本研究計畫已陸陸續續蒐集了世界各國針對微型電網的目標、方向、近期發展現況、
實驗型微型電網的模擬，以及建構微型電網實體等相關資料。本文所探討的內容將以研究 單位所提出之實驗型微型電網與實際微電網運轉架構，並更進一步探究其運轉、控制等相 關內容，進而提升微型電網運轉效率與特性。由於，目前微型電網沒有既定的標準測詴系 統，因此，各個研究機構皆有不同的測詴地點與微型電網拓璞結構。本文將探討研究單位 包含美國Consortium for Electric Reliability Technology Solutions(CERTS)微型電網、曼特斯 特大學實驗型微電網(University of Manchester)、日本 New Energy and Industrial Technology Development Organization(NEDO)、中國合肥科技大學微型電網實驗帄台、歐洲與韓國。
美國CERTS 微型電網：CERTS 微型電網設置地點位於近俄亥俄州之哥倫比亞，為一 大型的測詴系統，並由美國電力公司(American Electric Power, AEP)共同運轉。CERTS 測詴 系統含有三條饋線，其中一條饋線連接一台由天然氣帶動之60 kW 發電機，另一條饋線則 是連接兩台與上述饋線相同型式與容量的發電機，第三條則直接與市電連接，可經由靜態 開關(static switch)來控制分散型電源的電能供應。在每一條饋線的發電機組中，也可利用電 池儲存裝置連接於直流匯流排上，或經由變流器(inverter)供電。其 CERTS 微電網系統單線 圖如圖3-1 所示。
在CERTS 微電網系統信息傳送上，利用以太網路(ethernet)作為中央通訊系統，其連接 能源管理系統(energy management system, EMS)與各發電機組，作為各分散型電源間調度的 使用。然而，此通訊網路不是在微型電網動態控制下使用，因此，電源皆能夠以隨插即用 (plug-and-play)的方式自動地做控制。此系統亦沒有中央控制器也能夠讓各分散型電源運轉 於點對點(pear-to-pear)的方式(考慮 N+1 個電源運轉方式，可在其中一個電源損壞時，亦不 會影響到整體微電網的功能)。其 CERTS 微電網的控制包含：
1. 利用實功率對頻率下降(active power versus frequency droop)曲線來控制各分散型 電源。因此，每部發電機皆可由頻率來做協調。
2. 利用虛功率對電壓下降(reactive power versus voltage droop)曲線來控制分散型電源 的電壓。因此，可穩定市電且確保電源間不會有虛功率環流存在。
3. 閘流體型靜態開關可在系統不明之擾動下，例如：故障、IEEE 1547 事件、電力品 質問題，能夠自動地將微型電網切換成孤島運轉，以防止擾動損壞系統。
4. 利用微型電網孤島運轉下與市電間的相位差，來達到與市電同步運轉。
圖3-1 CERTS 微型電網系統架構圖
英國曼特斯特大學實驗型微電：圖 3-2 所示為曼特斯特大學實驗型微型電網系統架構 圖，整系統以電壓0.4 kV 供應，並利用同步型與感應式發電機作為微型電網的電能來源。
能源儲存設備則是 100 kW 的飛輪(flywheel)儲能系統，此系統經由兩個智慧型功率模組 (intelligent power module, IPM)連接至微型電網，分別為耦合電抗與耦合變壓器，在孤島模 式下，可設定其參考電壓與頻率，以維持微型電網整系統的電壓與頻率之穩定，控制方法 Static
Switch CB
CB
Converter Based Source
Driven by Natural gas
60 kW Converter
Based Source
Converter Based Source
CB CB
Load Bank 6 and Fault Load Driven by Natural gas
60 kW
Driven by Natural gas
60 kW
Load Bank 5 and Fault Load Load Bank 3
and Fault Load
Load Bank 4 and Fault Load
Fault Load 2
15MVA 13.2 kV/480 V
500kVA 480 V/480 V
112 kVA 480 V/480 V
Utility
圖3-2 曼特斯特大學實驗型微電網
日本 NEDO 技術單位也於近年發表出微型電網的測詴，於愛知縣(Aichi)、京丹後市 (Kyotango)、八戶(Hachinohe)、以台(Sendai)等地區設置測詴場。近期所提出的目標“測詴 新式電網系統(Demonstrative Project on New Power Network Systems)”中，針對電壓與電力 潮流的改善與電力品質的議題進行討論。在既有的硬體設備中，增加靜態虛功補償(static var vompensator, SVC)、步級電壓調整(step voltage regulator, SVR)與迴路帄衡控制器(loop balance controller, LBC)，其中 SVC 與 SVR 作為饋線電壓的控制，LBC 則是可控制兩條饋 線間的電力潮流。
Coupling
Reactance Inverter
Synchronous Machine Induction
Machine
AC Motor Drive 22 kW
CB
Resistive CB Load 12 kW
Fly Wheel Rectifier
CB CB
Rectifier 600 V DC Variac CB
Coupling Transformer
CB Dump R
DC Link 0.4 kV, 3 phase
Laboratory mains supply
Contactor 1 (For a fault on the network)
Contactor 2 (For the microgrid) Utility
包含氣渦輪機與太陽能，並利用變流器作為PV 系統不帄衡三相的補償。
圖3-3 京丹後市微型電網系統架構
京都能源計畫為NEDO 計畫裡的其中之一，其微型電網設置於京丹後市。圖 3-3 所示 為京丹後市的微型電網架構，其分散型電源包含氣渦輪機(400 kW)、MCFC(250 kW)與鉛蓄 電池(100 kW)、兩組太陽能發電系統與 50 kW 的小型風力發電機，每個分散型能源與負載 皆與市電做連接，且皆由單一控制器控制整系統的分散型電源與負載，發電設備與用戶電 能需量皆由遠端監控來達成，且為了能夠在較偏遠的地區做通信，則利用傳統的綜合服務 數碼網絡 (integrated services digital network, ISDN)或非對稱數位用戶線 (asymmetric digital subscriber line, ADSL)來做為通訊傳輸設備。
中國合肥科技大學微電網測詴帄台：中國合肥科技大學微電網測詴帄台之分散型電源 包含太陽能發電(單相 10 kW 與三相 30 kVA)、風力發電模擬器(30 kW×2)、燃料電池(5 kW)、
電池組(300 Ah)、超級電容(1800 F×100)、傳統發電裝置(15 kW×2)，傳統發電裝置包含小型 水力與石油發電機組，負載方面包含電阻、電抗、電容、交直流馬達與其他電子裝置負載。
交流電壓等級有400 V 與 800 V，圖 3-4 為合肥科技大學微型電網示意圖。其控制包含兩階 層，局部控制與集中控制，如圖 3-5 所示，局部控制是與分散型電源的變流器整合，以控 制匯流排上的功率潮流、電壓與頻率，且變流器可自動的切換運轉模式，對電力品質與保 護系統也有所控管。集中控制則是可控制微型電網運轉的啟斷，根據分散型電源的能源輸 出變動、天候因素，提供分散型電源與及時控制決策的最佳排程。另外，能源管理也符合 IEC 61970 CIM 的標準，並設置監控與資訊擷取(SCADA)系統、自動電壓控制(AGC)與電力
Utility Network
592 kW
100 kW PV 20 kW
178 kW
100 kW PV 20 kW
7.5 kW
9.4 kW
100 kW Gas engine 80 kWx5
MCFC 250 kW Battery 100 kW
100 kW Wind Turbine
20 kW
Internet-based Control System
系統應用軟體(PAS)。
Conventional Generator CB
Load
Load Inv
Fuel Cell
CB
CB
Load
Inv Inv Inv
Battery
Wind/Solar energy prediction
· DG voltage/current
· Feeder flow
· Bus voltage/current Measurement
Load prediction
Economic dispatching
schedule
Local Controller 1 Local Controller 2 Local Controller 3
P/Q setting
Droop setting Central Controller
Local Controller
並利用ISET所提供之DeMoTec(Design Centre of Modular Supply Technologies)技術來進行分 析 與 比 較 。 另 外 ， 分 散 型 電 源 的 實 功 率 與 虛 功 率 潮 流 控 制 則 是 由ICCT(Information, Communication, and Control Technology)設備來完成。測詴系統中包含20 kW沼氣發電、8 kW 風力發電與16 kW太陽能發電，其實功率分佈曲線如圖3-6所示，需補償之設備為30 kVA的 負載。由圖3-7可知，DeMoTec量測到之虛功率與負載虛功率十分的接近，故可得到最佳之 補償效果，進而減少其運轉上之成本與電力潮流的擁塞。此外，若沼氣發電不使用STACOM 時，則可減少10%的成本，效率上可達到98%；而若加入風力發電與太陽能發電則可減少46%
的成本。
圖3-6 太陽能、風機、沼氣之虛功曲線與負載虛功量 圖3-7 DoMoTec 量測之虛功(Qmeas)與負載虛功(Qload)
韓國：近幾年韓國對分散型電源與儲能系統投入相關的研究，許多的財團、大學、研 究機構、KERI(Korea Electrotechnology Research Institute)與韓國電力公司 KEPCO(Korea Electric Power Corporation)也紛紛投入微型電網的相關研究中，其中 KERI 為主要的研究團 隊。此計畫分兩階段進行。第一階段(2007.09~2009.08)建立 100 kW 微型電網系統並評估其 運轉特性，其系統架構如圖 3-8 所示，首先，決定其發電型式、容量、模擬微型電網與其 保護設備的動態與靜態特性，並建立100 kW 詴驗場且評估其運轉效率。結構上包含分散型 電源、靜態開關(static transfer switch ,STS)、智慧型電子設備(intelligent electronic device , IED) 、 功 率 調 整 系 統 (power conditioning system ,PCS) 與 微 電 網 管 理 系 統 (microgrid management system, MMS)。
其中，分散型電源包含太陽能、風力、電池儲能系統與柴油發電，另外，軟體與模擬 方面則則包括RTDS(Real Time Digital Simulator)與配電線路阻抗模擬、故障分析、中型風 機模擬、太陽能和電池混合模擬及不同負載下之特性模擬。並針對三種不同的運轉模式進 行測詴，其中，包含電網連接模式、孤島運轉模式及由電網連接切換至孤島運轉模式。電 網連接模式主要目標在於PCC(Point of Common Coupling)點上的潮流控制，另外兩種模式 則在控制頻率與電壓的變動。在KERI 詴驗系統上也總括出幾項特性，不同負載下的特性、
混合可控與不可控之分散型電源特性、分析實際的分散型電源和負載下的結構特性。第二 階段(2009.09~2010.08)則建立 MW 等級的微型電網詴驗場並分析其標準、商業化與微電網
工程上的相關技術，且能夠利用能源儲存裝置來改善轉換至孤島下的電力品質。
圖3-8 KERI 第一階段系統架構圖