第一章 緒論
1.1 研究背景
因應全球氣候的變遷，節能減碳已成為全球矚目之焦點，世界上各主要國家莫不積 極尋求更有效率的使用能源，紛紛提出新能源之方案。我國行政院2008 年頒布之「永續 能源政策綱領」，其中規劃2025 年全國碳排量須回到 2000 年水準，並使用 8%無碳再生 能源。[1] 再者，2011 年 11 月 3 日我國公布新能源政策，內容包含全力推動再生能源，
擴大各類再生能源推廣、推動「千架海陸風力機」計畫以及推廣「陽光屋頂百萬座」等 計畫 [1]。另外，我國在 2009 年 6 月 12 日通過「再生能源發展條例」，其中，將再生能 源發電裝置總容量提升到佔全國發電總裝置容量的12%，並預估在 2020 年達成法定獎勵 總量六百五十萬瓩，其中風力發電與太陽能發電等分散式能源之發展更是備受注目。
近年來，由於包括風力及太陽光電等再生能源發電、搭配儲能設備分散式發電 (distributed generation, DG）與負載組成多個微電網系統之智慧電網持續崛起發展、用電 負荷不斷增加、低阻抗大容量變壓器的應用、發電廠及發電機單機容量的不斷增大以及 各大區電網的互聯等，輸配電網規模日益擴大，變電站容量、城市和工業中心負荷密度 不斷增長，電網互聯程度越來越高，使得電力系統中的故障電流位準不斷提高，導致故 障電流等級相對地提高，在許多情形之下甚至已超過了現存於電力系統中的斷路器啟斷 容量外，變壓器、斷路器、變電所母線與保護電驛等裝置等，亦必須跟隨地滿足高位準 短路電流帶來的更嚴格要求，且還需特別注意避免保護電驛可能造成誤動作對系統所產 生傷害。
一般限制短路電流的技術措施可從電力網結構、系統運行方式和設備性能三方面著 手。然而，改造電力網結構花費相當昂貴；改變系統運行方式則容易造成電力系統運行 的不穩定性;在設備端加裝電抗器、高阻抗變壓器則會導致系統網路損耗增加外，並降低
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系統的穩定性。另一方面，故障電流限制器在發生短路故障時，能夠迅速將故障電流限 制到可接受的位準，從而避免電力系統中大的故障電流對電網和電氣設備的安全穩定運 行構成重大危害，進而可以大大提高電網的穩定性外，並可改善供電的可靠性和安全性。
此外，由於限制了短路容量，進而可以降低電網對各種電器設備以及電網結構的設計容 量要求，更可以節省投資成本。因此，加裝故障電流限制器對抑制系統故障電流是一種 有效且經濟的選擇。再者，CIGRE 與 EPRI 針對故障電流限制器之研究調查由全世界電 力公司回覆得知，持續認為在中電壓與高電壓等級之電網系統安裝故障電流限制器是相 當重要的且有其必要性。[2-7]
故障電流限制器可以在故障發生時將故障電流降低到一定位準，然後藉由斷路器 (circuit breaker, CB) 在第一半週波內隔離故障點來進行對電網系統的保護，已成為了解決 電網故障短路電流日益增大的最佳解決方案。圖 1-1 所示為理想故障電流限制器於電網 系統之運作性能。
正常運作: 高短路電流容量
(低短路阻抗) R 低電壓降
R 高穩態及暫態穩定 R 低系統擾動
故障情況: 低短路電流容量
(高短路阻抗) R 低溫度及機械扭力 R 降低斷路器容量
最佳解決方式: 故障電流限制器(FCL)
R 短路期間高短路阻抗 R 快速且有效限制短路電流 R 自動且快速復歸
圖 1-1 理想故障電流限制器於電網系統之運作性能
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考慮FCL 之必要性與優點及電力系統之需求，決定不同技術之 FCL 及其適當地應 用是相當重要的。近年來，已執行有許多有關故障電流限制器( fault current limiter, FCL) 之研發外，且有好幾個與雛形在中電壓系統安裝。超導體FCL 以及飽和鐵芯 FCL 已於完 整系統條件下安裝，以實際驗證FCL 之適用性與優異性，且以故態元件之 FCL 持續發展 中。圖1-2 所示為依電力系統所需之性能技術和經濟效益之不同，故障電流限制器可安 裝於電力系統不同之地點，其中，數字表示故障電流限制器安裝之位置。[8, 9]
(1) 發電機輸出端：在不更換斷路器下使用更大容量的變壓器下，能夠降低系統故 障時之短路容量，進而減輕電力設備的短路熱動效應。
(2) 發電廠用饋線線路：限制各饋線之路的短路電流進而保護發電廠附屬設備外，
並可降低電壓降、減少對系統的干擾及提高系統的穩定性。
(3) 高壓輸電網路對外連接：解決電網互聯之短路電流過大問題，提高系統安全穩 定性與可靠度。
(4) 超導電力設備：藉由故障電流限制器限流，以避免超導電力設備(如超導電纜) 因失超以致燒毀。
(5) 低壓配電網母線：保障母線電壓穩定性與提高系統之供電可靠度。
(6) 低壓配電網母線輸出饋線：當負荷增大導致採用容量更大的變壓器時，可不更 換斷路器和隔離開關等設備外，並在可配電網母線發生故障時維持低壓配電網母線電壓 位準以保護整個母線。
(7) 低壓配電網變壓器：保護變壓器及其後續設備並降低短路容量外，並可提高穩 定性。
(8) 限流電抗器：在正常運行時，故障電流限制器將電抗器短接，進而降低電抗器 兩端的電壓降和損失。
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1.2 研究動機與目的
美國EPRI 在 20 世紀 90 年代初期曾就配電網路的各種限流技術進行專門性地組織 的調查研究，認為應用電力電子技術為基礎發展固態故障電流限制器(solid state fault current limiter，SSFCL)是較現實的技術途徑。[3, 6, 7]
主動式故障電流限制器(active fault current limiter，AFCL)具損耗低、能自動觸發、
自動復閉、可多次動作等獨特的優越性，已成為限流技術領域中相當重要的組成部分，
且在國外已經開始對故障電流限制器進行廣泛研究外，西門子、ABB、東芝等知名電力 公司也持續這方面相關的實務工程測試，並且有些雛型樣機已變電站試運行後已證明其 優越性。[2-4, 10-13] 隨著大功率半導體元件、控制理論、高溫超導技術和新材料等的蓬 勃發展，各國相繼不斷地提出各種新型限流裝置外，應用電力電子元件於短路電流限流 技術之研究，已成為電力系統相關重點項目之一。[14-29] 分析電力系統網路的故障電流 並探討安裝 AFCL 後對系統故障電流之抑制效益，以使電力系統網路安全運轉亦是相當 重要之一課題。
1.3 論文架構
本論文架構可分為五個章節：
第一章：緒論
說明論文研究背景及研究動機與目的。內容簡要介紹故障電流限制器的優異特性其 在電力系統之應用。