執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 10 月 31 日
主持人：黃培華 國立台灣海洋大學電機工程學系 副教授
計畫參與人員：侯博文、朱志琮、陳志煌、丁少強、李亭漢 碩士班研究生
摘要
本計畫為「電力防衛系統之研究」總計畫的一項子計 畫，主要目的在於應用電力系統廣域量測值於電力系統穩定 器的設計。
由於全球衛星定位系統科技的進步，使得大型電力系統 在大範圍區域之間的信號同步相量量測成為準確可行，並已 在電力系統的控制及監測領域中獲得有效的應用。本計畫主 要目的在運用電力系統的廣域量測值，來改進以往電力系統 穩定器大多仰賴於當地或局部的資訊而導致控制能力上的限 制。利用廣域量測到的遠端同步量測資訊，配合局部區域的 量測值，可提昇電力系統穩定器的控制能力，同時改善局部 區域及整體電力系統的穩定度。
本年度主要工作項目在於將前期的研究經驗與結果應 用於大型電力系統，主要在於針對以擷取廣域訊號為輸入訊 號的電力系統穩定器，探討其設計過程與性能分析的相關議 題。本計畫採取小信號穩定度的觀點，利用特徵結構分析方 法，配合時域動態模擬來驗證所設計的電力系統穩定器的有 效性，並同時考量廣域訊號傳輸過程可能發生的延遲效應對 電力系統穩定器性能的影響及其產生的效應，最後根據研究 結果提出相關建議。
關鍵詞：電力系統穩定度，相量量測單元，電力系統穩定器。
Abstract
Wide area measurements in large-scale power systems have become feasible due to the technology of GPS-based synchronized phasor measurement units. Synchronized phasor measurements have been proven useful for many control and monitoring applications in the power system.
The purpose of this project is to study the improvement of system damping in a large-scale power system by installing power system stabilizers with wide area measurements as input signals. Based on the concept of small signal stability, this project employs the methods of eigenstructure analysis and time domain simulation to design and verify the proposed power system stabilizer. The effect of transmission delay of wide area measurements on the performance of the proposed power system stabilizer is also investigated. Some suggestions are made concerning the installation of wide-area-signal stabilizers for power systems.
Keywords: Power system stability, phasor measurement unit, power system stabilizer.
I. 動機與目的
現今電力系統由於電網互連規模龐大，輸電線加 長，各互連系統區域間電力潮流的交換或融通量加重
之後，世界各地許多電力公司陸續發現在無事故正常 運轉下的電力系統也會出現低阻尼或負阻尼的情形，
引起自發性低頻振盪(Low Frequency Oscillation)現象 [1-3]。此種低頻振盪，使系統中線路輸電能力下降，
常常造成系統不穩定及運轉困難，輕則導致跳線跳 機，重則系統解聯崩潰。
近年來，台電系統因區域電力供應不平衡（北區供 電不足，中區及南區則電力過剩）以及長條型網路的 地理結構特性，大量融通電力由中、南部經由 345kV 輸電幹線系統送到北區，導致在民國73 年、79 年、80 年以及81 年均曾因 345kV 輸電幹線融通電力過大出現 低頻振盪，嚴重危害系統安全[4-11]，此為系統因阻尼 不足所引發之振盪型不穩定(Oscillatory Instability)。雖 然在裝設電力系統穩定器(Power System Stabilizer)之 後，低頻振盪現象已被有效抑制[7-9]。然而在輸電系 統仍為長條型架構、區域間仍有大量融通電力流動的 情形下，低頻振盪現象對台電系統的運轉安全性而 言，仍是一項潛在的威脅，系統的小信號穩定度情形 應加以持續密切分析與觀察。
電力系統低頻振盪(Low-frequency Oscillation)現象 的起因為發電機關於機電功率平衡的轉子機電模式 (Electromechanical Mode)振盪，包括 (1)區域振盪模式 (Local mode)：此一振盪模式發生在若干發電機(廠)或 是一小部分的電力系統內， (2)區間振盪模式(Inter-area mode)：此一振盪模式為區域之間的若干發電機(廠)互 成群組與不同區域的另一群組相對應振盪，以及(3)控 制模式(Control Mode)：由於發電機組本身的參數調整 不當所造成的不穩定模式。相較之下，Inter-area Mode 的低頻振盪涉及數目較多的機組，影響範圍較大，振 盪頻率較低，往往形成低阻尼甚至不穩定的情形。台 電系統所出現過的低頻振盪即是 Inter-area Mode 的低 頻振盪。由整體系統穩定度觀點而言，Inter-area Mode 的低頻振盪比起Local Mode 的低頻振盪應受到更多的 關注。
電力系統穩定器(Power System Stabilizer，簡稱 PSS) 為一項輔助激磁控制(Supplementary Excitation Control) 設備[1-3,12,13]。以往的電力系統穩定器設計受制於通 信上的限制大都採用分散式(Decentralized)架構，量取 所配屬發電機組本身或當地 (Local)的信號，如轉子速 度、加速功率、匯流排頻率等信號，經過控制迴路的 轉移函數計算處理後，成為輔助激磁控制信號，回授 至激磁系統輸入端。如此所設計的電力系統穩定器可 有效地提供阻尼予Local Mode 的振盪；而若經由適當 的控制器參數設定，亦可能在一定的負載潮流狀況下
為Inter-area Mode 的振盪提供阻尼。Inter-area Mode 的 振盪較不易在局部地區的發電機信號上被觀測到而受 到電力系統穩定器的控制。因此為提昇Inter-area Mode 振盪的可觀測性與可受控性，亦即為提昇電力系統穩 定器針對Inter-area Mode 振盪的感知與控制能力，擷 取遠端(Remote)或廣域(Wide Area)的關鍵系統狀態量 測值（例如遠方不同區域其他機組狀態的資訊），作為 電力系統穩定器的輸入信號，以充分反應出 Inter-area Mode 的振盪對系統造成的影響。遠端或廣域系統狀態 的量測與擷取則有賴於同步相量量測(Synchronized Phasor Measurements)技術的發展[14-30]。
本計畫主要目的在於利用同步相量量測單元能提 Local Mode 以及 Interarea Mode 的兩種機電振盪。
II. 研究方法
同步相量量測單元(Phasor Measurements Unit，簡稱 PMU)係依據全球定位系統(Global Positioning System，
簡稱 GPS)所發展出的電力系統量測技術，利用全球定 率等訊號。為提昇Inter-area Mode 振盪的可觀測性與可 受控性，利用廣域相量量測方式，擷取遠端或廣域的關 鍵系統狀態量測值（例如遠方不同區域其他機組狀態的 資訊），作為電力系統穩定器的輸入信號，以充分反應 出Inter-area Mode 的振盪對系統造成的影響。由於同步 相量量測技術的發展，利用同步相量量測單元可以提供
表1 各區域電力潮流 地理區域 發電量 負載量
P (MW) 13883.2 15599.3 北 Q(MVAR) 3473.4 5121.6
P (MW) 9519.1 8433.9 中 Q(MVAR) 1369.1 2689.0
P (MW) 10281.4 9702.4 南 Q(MVAR) 1379.6 3413.3
P (MW) 120.0 548.5 東 Q(MVAR) 23.9 199.3
P (MW) 1155.0 750.0 西 Q(MVAR) 351.4 246.5
P (MW) 34958.6 35034.1 總
數 Q(MVAR) 6597.4 11669.8
表2 各區域間電力潮流融通量 To
From 北 中 南 東 西 P (MW) -869 -15 -600 北 Q(MVAR) 401 -110 227
P (MW) 869 -560 1025 -404 中 Q(MVAR) -401 -212 -46 -44
P (MW) 15 560 5 南 Q(MVAR) 110 212 0
P (MW) 600 -1025 -5 東 Q(MVAR) -227 46 0
P (MW) 404
西 Q(MVAR) 44
IV. 系統分析與模擬
本計畫以電力系統模擬軟體PSS/E 為分析工具，探 討電力系統穩定器裝設地點與輸入信號選擇，設計以廣 域量測信號為輸入信號的電力系統穩定器，並分析廣域 訊號的延遲所導致的影響。研究過程以頻域分析為主，
並配合時域模擬加以驗證。
首先分析系統未加裝電力系統穩定器時的機電模 式低頻振盪特性，計算其特徵值、阻尼比、振盪頻率，
其中影響範圍最大、阻尼最低者為區域間振盪模式
（Inter-area Mode），該振盪模式特性如表3 所示，特徵 向量圖繪如圖3，而參與因數較大的機組與狀態變數則 如表4 所描述。
觀察圖 3 的特徵向量圖可知區域間振盪模式頻率 低、阻尼亦較低、涉及較多發電機組，影響範圍較廣，
為南、北區域機組群之的低頻振盪。
表3 Inter-area Mode 特性 特徵值 阻尼比 頻率 (Hz) -0.14837 j 5.0977 ± 0.029094 0.81132
30
210
60
240 90
270 120
300 150
330
180 0
北部：
大潭CG # 1~7 大潭CS # 1~7 長生G 1,2 長生S 1,2 新桃 1A,B,C,S
南部：
核三# 1,2 大林 # 1,2,3,5 仁塑G 森霸GT 1~4 森霸ST 2,3
圖 3 Inter-area Mode 特徵向量圖 表4 Inter-area Mode 參與因數
機組與狀態變數 參與因數 核三#1 (∆ω) 1.00000 核三#1 (δ ) 0.99971 核三#2 (∆ω) 0.97253 核三#2 (δ ) 0.97209 大林#3 (∆ω) 0.96904 大林#3 (δ ) 0.96879 大潭CG#1 (∆ω) 0.66484 大潭CG#1 (δ ) 0.66457 大潭CG#2 (∆ω) 0.66026 大潭CG#2 (δ ) 0.65985
接下來以時域模擬驗證 Inter-area Mode 的特徵結 構，模擬系統於0 秒時在峨眉(#2000) 345kV 匯流排發 生三相短路故障，並於擾動發生4 cycle 後清除故障使 線路復歸，並計算系統動態響應至20 秒，觀察 Inter-area Mode 特徵向量較大的發電機：大潭 CS#1(#321)、大潭 CS#2(#321)、新桃 1C(#9113)、大林#3(#1103)、仁塑 G(#8606)、森霸 GT4(#9335)之輸出功率及轉子轉速變 化量，如圖4、圖 5 所示。
圖4 系統未裝設 PSS 時之功率波形 3
圖5 系統未裝設 PSS 時之轉子轉速波形
由圖4、圖 5 可看出當系統於 4 cycle 故障清除後響 應波形開始收斂，但是一直到20 秒系統都未能恢復到 原本無事故時候的狀態，而是以南北兩大群組相差近 180 度的振盪，顯示此時系統阻尼較低以致於無法在短 時間內收斂至穩定工作點。
IV. 電力系統穩定器
本計畫依下列步驟逐一分析電力系統穩定器裝設 情形及提供系統阻尼之改善響應，用以選擇良好之電力 系統穩定器設計與裝設地點：(1)發電機裝設電力系統 穩定器、(2)發電機裝設擷取廣域量測訊號之電力系統 穩定器、(3)綜合考量訊號傳輸過程延遲下之系統響應 分析、(4)分析移除具有嚴重訊號延遲之遠端訊號情況 下系統響應。
(1) 發電機裝設電力系統穩定器：
依Inter-area Mode 的參與因數判斷，影響該模式最 主要的發機組依序為：核三# 1、核三# 2、大林# 3、大 潭CG # 1、大潭 CG # 2。因此，將 PSS 裝設於這 5 部 不同的發電機，利用根軌跡圖形探討於不同發電機加入 PSS 對系統阻尼的改善程度，取其最佳的 PSS 參數值，
並計算加入 PSS 後的特徵值、阻尼比、及振盪頻率列 如表5。
表5 不同地點裝設 PSS 後 Inter-area Mode 特徵值比較 裝設位置 實部 虛部 阻尼比 頻率(Hz)
未裝設 -0.14837 5.0977 0.029094 0.81132 核三#1 -0.29752 5.0646 0.058645 0.80605 核三#2 -0.28192 5.0540 0.055695 0.80436 大林#3 -0.25836 5.0911 0.050682 0.81027 大潭CG#1 -0.15110 5.1044 0.029589 0.81239 大潭CG#2 -0.15104 5.1044 0.029577 0.81239
由表5 可以發現，PSS 裝設在南部機組如：核三#1、
核三#2、大林#3 時，對於系統阻尼有明顯的改善，尤 其以裝設再核三#1 為最佳，而 PSS 裝設在北部機組如：
大潭CG #1、大潭 CG #2 時，其改善系統阻尼之能力明 顯不如PSS 安裝在南部機組。
接著，以同樣的時域動態模擬來驗證 PSS 之有效 性。模擬系統0 秒時於峨眉(#2000) 345kV 匯流排發生 三相短路故障，並於擾動發生4 cycle 後清除使線路復 歸，觀察大潭 CS#1(#321)、大潭 CS#2(#322)、新桃 1C(#9113) 、 大 林 #3(#1103) 、 仁 塑 G(#8606) 、 森 霸 GT4(#9335)之輸出功率及轉子轉速變化量，南部地區取 核三#1 為代表，北部地區則取大潭#1。模擬結果可發 現 PSS 裝設在南部機組時確實比裝設在北部機組更能
接著，以同樣的時域動態模擬來驗證 PSS 之有效 性。模擬系統0 秒時於峨眉(#2000) 345kV 匯流排發生 三相短路故障，並於擾動發生4 cycle 後清除使線路復 歸，觀察大潭 CS#1(#321)、大潭 CS#2(#322)、新桃 1C(#9113) 、 大 林 #3(#1103) 、 仁 塑 G(#8606) 、 森 霸 GT4(#9335)之輸出功率及轉子轉速變化量，南部地區取 核三#1 為代表，北部地區則取大潭#1。模擬結果可發 現 PSS 裝設在南部機組時確實比裝設在北部機組更能