中，最后再依据指令，而由各个区域以控制功率依次序而轮流进行发电。另外，除了各区域依次序而轮流进行发电之外，还可进一步指派某一区域中的容置空间22中的交换电池组21，依预先指定的次序以控制功率而轮流进行发电。
[0088] 步骤S14是结束第一电力调度任务。其中为发电电力调度任务时，当任务需求解除后，电力调度系统20可以进入电网30消峰模式，继续协助电网30的稳定。
[0089] 步骤S15是于一第二时间，由能源控制中心24接收一第二电力需求指令，并据以开始一第二电力调度任务。步骤S16与步骤S12相同，是由能源控制中心24判断电力调度站的备载、充电中以及可充电的容量。步骤S17与步骤S13相似，是由能源控制中心24指派电力调度站中至少部分的交换电池组21参加第二电力调度任务。
[0090] 步骤S18则与步骤S14相似，结束第二电力调度任务。
[0091] 于此要说明的是，由于电力调度站中的交换电池组21可以在往来的电动车100以及其他的电力调度站间流通，因此参加上述的第一电力调度任务以及第二电力调度任务的交换电池组21可以是不同的。于此，所谓的“不同”是表示参加电力调度任务的交换电池组21数量的不同、容置空间22位置的不同或是交换电池组21的主体不同，例如不同交换电池组21的电池单元212具有不同的电压、或不同的交换电池组21具有不同的输出电流。
[0092] 值得一提的是，当在执行电力调度任务中，电网30临时增加需求时，电力调度站可于发电过程中指派其他交换电池组21于中途参加电力调度任务。由于每一交换电池组21中都具有直流电源转换器211，因此在电力调度任务的过程中，交换电池组21可以直接退出或参加电力调度任务。换言之，在电力调度任务的过程中可以增加或减少参加电力调度任务的交换电池组21的数量。然而，现有的电池储能发电是由电池单元直接连接直流总线，所以在发电过程中因为新的电池单元跟直流总线电压不同，所以无法加入新的电池单元。因此，在电力调度任务的过程中，当电网30的电力需求增加或者电力需求时间拉长时，可适时的增加并网发电的交换电池组21数量，以支持电网30需求的改变，这是本发明的技术特征之一。
[0093] 从交换电池组21的角度，一个交换电池组21会在不同的电力调度站执行不同的电力调度任务，这更是本发明的主要技术特征之一。由于电力调度站容置空间22中的交换电池组21都电性连接于直流总线25，因此，在同一电力调度站中执行电力调度的过程中，可以通过直流总线25而同时存在部分的交换电池组21是处于充电状态，而部分交换电池组21是处于放电状态。于此同时，倘若电动车100交换使用的交换电池组21数量不足时，发电中的交换电池组21也可通过直流总线25而对交换电池组21充电。如此一来，可以对集中于电力调度站中的交换电池组21的电量做优化控制，以应付来自于可能突然增加的电动车100电池交换的需求。
[0094] 举例而言，例如各电力调度站依照历史纪录，准备足够数量充饱电的交换电池组21作为电池交换用，并同时监控高速公路流量信息，当交换用的交换电池组21不足时，可以对电量较高的交换电池组21进行充电作为交换使用。即使电力调度站进行发电任务时，仍然可以随时进行电池充电作业，机动增加交换用的交换电池组21数目。
[0095] 进一步说明，由于交换电池组21都为通过直流总线25以及交直流电源转换装置23而与电网30连接，因此对于交换电池组21而言，电网30通过能源控制中心24控制电力调度站进行用电或者并网发电，因此可通过本发明的电力调度系统20而做有效率的电力调度。
[0096] 综上所述，本发明的一种电力调度系统及其调度方法是将电动车100用的交换电池组21集中后，适应性的对其调度使用，以有效整合日益增加的电动车100使用的交换电池组21。进一步说明，交换电池组21可在电网30需要备援电力时，迅速地提供并网发电。另外，本发明公开的电力调度系统20架构配合具有直流电源转换器211的交换电池组21的状况下，可以适应电力负载的变化而适应性的调度交换电池组21的数量，并且能够在并网发电的过程中可以适时的增加或减少交换电池组21的数量。据此，对于电网30的电力需求以及电动车100更换交换电池组21的需求将能够提供最为适当的调度作业，电动车100的充电需求由电网30的负担变成电网30的帮手。
[0097] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，自不能以此限制本发明的申请专利范围。列举凡本领域技术人员，依本发明精神所作的等效修饰或变化，都应包括于权利要求书范围内。
