風力發電系統架構

一個與電力網併聯之風力發電工程其主要系統架構包括風力發電機、開關設 備、變壓器、輸電線路以及相關之電氣室、地下管路或架空鐵塔等部份，風力發 電機將風能轉化為電能後，經變壓器升壓，再以地下或架空輸電線路，將電能輸 送至台電變電所，併入台電系統，如下圖所示。

資料來源：台電公司 圖2- 4 風力發電工程系統示意圖

2.3.1 風力發電機

風力發電機發展至今，商業化之大型風機幾乎多採用上風型、三葉片、水平 軸型式，主要結構包括葉片、機艙、發電機、齒輪箱、塔架、控制系統、升壓變 壓器、開關設備等；風機設計壽命一般為20年，由於風的不穩定性，機艙上方裝 置 有 風 向 及 風 速 計 ， 可 偵 測 風 速 及 風 向 驅 動 轉 向 系 統 自 動 迎 風 轉 向 （Yaw Control），通常風速達2~4公尺/秒時（切入風速）即自動啟動發電，風速達12~13 公尺/秒時（額定風速）時達到額定輸出，為了增加低風速時之風能攫取及避免高

風速時超額定輸出，造成發電機等設備損壞，藉由葉片旋角控制（Pitch Control），

配合風速自動調整葉片節距角（Pitch Angle），以穩定輸出；當風速達25~34公尺/

秒時（即所謂切出風速），會因為結構及運轉安全考量緣故，自動停機，一旦風速 降低到可運轉程度後，會再重新啟動發電，其中切入、額定及切出風速因各廠商 設計而有所不同。

在確保風力機安全運轉的設計方面，除雷擊保護裝置及具有氣動煞車與機械 煞車兩套獨立安全煞車系統外，現代風機多採用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）控制系統監控風場即時狀態、量測紀錄運轉時各項數據，保護設 備避免過載、過熱，以及阻止風力機超轉速及過轉向等，必要時自動發出警報及 停機，並利用光纖及網際網路連結，讓技術人員在遠端即可進行監控，將正常運 轉時人力需求減至最少。

Enercon E70 E4規格 額定輸出 2300 kW 輪轂高度 64 m 葉片直徑 71 m 切入風速 2.5 m/s 額定風速 12.5 m/s 切出風速 34 m/s 耐受風速 70 m/s 葉片轉速 6~21.5 rpm

資料來源：Enercon公司 圖2- 5 風機示意圖

葉片直徑 塔架

葉片 輪轂

2.3.2 線路併聯

併網型風力發電是將風機所發的電力匯入電力網，在台灣就是併入台電公司 電力網絡系統，至於以何種電壓等級併入以及應設置何種保護電驛，依據「台灣 電力公司再生能源發電系統併聯技術要點」規定，風場發電設備總裝置容量在100 瓩以上未滿10,000瓩（10,000kW）得併接於11,400伏特之高壓配電系統；在100瓩 以上未滿20,000瓩，得併接於22,800伏特之高壓配電系統，在10,000瓩以上未滿 20,000瓩且無22,800伏特之高壓配電系統者或發電設備總容量在20,000瓩以上者，

得併接於特高壓系統，一般風力發電機所發出來為低壓400伏特~690伏特之間（因 各廠牌而有差異），經變壓器升壓22,800伏特（或11,400伏特）後，經由電力電纜 饋送至電氣室開關設備，再以架空或地下電纜引接至台電指定變電所，但若須併 入特高壓系統，則需再升壓一次至161,000伏特。

2.3.3 風力發電特點

1. 風是自然產生，生生不息，沒有費用問題，可能帶來極大破壞，可是運 用得當，也可轉變成為有用風能。

2. 對於邊遠地區以及交通不便處所，因為輸配線路設置成本費用高，往往 也是電力匱乏地區，透過風力發電設置，可就近提供高山、孤島等偏遠 缺電地區乾淨及方便電力供應，維持生活基本需求。

3. 風力發電運轉過程中不排放溫室氣體、污水等有害物質污染環境，不破 壞生態，用電面積小，為一清潔安全的能源。

4. 風速隨著周遭各種因素每日變動、也隨著季節轉換變化，預測困難，極 不穩定，也無法儲存，使得風力機之輸出亦非常不穩定，對需要穩定電 源用戶是非常困擾，所以風力發電僅適合作為輔助性能源，無法當作基 載能源。

5. 風向、風速受地貌影響非常大，微小地區距離，風力即可能會有顯著局 部差異，即使在同一地區，也因地形地物而產生擾流，進而影響風力機

壽命及產出風能。

2.3.4 風力發電發展趨勢

為了對抗日益嚴重環境污染，提升自產能源比例，減少對於石化燃料依賴，

世界各國皆將綠色能源列為發展重點，其中風力發電因轉換效率較高，具經濟性，

因此受到重視程度也最大，從2008年全球風電總設置容量已達到120,798MW (Global Wind 2008 Report，2009)可以得知；為了得到更高效率之發電量，風力發 電技術朝向下列趨勢發展：

1. 風電機組的容量增大

隨著研發腳步加快，技術突飛猛進，現今市場上陸上型商業化風機的容量 普遍為1.5～3MW，性能上也大幅提升，以Enercon公司E-70機型為例，風機高 度、葉片大小與其他廠牌額定發電2MW規格相似，可是發電量卻提升至 2.3MW，而且切入風速達2.5公尺/秒時即可啟動發電，效能及可靠度大大提 升；目前各家風機開發業者多已成功開發單機容量5~6MW的大型機組，使得 在用地大小差不多情況下，發電量可增加一倍以上。

2. 塔架高度上升

由風能密度公式可知，風能大小與風速三次方成正比關係，所以在同一場 址為擷取較大風能，直接又簡單方式就是將塔架升高，目前2MW風機之塔架 高度已動輒高達60~70公尺，隨著風機機組容量增大，塔架高度也隨之增大。

3. 葉片長度增大與材質改變

由風能密度公式可知另一個使風能增大要素是增加葉片擷取風能面積，亦 即增長葉片長度，葉片愈來愈大，也意味著必須承受更大風壓，尤其葉片是 整個風機結構最脆弱部份，所以在同時考量增長葉片，又要顧及結構強度及 抗腐蝕等因素，目前葉片材質多採用玻璃纖維強化塑膠（Fiberglass Reinforced Plastics），主要是因為玻璃纖維強化塑膠具有價廉、質輕、強度佳、易成形及 耐腐蝕、耐疲勞等特點。

4. 電力電子與監控技術的進步

越來越多風機廠家整合功率半導體元件、電子與控制等技術，並應用於風 機電力轉換，以控制風速變動造成之輸出電力變動，得到較佳輸出電力品質；

另外隨著資訊科技、電力電子與網路通訊等技術快速進步與發展，目前商業 化風力機組皆配置有即時監視、自動保護及遠距控制系統，可即時將發電量、

電力品質等風機狀態傳送至遠方控制室作遠距監控，當機組發生過熱、過載、

過轉向、超轉速等異常狀況時，會自動啟動保護設備裝置迅速將故障隔離，

且偵測現場風速狀況及機組運轉情形自動迎風轉向、啟動發電，並於風速過 大或有異常狀況時自動停機；在正常情況下，完全自動不需人員親赴現場操 作、檢視，將人力需求降至最低。