運轉中對電網電壓的影響

風力發電機組可運轉的有效風速約為 4~25m/s。由於風力的間歇性難予預 測，當出現陣風或雖然連續但脫離了有效風速的範圍，都將造成風力發電功率大 幅度的變化，對系統的頻率和電壓造成影響。電網穩態頻率的影響決定於風力發 電在電網中所佔比例，依照 EPRI 研究報告[12]，目前一般電網饋線對風力發電 的穿透率(Penetration Rate)約為饋線總輸電容量的 10~30%，實際穿透率需視風力 發電機組的裝設位置而定，愈靠近饋線電源側則愈高，反之愈低。另外，根據 Wind Force 12 之報導，證實歐洲電網在風力發電的穿透率達 20%時，運轉穩定，

沒有技術上的困難。丹麥西部地區，在風力發電的穿透率達50%時，電網系統已 有運轉成功的經驗。

如按EWEA 預測 2020 年風力發電佔總發電量的比例可達 12%，因此，對 於現行電網結構、保護系統等有必要予以徹底研究及分析。針對上述風力發電的 特性及限制，茲將各種對系統衝擊現像概略分析如下。

(1) 電壓調整及線路損失

傳統的輻射狀配電網路是利用裝設於變電所內之變壓器負載分接頭切換器

線路電壓補償措施，使得用戶端的電壓大小符合相關規定值。由於傳統的配電系 統設計只考慮單方向電力潮流，當風力發電電源加入配電系統運轉後，電力潮流 方向可能因此而改變，導致系統電壓超出正常範圍外，惟超出範圍程度依其裝設 位置之不同而有所區別，如圖3-31 所示。

圖3-32 風力發電電源加入饋線運轉前後之電壓變動

當在饋線電源端附近引入G1 風力發電機組時，饋線末端的電壓比未加入風 力發電電源時的電壓值為低，甚至低於所規定之最低電壓下限值，如此將造成用 電負載損失；反之在饋線末端加入G2 風力發電電源時，饋線末端的電壓可能比 未加入風力發電電源時的電壓為高，甚至高出所規定的最高電壓上限，將造成用 戶設備的損壞。因此如何兼顧風力發電機組的正常運轉及用戶端的電壓品質，有 必要針對加入風力發電機組後的配電系統重新檢討饋線上電壓調整器之設定 值。詳細的電壓調整分析必須依據電力潮流軟體計算結果並考慮線路阻抗特性、

電壓調整器的設定及風力發電機組的電流、相角等因素，再配合機組的容量大小 與設置位置，才能正確分析出對線路壓降補償器的影響。

(2) 諧波問題

一般諧波對電力設備之影響大致上可分為(a)諧波電流增加，導致電力設備

過熱、超載、燒毀等(b)造成電子控制設備受到干擾而誤動作(c)增加系統損失(d) 容易產生系統共振等負面結果。目前風力發電機組大都採用變速恆頻發電機組，

由於風機的轉速遠低於發電機轉子的速度，因此發電機併入電網之前必須藉由變 頻器將頻率提高至電網頻率。雖然新型的變頻器大都採用絕緣雙極電晶體(IGBT) 為轉換元件以得到更完美的波形，可大為降低總諧波量以符合IEEE 標準的相關 規定，惟該元件比較容易產生高階項的諧波，當電力系統併入大量的分散型電力 時，這種高階項的諧波會對系統造成很大的危害，因此進行分散型電力併聯計畫 必須考慮分散型電力的諧波影響。

(3) 共振過電壓問題

除了因於饋線末端加入風力發電發電機組及系統電壓調整所導致過電壓之 問題，另一種過電壓的問題主要來自於共振。若是風力發電發電系統發生單獨運 轉，風力發電機組與系統的其它串並聯設備，如連接到饋線的功率因素用的補償 電容器組及諧波濾波器等，將可能造成共振。此種共振可能發生在故障時或正常 運轉下，且與變壓器的連接方式無關，而最常見的串聯共振發生在發電機的次暫 態電抗與系統電容器間，如圖 3-32 所示。另一種常見的共振方式是鐵磁共振，

這是一種發生在變壓器非線性磁阻與其它磁性設備與電容器間的一種共振方式。

圖3-33 風力發電電源與系統電容器之串聯共振

當風力發電發電系統處於單獨運轉狀態、單獨運轉區域的發電機之發電量 大於負載、單獨運轉區域擁有足夠的電容量(一般為發電機額定的 30%~400%)或

此種鐵磁共振的最佳方式，就是確保風力發電發電系統擁有可靠且快速的單獨運 轉防止措施，且不能與大型的電容器組一起隔離，良好的單獨運轉防止措施將有 助於降低分散式發電系統對電力系統所可能產生的衝擊。

(4) 故障電流及保護協調

圖3-34 含風力發電電源之配電系統故障電流圖

如圖3-33 所示，配電饋線上增設了三台發電機組，當系統發生故障時，故 障電流增大，電流值可能超過原來設置的電力熔絲或斷路器的額定值或設定值，

使得保護設備無法使用或是相關設定值必須重新檢討。風力發電引入配電電力系 統所造成的效應，勢必會影響到過電流保護設備的操作，其可能造成之影響如 下：(a)由於風力發電電源所提供的電流，導致系統電力熔絲熔斷(b)由於配電系 統末端的風力發電電源所提供的電流，造成上游側斷路器、復閉器、區域切換器 或熔絲產生誤動作(c)風力發電電源持續提供電流，使得區域斷路器無法動作。

因此，為了解決以上各種衝擊，風力發電電源引入系統之前必須經由適當的短路 故障分析軟體，分析並找出相關的問題，提供相關保護協調設備的調整與設定。

除了風力發電發電系統於短路故障時對配電系統既有保護設備所造成的衝擊 外，另一方面保護協調設定也必須依分散式發電機組容量大小、種類及位置，以 及線路中既有的保護設備重新加以調整。

在風力發電機組併入配電系統運轉時，可能會發生風力發電機單獨運轉現 象，此單獨運轉現象係由於電力公司的市電網路因某種原因而發生中斷，此時風 力發電機組並未檢測到，導致市電網路未即時切離，造成部份配電系統仍呈現單 獨受電而形成不受電力公司控制之電力孤島區域，如圖 3-34 所示。由目前學術 文獻及相關技術報告結論得知：風力發電機組單獨運轉現象常發生是由於風力發 電機組發電量之總和與配電系統用電負載相當接近時發生。單獨運轉現象將可能 造成下列不利之影響(a)因電力孤島區域仍維持受電卻未檢出，有可能造成相關 區域維修人員之疏忽，造成工安事故(b)在單獨運轉期間的電壓、頻率不穩定，

用電設備容易受損及配電系統保護電驛容易產生誤動作(c)市電恢復供電時可能 無法同步等。

IEEE 1547、美國加州分散型併聯細則(Rule 21)、日本分散型電源系統連接 技術指針等，均有避免單獨運轉之條文規定。

圖3-35 單獨運轉區域圖

目前對於電力孤島運轉之檢測有被動與主動兩種檢測方式(a)被動型偵測 法：以偵測系統參數變化來判別單獨運轉現象的發生，如系統頻率變化率偵測 法、系統電壓變化偵測法、電壓相角跳動偵測法、諧波含量變化偵測法等(b)主

孤島運轉區（Power Island）

Bus2 Bus3

工業區負載 網路負載

Bus1

市電跳脫 CB

電力公司 市電

連絡 CB

工業區

風力機組

率之變動，當發電機單獨運轉現象時，檢出其顯著變動之方式，如頻率偏移方式、

e. 一週波平均失真量 THDavg,t THDavg,s

-× 100

其中一分支發生故障時其餘線路仍可繼續供電，而且保護設備也能在逆向潮流流 經時跳脫以保護電力系統供電的可靠度，但加入風力發電電力，電力系統可能會 對這種配電站造成嚴重衝擊，如果風力發電電力的容量很大以致於有可能逆送電 力回配電站，此時風力發電機組的逆送電力會造成二次側的保護電驛跳脫。由目 前國內外的研究可知，風力發電併入配電系統後對於既設保護電驛的衝擊可以歸 納為下列幾項。

a. 對自動復閉裝置的影響

由於在配電系統上大多數的故障皆為暫時性的，因而使得自動復閉裝置成 為廣泛使用的保護設備，然而自動復閉裝置與某些形式的風力發電系統基本上是 無法共存的。ㄧ次成功的復閉動作需能將故障電弧清除，如圖 3-35 所示當故障 發生後，自動復閉裝置將因偵測到故障電流而動作，此時風力發電系統需能及時 偵測出故障的發生，且需在自動復閉裝置進行復閉動作前與配電系統解聯，否則 會因為風力發電系統持續對故障電弧提供能量而使得故障仍然存在，造成復閉動 作的失敗。另外當配電系統復閉時，若風力發電系統尚未解聯，則會造成配電系 統與風力發電系統間的非同步並聯，而對設備造成損害。

為了提高供電品質，一般自動復閉裝置之復閉時間設定皆相當短(約 0.2~0.5 秒)，以縮短用戶之停電時間，但如此卻增加了風力發電系統對於故障偵測的困 難度，針對此問題最簡單的處理方法即增加復閉時間之設定，但此作法又會與提 高供電品質的目標相衝突，因此需另尋其他方法克服之。

b. 對測距保護的影響

測距電驛之原理為利用所取樣之電壓及電流來計算其比值(即阻抗值)，當此 比值小於設定值(由最小故障電流決定)時電驛即動作。當風力發電系統加入系配 電統後，將使電驛低估其系統上之電流大小，因而縮小了原本所能保護的區間，

如圖3-36 所示。

圖3-37 風力發電機併入配電系統後對測距保護之影響 c. 短路電流的重新分配

在傳統的配電系統上，只有系統電源能提供短路電流，因此短路電流的路

在傳統的配電系統上，只有系統電源能提供短路電流，因此短路電流的路