第四章 模擬結果
4.2 非 NDZ 之孤島偵測模擬
非探測區（NDZ），意指因系統與阻抗匹配，造成無法偵測孤島運轉的區域。
因此負載落在 NDZ 以外的區域且在孤島運轉時，會使電壓上升或下降、頻率上 升或下降。而非線性負載（如橋式整流器）則會造成孤島運轉時系統電壓形變，
如圖 4-1（參數：交流電源經橋式整流器，整流後直流側 100μf 濾波電容及 50Ω 阻抗）。圖 4-1 中表示市電並聯之反流器輸出電流 Iinv，之後發生孤島運轉於 0.8s，
而後因非線性負載的緣故，使得電壓 Vpcc形變。利用此形變電壓可使得系統得以 利用一般偵測方式（OV/UV）可輕易偵測出系統是否為孤島運轉。
市電對於分散式發電系統而言是較穩定的系統，因此並聯系統在各種負載情 況下其電壓或頻率變化極微小。但發生孤島運轉情況，則其電壓或頻率變化會有 明顯變化（除 NDZ 外），因此利用被動式偵測法即可有效偵測出孤島運轉。以下，
將針對不同狀況下以輸出為 0.25kW 為輸出的負載進行模擬，分別為過壓（OV）
情況、欠壓（UV）情況、過頻（OF）及欠頻（UF）情況進行模擬，其相關 RLC 負載參數列於下頁表 4-2。
圖 4-1 在非線性負載操作時發生孤島運轉其反流器輸出電壓與電流波形
表 4-2 模擬 OV/UV、OF/UF 狀況之負載參數
狀態 電阻性負載(R) 電感性負載(L) 電容性負載(C) 非探測區（NDZ） 50 Ω 132.4 mH 53 μF
過電壓（OV） 60 Ω 132.4 mH 53 μF 欠電壓（UV） 40 Ω 132.4 mH 53 μF 過頻率（OF） 50 Ω 125 mH 53 μF 欠頻率（UF） 50 Ω 132.4 mH 57 μF
在 IEEE-1547 規範系統電壓必須在 0.88 標么值≦ V ≦1.1 標么值內，因此，
以市電 110Vac,rms計算其電壓峰值 Vpeak 範圍為： 136.9 V ≦ Vpeak ≦ 171.1 V
。利用上表 4-2 之過電壓（OV）負載參數設定進行模擬，其過壓狀態之孤島運 轉模擬如圖 4-2 所示，圖 4-2(a)顯示目前系統操作之於較高實功輸出，換句話說 即是負載消耗量小於分散式發電系統之輸出，且不在非探測區之內。圖 4-2(b)表 示反流器在 0.8 秒後發生孤島運轉，其產生之電壓變化，因反流器使用電流控制 注入電流的影響，較大的阻抗使得系統產生較大的電壓，因此，利用同步框參考 座標轉換下的 q 軸，可觀察其電壓變化如圖 4-2(c)，在 0.8 秒前，因市電並聯的 關係，電壓變化量不大。0.8 秒之後，因產生孤島運轉，所以發生電壓驟升的情 形，而 0.805 秒時超過 OV 界線時，可依此判斷系統產生問題，中斷分散式發電 系統輸出。
欠壓偵測方式與過壓偵測方式相同，欠壓狀態之孤島運轉模擬依照表 4-2 中 UV 的負載參數，其結果如圖 4-3 所示，圖 4-3(a)顯示目前系統操作之於較低實 功輸出，換句話說即是負載消耗量大於分散式發電系統之輸出，且其負載不在非 探測區之內。圖 4-3(b)表示反流器在 0.8 秒後發生孤島運轉，其產生之電壓變化，
利用同步框參考座標轉換下的 q 軸，可觀察其電壓變化如圖 4-3(c)，在 0.8 秒前，
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. -200
-150 -100 -50 0 50 100 150 200
Time ( )s
Voltage
islanding
Vpcc
Iinv
(a) 負載操作於 NDZ 之 OV 範圍外
(b) 發生孤島運轉其反流器輸出電壓與電流波形（過壓）
(c) 責任分界點之電壓變化（過壓）
圖 4-2 孤島運轉中過壓狀況之模擬
Q
P
Under Voltage
Over Frequency
Over Voltage
Under Frequency
Δ
Δ
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-200 -100 0 100 200
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-4 -2 0 2 4
Vpcc
Iinv
Voltage Current
Time(s) islanding
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. 100
110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Time ( )s VoltageV () Over Voltage
Under Voltage
Normal Operation
(a) 負載操作於 NDZ 之 UV 範圍外
(b) 發生孤島運轉其反流器輸出電壓與電流波形（欠壓）
(c) 責任分界點之電壓變化（欠壓）
圖 4-3 孤島運轉中欠壓狀況之模擬
因市電並聯的關係，因此電壓變化量不大。0.8 秒之後，因產生孤島運轉，所以 發生電壓驟降的情形，而 0.804 秒時超過 UV 界線時，可依此判斷系統產生問題，
中斷分散式發電系統輸出。
Q
P
Under Voltage
Over Frequency
Over Voltage
Under Frequency
Δ
Δ
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-200 -100 0 100 200
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-4 -2 0 2 4
Vpcc
Iinv
Voltage Current
Time(s) islanding
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. 100
110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Time ( )s VoltageV () Over Voltage
Under Voltage
Normal Operation
被動式孤島偵測之電壓偵測法是在純電阻性負載情況下，其好處特別明顯，
純電阻性負載下稍有阻抗變動，則會造成電壓幅度大幅的變化。而在 RLC 並聯 負載情況下，由於 LC 負載會呈弦波震盪，在孤島運轉情況下會持續放出、吸收 能量（正、負虛功），因此電壓變化比起純電阻性負載（R）而言，電壓幅度變 化較不明顯。LC 負載因其值不同，會造成品質因數、電壓幅度和震盪頻率不同，
此時透過利用過頻（OF）、欠頻（UF）偵測法偵測系統是否為孤島運轉。
在 IEEE-1547 規範系統頻率必須介於 59.3 Hz ≦ f ≦ 60.5 Hz 間，在此區 間之市電頻率皆為正常操作，反之則異常必須跳脫並聯。本模擬利用電壓零點作 為偵測點，利用零點與零點之間累積的時間除上半個週期，算出其週期頻率，為 避免多個零點造成系統誤判，設計一組緩衝器，在偵測到零點電壓後數個週期內，
不偵測零點電壓，可避免因干擾造成多個零點而使系統誤動作。依照表 4-2 之過 頻率（OF）負載參數設定進行模擬，其結果如圖 4-4，圖 4-4(a)顯示目前系統操 作於較高正虛功輸出，換句話說，即是分散式發電系統之負載消耗較多正虛功量，
且其負載不在非探測區之內。圖 4-4(b)表示反流器在 0.8 秒後發生孤島運轉，其 產生之頻率變化，因為 LC 負載造成的電壓相位落於電流後，頻率增高，因此，
利用零點電壓偵測轉換頻率的方式，可觀察其電壓頻率變化如圖 4-4(c)，在 0.8 秒前，因市電並聯的關係，因此頻率變化量不大。0.8 秒之後，因產生孤島運轉，
發生頻率變異的情形，而 0.808 秒時超過 OF 界線時，可依此判斷系統產生問題，
中斷分散式發電系統輸出。
(a) 負載操作於 NDZ 之 OF 範圍外
Q
P
Under Voltage
Over Frequency
Over Voltage
Under Frequency
Δ
Δ
(b) 發生孤島運轉其反流器輸出電壓與電流波形（過頻）
(c) 責任分界點之頻率變化（過頻）
圖 4-4 孤島運轉中過頻狀況之模擬
欠頻率（UF）偵測亦同，欠頻狀態之孤島運轉模擬依照表 4-2 中 UF 的負載參數，
其結果如圖 4-5 所示，圖 4-5(a)顯示目前系統操作於較高負虛功量輸出，即是分 散式發電系統之負載消耗較多負虛功量，且其負載不在非探測區之內。圖 4-5(b) 表示反流器在 0.8 秒後發生孤島運轉，其產生之頻率變化，利用零點電壓偵測轉 換頻率的方式，可觀察其頻率變化如圖 4-5(c)，在 0.8 秒前變化並不大。0.8 秒之 後，因產生孤島運轉，發生頻率變異的情形，而 0.809 秒時超過 OF 界線時，可 依此判斷系統產生問題，中斷分散式發電系統輸出。
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-200 -100 0 100 200
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-4 -2 0 2 4
Vpcc
Iinv
Voltage Current
Time(s) islanding
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. 59
59 5. 60 60 5. 61 61 5. 62
Time s ( )
FrequencyHz ()
Over Frequency
Under Frequency
Normal Operation
(a) 負載操作於 NDZ 之 UF 範圍外
(b) 發生孤島運轉其反流器輸出電壓與電流波形（欠頻）
(c) 責任分界點之頻率變化（欠頻）
圖 4-5 孤島運轉中欠頻狀況之模擬
最後，利用被動式方法 OV/UV、OF/UF 偵測非 NDZ 負載，做防孤島測試如 圖 4-6 及圖 4-7。圖 4-6 為 UV 的例子，市電並聯反流器系統在 0.8 秒發生孤島運 轉，並且在 0.804 秒時偵測到低壓狀態，立即地中斷反流器輸出。圖 4-7 表示 OF
Q
P
Under Voltage
Over Frequency
Over Voltage
Under Frequency
Δ
Δ
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-200 -100 0 100 200
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-4 -2 0 2 4
Vpcc
Iinv
Voltage Current
Time(s) islanding
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. 58
58 5. 59 59 5.
60 60 5.
61
Time ( )s
FrequencyHz ()
Over Frequency
Under Frequency
Normal Operation
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. -200
-100 0 100 200
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. -4 -2 0 2 4
Time ( )s
Current
Voltage
Vpcc
Iinv
islanding Anti-islanding
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. -200
-100 0 100 200
Time ( )s
0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85. -4 -2 0 2 4
Current
Voltage
Vpcc
Iinv
islanding Anti-islanding
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-200 -100 0 100 200
0 75. 0 76. 0 77. 0 78. 0 79. 0 8. 0 81. 0 82. 0 83. 0 84. 0 85.
-4 -2 0 2 4
Vpcc
Iinv
Voltage Current
Time(s) islanding
的例子，市電並聯反流器系統在 0.8 秒發生孤島運轉，並在 0.807 秒時偵測過頻 率現象，立即地中斷反流器輸出。
利用被動式方法 OV/UV、OF/UF 偵測孤島雖然不帶給系統影響，但被動式 方法有其缺點：有很大的非探測區（NDZ），若此時分散式發電系統之負載落在 NDZ 內，則其反流器輸出之電流及電壓波形會如同圖 4-8。依圖所示，0.8 秒後 發生孤島運轉，但系統無法辨別其電壓大小變化及頻率大小差異，無法有效偵測 目前之系統狀態，因此，本文提出了一項新的技術，脈波電流注入法（PCI）來 解決 NDZ 問題，PCI 擁有簡單、快速等優點，詳細模擬在下一節說明。
圖 4-6 模擬測試欠壓時 之防孤島運轉（負載：40 Ω, 132.4 mH, 53 μF）
圖 4-7 模擬測試過頻時 之防孤島運轉（負載：50 Ω, 125 mH, 53 μF）
圖 4-8 操作於 NDZ 下之 反流器輸出電流及電壓 波形