模擬架構與案例介紹模擬架構與案例介紹模擬架構與案例介紹模擬架構與案例介紹

本計畫使用 Matlab/Simulink 分別模擬直接併網型鼠籠式感應發電機與雙饋式感應發電機在電力系統發生故障引起共同耦合點電壓驟降時，風機所受的衝擊。為了專注於低電壓穿越對風力發電機的影響，

系統的建構只採用理想電源、電源等效阻抗和傳輸線模型，簡化模擬程序、縮短模擬時間。

圖 6-1 為模擬架構單線示意圖，V

pcc

、R

pcc

和 L

pcc

分別為共同耦合點之等效電壓，電壓等級為 25kV，短路容量為 500MVA、電效電阻和等效電感，等效阻抗值為 R

pcc

+jX

pcc

=0.1768+j1.2374Ω。風機經昇壓變壓器併至傳輸線 TL 上。傳輸線為架空傳輸線，線長為 1km，正負相序的電阻、電感值和電容值分別為 R

1

=0.1153Ω/km、R

0

=0.413Ω/km，

1

=1.05mH/km、L

0

=3.32H/km，C

1

=11.33µF/km、C

0

=5.01µF/km，下標 1 表正序，0 表零序。昇壓變壓器的接法為 Y 接地-星型，標稱電壓為 25kV/575V，容量 12MVA。區域負載為 500kVA，功率因數為 0.8 落後。

V_pcc

R_pcc L_pcc Tr

Wind turbine TL

PCC 區

域負載

圖 6-1 模擬架構示意圖

在風速分別為 6m/s 和 12m/s 及 DCSCIG 和 DFIG 兩種風機併網架構下，模擬了三相低電壓、二相低電壓和單相低電壓，低電壓程度分別有 0.9pu、0.5pu 和 0.15pu 三種不同等級。依照這三種不同的低電壓

等級，對照現行台灣電力公司再生能源併聯技術要點中第七條第四項第一款和第二款所規定的低電壓穿越時間分別為 3sec、1.7333sec 和 0.625sec，等待故障發生且超出所規定之低壓穿越時間後，風機保護裝置才開始動作，但不使風機跳脫，單純觀察在故障發生後至規定跳脫時間前超出限制值的保護參數為何，其限制值如表 6-1 所示。

表 6-1 風機保護裝置及限制值

風機保護參數異常運轉條件

瞬間過電流 Instantaneous AC Overcurrent > 10 pu 正序過電流 AC Overcurrent (positive-sequence) > 1.1 pu 電流不平衡 AC Current Unbalance > 0.4 pu

正序欠電壓 AC Undervoltage

(positive-sequence) < 0.75 pu 正序過電壓 AC Overvoltage (positive-sequence) > 1.1 pu

負序電壓不平衡 AC Voltage Unbalance

(Negative-sequence) > 0.05 pu 零序電壓不平衡 AC Voltage Unbalance

(Zero-sequence) > 0.05 pu 直流電壓 DC Overvoltage > 1900 V 轉子欠速 Under Speed > 0.3 pu

轉子過速 Over Speed < 1.5 pu

圖 6-2 和圖 6-3 所示分別為模擬 DCSCIG 和 DFIG 併網時，在共同耦合點發生低電壓的模擬方塊圖，圖中三相理想電壓源方塊(Source) 可設定為單相電壓變化和三相電壓變化，配合電源阻抗方塊(Source imped.)模擬實際電壓源。於三相理想電壓源與電源阻抗方塊間放置兩相故障方塊(2 phase fault)，其主要功能是使電壓源其中二相於設定時間時短路，藉以模擬二相低電壓時的狀況。風力發電機與理想電源間透過傳輸線與昇壓變壓器連接完成整個模擬架構。

圖 6-2 DCSCIG 完整模擬方塊圖

圖 6-3 DFIG 完整模擬方塊圖

6.2 DFIG 風

風風風機案例模擬機案例模擬機案例模擬機案例模擬

圖 6-4~圖 6-6 為 DFIG 在風速 6m/s，共同耦合點發生三相、兩相和單相低電壓，低電壓等級為 0.9pu 時的模擬波形圖，圖中顯示包括風速(Wind speed)、風機轉子轉速(Rotor speed)、風機輸出之實虛功率 (P

wind

、Q

wind

)與交流-直流-交流轉換器中，直流電容上的直流電壓值 (Inverter V

dc

)。比較三個圖形後，發現實功率隨著風機轉速的下降而下降。除了二相低電壓會造成直流電壓瞬間突增至接近 1400V 以及實虛功率在低電壓發生瞬間不匹配外，三相和單相對直流電壓與實虛功率的影響似乎不大，可能因低電壓程度不嚴重，故並未造成明顯的影響。

圖 6-4 DFIG、風速 6m/s、運轉功因 1、電壓大小 0.9pu、三相低電壓

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

1.75 4.5 7.25 10

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1150 1200 1250

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 6 7

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-2.5 5 12.5 20

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1200 1400 1600

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 6 7

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

1.75 4.5 7.25 10

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1150 1200 1250

Invertor Vdc (V)

圖 6-7~圖 6-9 為 DFIG 在風速 6m/s，共同耦合點發生三相、兩相

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1100 1200 1300 1400

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-2.5 5 12.5 20

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 6 7

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-5

-1.25 2.5 6.25 10

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1100 1200 1300 1400

Invertor Vdc (V)

圖 6-9 DFIG、風速 6m/s、運轉功因 1、電壓大小 0.5pu、單相低電壓

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-5 0 5 10

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1500 2000

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 6 7

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-6

-2.5 1 4.5 8

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1150 1200 1250 1300

Invertor Vdc (V)

圖 6-11 DFIG、風速 6m/s、運轉功因 1、電壓大小 0.15pu、二相低電壓

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-5 0 5 10

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1100 1200 1300 1400

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 6 7

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.5

1 1.5

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-20

-10 0 10 20

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1200 1400 1600

Invertor Vdc (V)

圖 6-13 DFIG、風速 12m/s、運轉功因 1、電壓大小 0.9pu、三相低電壓

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.204

1.206 1.208

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

1.75 4.5 7.25 10

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1150 1200 1250

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.2

1.21 1.22

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-2.5 5 12.5 20

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1500 2000

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.204

1.206 1.208

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

1.75 4.5 7.25 10

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1150 1200 1250

Invertor Vdc (V)

圖 6-16~圖 6-18 為 DFIG 在風速 12m/s，共同耦合點發生三相、

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.2

1.21 1.22

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-2.5 5 12.5 20

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 2000 3000

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.2

1.21 1.22

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-5 0 5 10

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1200 1400 1600

Invertor Vdc (V)

圖 6-18 DFIG、風速 12m/s、運轉功因 1、電壓大小 0.5pu、單相低電壓

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.2

1.25 1.3 1.35 1.4

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-5

0 5 10 15

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1500 2000 2500

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.204

1.206 1.208

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2

2.5 7 11.5 16

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1100 1200 1300 1400

Invertor Vdc (V)

圖 6-20 DFIG、風速 12m/s、運轉功因 1、電壓大小 0.15pu、二相低電壓

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.204

1.206 1.208

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-3.75 2.5 8.75 15

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1000 1200 1400 1600

Invertor Vdc (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13

Wind speed (m/s) Wind turbine status

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101.1

1.2 1.3

Rotor speed (pu)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pwind (MW)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-2.5 5 12.5 20

Qwind (Mvar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 5000 10000

Invertor Vdc (V)

在文檔中研修再生能源併聯技術作業要點之研究 (頁 63-74)

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pcc

pcc

pcc

pcc

pcc

1

0

1

0

1

0

6.2 DFIG 風

wind

wind

dc

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