石化廠電力系統動態分析
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(2) 石化廠電力系統動態分析. Dynamic Behavior of the Power System for Petrochemical Plant. 研究生：盧信志 指導教授：陳盟仁. 國立高雄應用科技大學 電機工程系碩士班 碩士論文. A Thesis Submitted to Institute of Electrical Engineering National Kaohsiung University of Applied Sciences in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering in Electrical Engineering. June 2006 Kaohsiung, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十五年六月.
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(6) 石化廠電力系統動態分析. 學生：盧信志. 指導教授：陳盟仁. 國立高雄應用科技大學電機工程系碩士班. 摘 要 本論文主要在研究石化廠電力系統的動態特性。論文中以一個簡化大型石化 廠的電力系統作為模擬的架構，該系統組件包括汽輪機與調速系統、同步發電機 與激磁系統、三相變壓器、以及靜態負載等。研究方法為先推導系統組件的數學 模型，接著利用 SIMULINK 與 SimPowerSystems 開發模組，然後將這些模組依 系統架構連接，最後進行動態特性模擬及分析。為了讓研究與實際更接近，本論 文針對此系統在與市電併聯運轉以及獨立運轉情況下，分別做了四種不同的運轉 模式模擬。模擬結果顯示，在這些運轉模式下，該系統的動態特性都是可以接受 的，亦即，模擬結果與預期一致，並且可推論的，應可和實際運轉情形一致。本 研究的結果也可做為石化廠電力系統規劃、運轉以及擴充的重要參考。. i.
(7) Dynamic Behavior of the Power System for Petrochemical Plant. Student：H.-C. Lu. Advisor：M.-J. Chen. Institute of Electrical Engineering National Kaohsiung University of Applied Sciences. ABSTRACT This thesis presents the dynamic behavior of the power system for petrochemical plant. A simplified power system configuration was applied to this study. The models of the system components included steam turbine prime mover model, governor system model, excitation system model, synchronous generator model, three-phase power transformer model, and static load model. They were developed to cater for the dynamic behavior of the system using Simulink and SimPowerSystem. Various operational modes were simulated for the system, and the simulation results showed that the system operated acceptably under those conditions and should be coincident with practical operations. The dynamic behavior study for a petrochemical plant power system is essential for system planning, operation, and further expansion.. ii.
(8) 誌 謝. 在就讀高雄應用科技大學電機研究所的這段期間，感謝指導教授 陳盟仁老師不論在於論文或研究以及待人處世等方面的指導與關 懷，使本論文得以順利完成，在此謹致最誠摯之謝忱與敬意。感謝口 試委員林嘉宏教授及林堉仁教授對本論文的批評指教並提供寶貴意 見，使論文得以更臻充實完備。 在此也感謝研究室學長允成、孟哲及銘津、榮芳、駿杰、維雄等 諸位大哥及學弟銘良、偉俊、丁元的提攜與幫忙，以及班上同學在日 常生活及學業上的幫助與關懷，在此一併獻上最誠摯的感謝。 最後要感謝家人及女友媛玲的全力支持，讓我心無旁騖的完成學 業，在此謹將這份榮耀獻給我敬愛的父母親、哥哥及女友。. iii.
(9) 目錄. 中文摘要 …………………………………………………………………………..… i 英文摘要 …………………………………………………………………………..… ii 誌謝. …………………………………………………………………………..… iii. 目錄. …………………………………………………………………………… iv. 圖目錄. …………………………………………………………………………..… vii. 表目錄. …………………………………………………………………………..… ix. 符號說明 …………………………………………………………………………... x. 一、緒論………………………………………………………………………………. 1 1.1 研究背景及動機………………………………………………………… 1 1.2 文獻回顧………………………………………………………………… 2 1.3 論文架構………………………………………………………………… 2. 二、石化廠電力系統…………………………………………………………… 3 2.1 簡化的石化廠電力系統架構…………………………………..………… 3 2.2 汽輪機與調速系統…………………..…………………………………… 3 2.2.1 汽輪機……………………………..……………………………………… 3 2.2.2 汽輪原動機模型……………..…………………………………………… 3 2.3 三相同步發電機模型…..………………………………………………… 6 2.4 激磁系統模型……..……………………………………………………… 7 2.5 三相變壓器模型…..……………………………………………………… 9 2.6 靜態負載模型…………………………………………………………… 10. iv.
(10) 三、SimPowerSystems 模組開發與運用……………………………………………. 11 3.1 模擬軟體……………..…………………………………………………… 11 3.2 汽輪機與調速系統模組………………………………………………… 13 3.3 同步發電機模組……………..…………………………………………… 13 3.4 激磁系統模組…………………………………………………………… 15 3.5 三相變壓器模組………………………………………………………… 15 3.6 集總靜態負載模組……………………………………………………… 16. 四、石化廠電力系統動態特性模擬………………………………………………… 18 4.1 與市電併聯運轉動態特性模擬…………………..……………………… 18 4.1.1 與市電併聯運轉模式一………………………………………………… 20 4.1.2 與市電併聯運轉模式二………………………………………………….. 20 4.1.3 與市電併聯運轉模式三……………….………………………………… 21 4.1.4 與市電併聯運轉模式四………………..………………………………… 22 4.1.5 評論……………………..………………………………………………… 23 4.2 獨立運轉動態特性模擬………………………..…………….………… 44 4.2.1 獨立運轉模式一………………………………..………………………… 46 4.2.2 獨立運轉模式二…………..……………………………………………… 46 4.2.3 獨立運轉模式三……………………………………………..…………… 47 4.2.4 獨立運轉模式四……………………………………………..…………… 48 4.2.5 評論……………………..………………………………………………… 48. 五、結論與未來研究方向…………………………………………………………… 70 5.1 結論…………..…………………………………………………………… 70 5.2 未來研究方向..…………………………………………………………… 71. v.
(11) 參考文獻 …………………………………………………………………………… 72 附錄. …………………………………………………………………………… 74. vi.
(12) 圖目錄. 圖 2.1. 簡化的石化廠電力系統單線圖. 圖 2.2. 衝動式汽輪機. 圖 2.3. 反動式汽輪機. 圖 2.4. 典型的汽輪原動機方塊圖. 圖 2.5. 三相同步發電機架構圖. 圖 2.6. 激磁系統架構圖. 圖 2.7. 三種不同的激磁系統架構. 圖 2.8. IEEE Type 1 激磁控制系統模型. 圖 3.1. Simulink 主畫面. 圖 3.2. 選擇需要的模組. 圖 3.3. 連接模組. 圖 3.4. 模擬失敗. 圖 3.5. 汽輪機與調速器模型. 圖 3.6. 同步發電機模組. 圖 3.7. 激磁系統模組. 圖 3.8. 三相變壓器模組. 圖 3.9. 集總靜態負載模組. 圖 4.1. 與市電併聯的簡化石化廠電力系統架構圖. 圖 4.2. 與市電併聯運轉模擬的 SimPowerSystems 模組架構. 圖 4.3. 與市電併聯運轉模式一模擬時序圖. 圖 4.4. 與市電併聯運轉模式一系統變數變動情形(一). 圖 4.5. 與市電併聯運轉模式一系統變數變動情形(二). 圖 4.6. 與市電併聯運轉模式一系統變數變動情形(三). vii.
(13) 圖 4.7. 與市電併聯運轉模式一系統變數變動情形(四). 圖 4.8. 與市電併聯運轉模式二時序圖. 圖 4.9. 與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形(一). 圖 4.10. 與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形(二). 圖 4.11. 與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形(三). 圖 4.12. 與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形(四). 圖 4.13. 與市電併聯運轉模式三時序圖. 圖 4.14. 與市電併聯運轉模式三系統變數變動情形(一). 圖 4.15. 與市電併聯運轉模式三系統變數變動情形(二). 圖 4.16. 與市電併聯運轉模式三系統變數變動情形(三). 圖 4.17. 與市電併聯運轉模式三系統變數變動情形(四). 圖 4.18. 與市電併聯運轉模式四時序圖. 圖 4.19. 與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形(一). 圖 4.20. 與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形(二). 圖 4.21. 與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形(三). 圖 4.22. 與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形(四). 圖 4.23. 簡化的獨立型石化廠電力系統架構. 圖 4.24. 獨立運轉模擬的 SimPowerSystems 模組架構. 圖 4.25. 獨立運轉模式一時序圖. 圖 4.26. 獨立運轉模式一系統變數變動情形(一). 圖 4.27. 獨立運轉模式一系統變數變動情形(二). 圖 4.28. 獨立運轉模式一系統變數變動情形(三). 圖 4.29. 獨立運轉模式一系統變數變動情形(四). 圖 4.30. 獨立運轉模式二時序圖. 圖 4.31. 獨立運轉模式二系統變數變動情形(一). viii.
(14) 圖 4.32. 獨立運轉模式二系統變數變動情形(二). 圖 4.33. 獨立運轉模式二系統變數變動情形(三). 圖 4.34. 獨立運轉模式二系統變數變動情形(四). 圖 4.35. 獨立運轉模式三時序圖. 圖 4.36. 獨立運轉模式三系統變數變動情形(一). 圖 4.37. 獨立運轉模式三系統變數變動情形(二). 圖 4.38. 獨立運轉模式三系統變數變動情形(三). 圖 4.39. 獨立運轉模式三系統變數變動情形(四). 圖 4.40. 獨立運轉模式四的時序圖. 圖 4.41. 獨立運轉模式四系統變數變動情形(一). 圖 4.42. 獨立運轉模式四系統變數變動情形(二). 圖 4.43. 獨立運轉模式四系統變數變動情形(三). 圖 4.44. 獨立運轉模式四系統變數變動情形(四). 表目錄. 表 4.1. 與市電併聯運轉模擬的運轉模式. 表 4.2. 獨立運轉模擬的運轉模式. ix.
(15) 符號說明. Δω. ： 轉速差. Pm. ： 渦輪機輸出機械功率. [XC]. ： 狀態變數矩陣. [AC]、[BC]. ： 參數矩陣. [UC]. ： 輸入矩陣. p. ： 微分運算子. vs. ： 同步發電機定子電壓. is. ： 同步發電機定子電流. vr. ： 同步發電機轉子電壓. ir. ： 同步發電機轉子電流. rs. ： 定子繞組電阻. rr. ： 轉子繞組電阻. ϕs. ： 定子繞組磁通. ϕr. ： 轉子繞組磁通. v ds. ： d 軸定子電流. ids. ： d 軸定子電流. v qs. ： q 軸定子電壓. iqs. ： q 軸定子電流. vkq. ： q 軸阻尼繞組電壓. ikq. ： q 軸阻尼繞組電流. vfd. ： 激磁電壓. ifd. ： 激磁電流. vkd. ： d 軸阻尼繞組電壓. B. x.
(16) ikd. ： d 軸阻尼繞組電流. rs. ： 定子電阻. rfd. ： 激磁繞組電阻. rkd. ： d 軸阻尼繞組電阻. rkq. ： q 軸阻尼繞組電阻. Ld. ： d 軸電感. Lq. ： q 軸電感. Lfd. ： 激磁繞組電感. Lmq. ： q 軸互感. vd1. ： d 軸一次側電壓. id1. ： d 軸一次側電流. vq1. ： q 軸一次側電壓. iq1. ： q 軸一次側電流. vd2. ： d 軸二次側電壓. id2. ： d 軸二次側電流. vq2. ： q 軸二次側電壓. iq2. ： q 軸二次側電流. r12. ： 一次側電阻. r2. ： 二次側電阻. L11. ： 一次側自感. L22. ： 二次側自感. Lm. ： 磁化電感. vdk. ： d 軸電壓. idk. ： d 軸電流. vqk. ： q 軸電壓. xi.
(17) iqk. ： q 軸電流. rsk. ： 電阻. Lsk. ： 電感. xii.
(18) ㄧ、緒論 1.1 研究背景及動機 台灣地區天然資源貧乏，僅有少數的煤、天然氣、水力、和風力，98%以上 的能源都要仰賴進口，所以能源的節約和能源有效運用都是台灣相當重視的。近 年來，台灣經濟快速發展，國內用電量大幅成長，尤其夏季尖峰負載會導致台電 的發電量不足而造成限電危機，此時首當其衝就以工業界衝擊為最大，因為在台 灣的電力需求中就以工業用電比例最高[1]。所以在許多工廠裡紛紛的自備發電 機來供應廠區的電力，以減少限電時所帶來的衝擊。 在所有的發電方式中，應屬汽電共生方式的效率最高，可達到 80%以上，遠 高於傳統火力電廠的 30~40%。在產業界中，許多在製程都需要大量蒸汽，採用 汽電共生方式是不僅可以有效利用蒸汽的能量，也可以發電來降低購電成本，在 某些情形下如風災等更可以供應廠內所需的部份電力。 近年來，汽電共生系統主要使用石化業、鋼鐵業、水泥業、造紙業、紡織業、 以及食品業等。這些產業的特點，就是它們在製程上都需要大量的蒸汽或熱，特 別是石化業，佔了整個汽電共生的總設備容量 50％以上[2]。 石化廠的發電系統就是一個很典型的汽電共生發電系統。汽電共生的基本架 構是利用燃燒石化原料去加熱蒸汽鍋爐，而產生高壓蒸氣去推動汽輪機去帶動發 電機發電，把發電後的中低壓蒸氣送出到製程使用，達到最高的能源效率。在汽 電共生發電系統可分為先發電循環、後發電循環、以及複循環等三種[3-6]。 本論文主要在研究石化廠電力系統的動態特性。論文中以一個簡化大型石化 廠的電力系統作為模擬的架構。系統組件包括汽輪機與調速系統、同步發電機與 激磁系統、三相變壓器、以及靜態負載等。研究方法為先推導系統組件的數學模 型，接著利用 SIMULINK 與 SimPowerSystems 開發模組，然後將這些模組依系 統架構連接，最後進行動態特性模擬及分析。 為了讓研究與實際更接近，本論文針對此系統在與市電併聯運轉以及獨立運 轉情況，分別做了四種不同的運轉模式模擬。模擬結果顯示，在這些運轉模式下， 該系統的動態特性都是可以接受的，亦即模擬結果與預期一致，並且可推論的， 應可和實際運轉情形一致。本研究的結果可做為石化廠電力系統規劃、運轉及擴. 1.
(19) 充的重要參考。. 1.2 文獻回顧 在汽輪發電系統技術相關的文獻非常多，除了一些書籍及手冊對汽輪發電系 統的架構、汽輪機原理及其他組件有廣泛的介紹外，許多論文也針對各領域作深 入的研究及探討。 在汽輪機機組方面，IEEE 提出了典型的調速機和汽輪機的近似模型[7]， Mello 對先前 IEEE 所提出調速機和汽輪機的模型，補充了鍋爐及鍋爐控制的模 型，使整個模型更詳細[8]。Dent 提出了微調速機的架構，取代了大型汽輪機的 調速控制，並且詳細的比較這兩種系統的優缺點[9]。 在汽輪發電機的激磁系統方面，Schaefer 等人介紹現代化的激磁系統，文中 也對舊有的旋轉式激磁系統的缺點和問題有詳細的探討[10]。Kehler、Bize、 Kunitomi、Inoue 等人也探討了有關汽輪機頻率調整和控制的問題[11-14]。 在石化廠電力系統方面，Chen、Hsu 等人提出有關石化廠的電力系統方面的 文章，這些文章主要探討石化廠的保護電驛裝置及大型同步馬達啟動對汽輪發電 系統的影響[15,16]。. 1.3 論文架構 第一章. 緒論：說明本論文的研究動機及背景、文獻回顧、以及各章節概要。. 第二章. 石化廠電力系統：介紹石化廠電力系統、架構、以及原理，並且推導各 組件的數學模型。. 第三章. SimPowerSystems 模組開發與應用：將第二章所介紹的石化廠電力系統 組件利用 SimPowerSystems 軟體開發成模組，並且介紹內建模組的功 能及應用。. 第四章. 石化廠電力系統動態特性模擬：分別模擬與市電併聯運轉以及獨立運轉 的動態特性。. 第五章. 結論與未來研究方向：對研究結果進行歸納並且說明未來研究方向。. 2.
(20) 二、石化廠電力系統 2.1 簡化的石化廠電力系統架構 圖 2.1 為一個簡化的石化廠電力系統單線圖。此系統主要的組件包括八套汽輪 發電機組－2 套 125MVA、1 套 60MVA、5 套 12.5MVA，十一台三相變壓器－3 台 11.95kV/161kV、3 台 161kV/11.95kV、3 台 161kV/ 3.45kV、2 台 3.45kV/11.95kV， 以及七個靜態負載。. 圖 2.1 簡化的石化廠電力系統單線圖 2.2 汽輪機與調速系統 2.2.1 汽輪機 汽輪機有很多種。最主要的分類就是以蒸氣作用原理來分類，可分為衝動式 汽輪機(Impulse turbine)、反動式汽輪機(Reaction turbine)兩種[17,18]。衝動式汽輪 機是噴嘴固定，高速蒸氣噴流噴向葉片轉動汽輪機轉輪，如圖 2.2 所示。反動式汽 輪機是噴嘴固定於轉輪，利用蒸氣噴流之反作用力轉動轉輪，如圖 2.3 所示。 2.2.2 汽輪原動機模型 圖 2.4 為典型的汽輪機方塊圖[8]，包括調速機和輪機兩部份。調速機的功能是 當系統功率發生變動時，調整汽輪機的蒸氣進入量而改變汽輪機的輸出機械功率。. 3.
(21) 圖 2.2 衝動式汽輪機. 圖 2.3 反動式汽輪機. 輪機的功能則是將蒸氣的熱能轉換成動能。調速系統動作原理是以發電機的轉速 作為回授訊號與參考轉速比較得到轉速差(Δω)訊號，再經由控制系統放大並轉換. 4.
(22) 為控制伺服馬達的功率訊號，進而改變蒸汽閥的位置來調整進入渦輪機的蒸氣 量，最後改變渦輪機的輸出機械功率(Pm)，使得發電機即使在擾動後，也能回復到 同步轉速。. ωr. ∆ω. K1 1+ sT1. 1 1+ sT3. K2 1+ sT2. 1 1+ sT5. 1 1+ sT4. K4. K3. K5. Ρm. 圖2.4 典型的汽輪原動機方塊圖. 汽輪原動機的狀態方程式可以表示成. p[ X C ] = [ AC ][ X C ] + [ BC ][U C ]. (2.1). [ X C ] = [ X 1 , X 2 , X 3 , X 4 , X 5 ]T. (2.2). [U C ] = [ ∆ω , P1L , 0 , 0, 0 ]T. (2.3). 其中. ⎡ K1 ⎢T ⎢ 1 ⎢0 ⎢ [ BC ] = ⎢ 0 ⎢ ⎢ ⎢0 ⎢⎣ 0. 0 0 1 T3 0 0. ⎤ 0 0 0⎥ ⎥ 0 0 0⎥ ⎥ 0 0 0⎥ ⎥ ⎥ 0 0 0⎥ 0 0 0 ⎥⎦. (2.4). 5.
(23) ⎡ −1 ⎢T ⎢ 1 ⎢ K2 ⎢T ⎢ 2 ⎢ [ AC ] = ⎢ 0 ⎢ ⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎢ ⎢ 0 ⎣. 0. 0. 0. −1 T2. 0. 0. 0. −1 T3. 0. 0. 1 T4. −1 T4. 0. 0. 1 T5. ⎤ 0 ⎥ ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ −1 ⎥ ⎥ T5 ⎦. (2.5). 上列式子中，[Xc]為狀態變數矩陣，[Ac]、[Bc]為參數矩陣，[Uc]為輸入矩陣，p為微 分運算子[19]。. 2.3 三相同步發電機模型 通常汽輪機帶動的發電機都是以三相同步發電機為主。圖 2.5 為三相同步發電 機架構圖，定子是由三相電樞繞組構成，轉子包含場繞組以及阻尼繞組。根據法 拉第定律，同步發電機定子電壓(vs)及轉子電壓(v r)可表示成 ⎡ vs ⎤ ⎡ rs ⎢v ⎥ = ⎢ 0 ⎣ r⎦ ⎣. 0 ⎤ ⎡is ⎤ + rr ⎥⎦ ⎢⎣ir ⎥⎦. ⎡ϕ s ⎤ p⎢ ⎥ ⎣ϕ r ⎦. (2.6). 其中 vs = [ va ,vb ,vc ]. (2.7). is = [ia ,ib ,ic ]. (2.8). T. T. vr = ⎡⎣v f ,vkd ,vkq ⎤⎦ ir = ⎡⎣i f ,ikd ,ikq ⎤⎦. T. (2.9). T. (2.10). rs、rr、 ϕ s、 ϕ r分別為定子繞組與轉子繞組的電阻及磁通。 利用 Park 轉換，將三相轉換成 d-q 軸，參考到轉子軸後，三相同步發電機的 數學模型可表示成 ⎡ vqs ⎤ ⎡ − rs − pLq ⎢v ⎥ ⎢ ω L r q ⎢ ds ⎥ ⎢ ⎢ vkq ⎥ = ⎢ − pLmq ⎢ ⎥ ⎢ 0 ⎢v fd ⎥ ⎢ ⎢⎣ vkd ⎥⎦ ⎢⎣ 0. −ω r Ld. pLmq. ω r Lmd. − rs − pLd. −ω r Lmq. pLmd. 0. rkq + pLkq. 0. − pLmd. 0. rfd + pL fd. − pLmd. 0. pLmd. 6. ω r Lmd ⎤ ⎡ iqs ⎤. ⎥ ⎢i ⎥ ⎥ ⎢ ds ⎥ ⎥ ⎢ ikq ⎥ 0 ⎥⎢ ⎥ pLmd ⎥ ⎢i fd ⎥ rkd + pLkd ⎥⎦ ⎢⎣ikd ⎥⎦ pLmd. (2.11).
(24) 上式中vds、ids為d軸定子電壓及電流，vqs、iqs為q軸定子電壓及電流，vkq、ikq為q軸 阻尼繞組電壓及電流，vfd、vkd、ifd、ikd為激磁電壓、d軸阻尼繞組電壓、激磁電流、 d軸阻尼繞組電流，rs、rfd、rkd、rkq為定子電阻、激磁繞組電阻、d軸阻尼繞組電阻、 q軸阻尼繞組電阻，Ld、Lq、Lfd、Lkd、Lkq為d軸電感、q軸電感、激磁繞組電感、d 軸阻尼繞組電感、q軸阻尼繞組電感，Lmd、Lmq為d軸互感、q軸互感，p為微分運算 子[20,21]。. 圖2.5三相同步發電機架構圖 2.4 激磁系統模型 激磁系統主要目的是提供發電機所需要的激磁電流，並在發電的容量範圍內 藉由控制系統隨著發電機輸出調整電壓，達到發電機端電壓的穩定，架構圖如圖 2.6 所示[22,23]。. 圖 2.6 激磁系統架構圖. 7.
(25) 激磁系統基本原理是藉由同步發電機端電壓回授訊號經自動電壓調整器 (Automatic voltage regulator, AVR)來改變激磁電壓，達到控制同步發電機端電壓的 目的。激磁系統依激磁電壓產生的方式可分為旋轉式直流激磁系統、旋轉式交流 激磁系統、靜態激磁系統等三種，如圖 2.7 所示。此外，國際電機電子工程協會(IEEE) 將激磁控制系統，依其控制方式分為四類，分別是 IEEET1~IEEET4。本論文所使 用的激磁系統模型屬於 IEEE Type 1，如圖 2.8 所示[24-27]。. ∑. (a) 旋轉式直流激磁系統. ∑. (b) 旋轉式交流激磁系統. ∑. (c) 靜態激磁系統. 8.
(26) 圖 2.7 三種不同的激磁系統架構. 圖 2.8 IEEE Type 1 激磁控制系統模型. 此系統的狀態方程式可表示成（2.12）式：. p[ X C ] = [ AC ][ X C ] + [ BC ][U C ]. (2.12). [ X C ] = [ X 1 , X 2 , X 3 , X 4 ]T. (2.13). [U C ] = [VS , VREF , X 2 L , X 2 L ]T. (2.14). 其中. [ BC ] = Diag[1 / TR , K A / TA , 1 / TE , K F /(TETF )] ⎡ −1 ⎢ T ⎢ R ⎢ −K A ⎢ T A [ AC ] = ⎢⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎢ ⎢ 0 ⎢⎣. 0. 0. −1 TA. 0. 0 0. − ( K E + SE ) TE. − K F ( K E + SE ) TETF. ⎤ 0 ⎥ ⎥ −K ⎥ TA ⎥ ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ −1 ⎥ ⎥ TF ⎥⎦. (2.15). (2.16). 上列式子中，[XC]為變數矩陣，[AC]、[BC]為參數矩陣，[UC]為輸入矩陣，p為微分 運算子。. 2.5 三相變壓器模型. 9.
(27) 變壓器的主要目的是在相同頻率下，能將能量從一個電壓準位轉換到另一個 電壓準位。三相變壓器的電壓方程式可表示成 ⎡ vq1 ⎤ ⎡ r1 + pL11 ⎢v ⎥ ⎢ 0 ⎢ d1 ⎥ = ⎢ ⎢ vq 2 ⎥ ⎢ pLm ⎢ ⎥ ⎢ ⎣⎢vd 2 ⎦⎥ ⎣⎢ 0. 0. pLm. r1 + pL11 0. 0 r2 + pL22. pLm. 0. ⎤ ⎡ iq1 ⎤ pLm ⎥⎥ ⎢⎢ id 1 ⎥⎥ ⎥ ⎢ iq 2 ⎥ 0 ⎥⎢ ⎥ r2 + pL22 ⎦⎥ ⎣⎢id 2 ⎦⎥ 0. (2.17). 其中vd1、id1是d軸一次側電壓及電流，vq1、iq1是q軸一次側電壓及電流，vd2、id2是d 軸二次側電壓及電流，vq2、iq2是q軸二次側電壓及電流，r1、r2是一次側電阻及二 次側電阻，L11、L22是一次側自感及二次側自感，Lm是磁化電感，p是微分運算子。. 2.6 靜態負載模型 集總的靜態負載可考慮成包含電阻性和電感性負載，其電壓方程式可表示成. ⎡vqk ⎤ ⎡ rsk + pLsk ⎢v ⎥ = ⎢ 0 ⎣ dk ⎦ ⎣. ⎤ ⎡iqk ⎤ rsk + pLsk ⎥⎦ ⎢⎣idk ⎥⎦ 0. (2.18). 其中vdk、idk是d軸電壓及電流，vqk、iqk是q軸電壓及電流，rsk、Lsk是電阻及電感，p 是微分運算子。. 10.
(28) 三、SimPowerSystems 模組開發與應用 3.1 模擬軟體 本論文的模擬是利用 MATLAB 軟體環境架構下的 Simulink 來完成。Simulink 內建了許多不同領域的工具箱，如電力系統工具箱(SimPowerSystems)，控制系統 工具箱(Control System Toolbox)、航空學工具箱(Aerospace Blockset)、數位訊號處 理工具箱(DSP Blockset)、通訊系統工具(Communications Blockset)、類神經網路工 具箱(Neural Network Blockset)、模糊邏輯工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)等。本論文 主要是使用其中的電力系統工具箱來開發模組[28,29]。此工具箱內建了許多常用的 電力系統模組，可直接應用在電力系統各種動態模擬上。此外，使用者也可依不 同模擬需求，自行開發新的模組[30,31]。 開啟 MATLAB 軟體後，即可選擇 Simulink Library Browser，其中包含了許多 SimPowerSystems 內建的模組。圖 3.1 為 Simulink 主畫面。建立系統模組的方法是 依據系統架構圖，將所需要的模組拉選至檔案中並加以連接，如圖 3.2、3.3 所示。 接著即可進行模擬。模擬過程如因輸入的參數不當或系統架構連接錯誤，將可能 出現模擬錯誤的訊息，如圖 3.4 所示。此時需輸入適當的模組參數，或是改變系統 架構的連接方式。錯誤排除後，即可順利進行模擬。. 圖 3.1 Simulink 主畫面. 11.
(29) 圖 3.2 選擇需要的模組. 圖 3.3 連接模組. 12.
(30) 圖 3.4 模擬失敗. 3.2 汽輪機與調速系統模組 圖 3.5a為汽輪機與調速系統(Steam turbine and governor)模組圖像，輸入為輸出 功率參考值(Pref)、轉速的參考值(ωref)、同步發電機轉速(ω m)，輸出為機械功率 (Pm)。圖 3.5b為模組內部架構。此模組包含了調速系統、汽輪機等次模組，架構圖 分別如圖 3.5c、3.5d所示。圖 3.5e為輸入參數，包括調節器增益(Regulator gain)、 速降係數(Droop)、靜區係數(Dead-zone)、轉速感測時間常數(Speed relay time constants)、伺服馬達時間常數(Servo-motor time constants)、閘門開啟限制(Gate opening limits)、汽輪機時間常數(Steam turbine time constants)、渦輪機轉矩參數 (Turbine torque fractions)、初始功率(Initial power)等。. 3.3 同步發電機模組 圖 3.6a為同步發電機模組圖像，輸入端Pm為原動機機械功率，Vf為同步電機 激磁電壓，輸出端A、B、C為定子輸出三相電壓，m_pu為輸出資料端，可連接到 量測元件。圖 3.6b為模組內部架構圖。3.6c為基本型同步發電機模組參數，這些參 數包括額定容量(Nom. power)、線電壓(L-L volt)、頻率(Freq)、定子電阻(Rs)、定子 漏電感(Ll)、D軸磁化電感(Lmd)、Q軸磁化電感(Lmq)、磁場電阻(Rf)、磁場漏電感. 13.
(31) (Llfd)、D軸阻尼電阻(Rkd)、D軸阻尼漏電感(Llkd)、Q軸阻尼電阻(Rkq1)、Q軸阻尼漏 電感(Llkq1)、慣性常數(Coeff. of inertial)、極對(Pole pairs)、以及初始條件(Init. cond.)。. 圖 3.5 汽輪機與調速器模組. 圖 3.6 同步發電機模組. 3.4 激磁系統模組. 14.
(32) 圖 3.7a為激磁系統模組圖像，輸入端分別為電壓參考值(Vref)、D軸電壓(Vd)、 Q軸電壓(Vq)、穩定器輸入電壓(Vstab)，輸出為激磁電壓Vf。圖 3.7b為模組內部架構。 圖 3.7c為系統參數，這些參數包括低通濾波器時間常數(Low-pass filter time constant)、調節器增益(Regulator gain)、調節器時間常數(Regulator time constant)、 激磁機增益(Exciter gain)、勵磁機時間常數(Exciter time constant)、暫態增益衰減常 數(Transient gain reduction time constants)、阻尼過濾器增益(Damping filter gain)、 時間常數(Damping filter time constant)、調節器輸出限制(Regulator output limits)、 調節器輸出增益(Regulator output gain)、初始值(Initial values)。. 圖 3.7 激磁系統模組. 3.5 三相變壓器模組 三相變壓器模組的繞組接線方式，有∆-∆、Y-∆、∆-Y、Y-Y、Yn-∆、∆-Yn、 Yn-Y、Y-Yn等幾種可選擇。圖 3.8a為三相變壓器模組圖像，A、B、C為變壓器一 次側，a、b、c為二次側。圖 3.8b為模組內部架構。圖 3.8c為三相變壓器模組參數， 15.
(33) 這些參數包括額定容量(Nominal power)、頻率(Frequency)、一次側繞組接線方式 (Winding 1 connection)、一次側繞組相電壓(V1 Ph-Ph voltage)、一次側繞組電阻 (R1)、一次側繞組漏電感(L1)、二次側繞組接線方式(Winding 2 connection)、二次 側繞組相電壓(V2 Ph-Ph voltage)、二次側繞組電阻(R2)、二次側繞組漏電感(L2)、 磁化電阻(Magnetizing resistance)、以及磁化電感(Magnetizing reactance)。. 圖 3.8 三相變壓器模組. 3.6 集總靜態負載模組 圖 3.9a 為集總靜態負載模組圖像，輸入端 A、B、C 為三相電壓。圖 3.9b 為 模組內部架構。圖 3.10c 為集總靜態負載模組的參數。這些參數包括額定相電壓 (Nominal phase-phase voltage)、額定頻率(Nominal frequency)、電阻性負載(Three-p hase active power)、電感性負載(Three-phase inductive reactive power)、以及電容性 負載(Three-phase capacitive reactive power)。. 16.
(34) 圖 3.9 集總靜態負載模組. 17.
(35) 四、石化廠電力系統動態特性模擬. 4.1 與市電併聯運轉的動態特性模擬 1.系統架構 圖 4.1 為本論文所使用的與市電併聯的簡化石化廠電力系統架構圖，系統組件 名稱及模擬的故障點都標示在圖中，系統變數及組件參數列於附錄中。. 圖 4.1 與市電併聯的簡化石化廠電力系統架構圖. 2. SimPowerSystems 模組架構 圖 4.2 為使用 SimPowerSystems 開發的模組架構，主要包括五部份－A 部分為 無限匯流排，B 部分為汽輪原動機、同步發電機與激磁系統，C 部分為三相變壓器， D 部分為負載，E 部分為故障控制器。. 3.運轉模式 為了深入了解此系統的運轉特性，本研究模擬了四種運轉模式，如表 4.1 所 示，詳細的內容將在後面章節中敘述。. 18.
(36) 圖 4.2 與市電併聯運轉模擬的 SimPowerSystems 模組架構. 表 4.1 與市電併聯運轉模擬的運轉模式 運轉模式. 運轉程序. 一. Tie breaker 常閉狀態下，負載及發電機順序加入，總模擬時間 30 秒。. 二. Tie breaker 常閉狀態下，負載及發電機順序加入，25 秒時 11.95kV BUS 發生三相接地故障，25.2 秒故障排除，SG4~SG6、SL6、SL7 切離，總模擬時間 30 秒。. 三. Tie breaker 常開狀態下，負載及發電機順序加入，Tie breaker 於 20 秒時投入，總模擬時間 30 秒。. 四. Tie breaker 常開狀態下，負載及發電機順序加入，Tie breaker 於 20 秒時投入，25 秒時 161kV 匯流排發生單相接地故障，25.2 秒故障 排除，總模擬時間 30 秒。. 19.
(37) 4.1.1 與市電併聯運轉模式一 1.模擬順序 圖 4.3 為與市電併聯運轉模式一的時序圖，由圖中可看出系統組件分別加入的 時間序，總模擬時間為 30 秒。 2.模擬結果 圖 4.4~4.7 為與市電併聯運轉模式一系統變數變動的情形。所有的變數都以個 別組件容量為標么基底表示。其中 SG2 及 SG3 發電機機組、SG4 及 SG5 發電機機 組、SG6、SG7 及 SG8 發電機機組，分別有相同的參數，因此在所有模擬中每組 僅以其中ㄧ台來表示。 由模擬結果可看出，在原動機機械功率方面，各發電機未併聯系統前，原動 機輸出機械功率都為 0。當各發電機與系統併聯後，經過一些暫態後可穩定輸出， SG1~SG3 的功率為 0.9pu、SG4~SG8 的功率為 0.85pu。發電機未與系統併聯前轉 速為 1.0pu、激磁電壓約為 1.0pu、端電壓為 1.0pu。發電機與系統併聯後，輸出功 率增加，轉速雖有變動，但調速系統仍能將轉速維持在同步速度。發電機為了提 供虛功率給負載，必須增加激磁電壓，這會造成端電壓略微低於 1.0pu。發電機依 序與系統併聯，先併聯的發電機會因為後續發電機的併聯以及負載的變動而有程 度不同的暫態發生。系統達到穩態時，若不考慮損失，無限匯流排與發電機所供 應的實功率與虛功率的總和大約會等於負載實功率與虛功率的總和。此外，161kV 匯流排與市電併聯，端電壓維持在 1.0pu；11.95kV 匯流排有多部發電機併聯，端 電壓也能維持在 1.0pu。. 4.1.2 與市電併聯運轉模式二 1.模擬順序 圖 4.8 為與市電併聯運轉模式二的時序圖。由圖中可看出系統組件加入及切離 的時間序，在 25 秒時 11.95kV 匯流排發生三相接地故障，25.2 秒故障排除，總模. 20.
(38) 擬時間為 30 秒。 2.模擬結果 圖 4.9~4.12 為與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形。所有的變數都以個 別組件容量為標么基底表示。 模擬結果顯示，系統在 25 秒故障發生前的情形與運轉模式一相似。25 秒時 11.95kV 匯流排發生三相接地故障，當故障發生時，在發電機和無限匯流排會有很 大故障電流。此外，因故障發生時虛功率大幅增加，使得發電機的端電壓下降， 其它的系統組件也有相對應的暫態發生。在 25.2 秒故障排除後，SG4~SG8、 TR9~TR10、SL6 及 SL7 從系統切離，SG4~SG8 的電流、電磁功率、激磁電壓、 實功率、虛功率以及 11.95kV 匯流排電壓都會下降至 0，發電機的轉速和機械功率 會逐漸下降。由於此時僅由無限匯流排及 SG1~SG3 供應功率，使得 SG1~SG3 的 系統變數要經過一些時間才會趨於穩定。. 4.1.3 與市電併聯運轉模式三 1. 模擬順序 圖 4.13 為與市電併聯運轉模式三的時序圖，由圖中可看出系統組件分別加入 的時間序，總模擬時間為 30 秒。此運轉模式與運轉模式一最大的差別在於 Tie breaker 為常開的狀態，在 20 秒時才閉合。 2.模擬結果 圖 4.14~4.17 為與市電併聯運轉模式三系統變數變動的情形，所有的變數都以 個別組件容量為標么基底表示。由模擬結果可看出，在 20 秒前，Tie breaker 是開 啟的狀態，可視為兩個系統在運轉，其中市電與 SG1 屬於其中一個系統，SG2~SG8 屬於另ㄧ個系統。 初始時，SG1 的輸出功率為 0，與市電併聯後，參考功率為 0.9pu，經過一些 時間可穩定輸出。SG2~SG8 的輸出功率會隨著負載變動而變動。20 秒時，Tie breaker. 21.
(39) 閉合，此時 SG1~SG3 的參考功率為 0.9pu、SG4~SG8 的參考功率為 0.85pu，經過 一些時間可穩定輸出。 初始時，SG1 的轉速為 1.0pu、激磁電壓約為 1.0pu、端電壓為 1.0pu。與市電 併聯後，輸出功率增加，轉速雖有變動，調速系統仍能將轉速維持在 1.0pu。發電 機為了提供虛功率給負載，必須增加激磁電壓，這會造成端電壓略微低於 1.0pu。 20 秒前，SG2~SG8 未與市電併聯，發電機依序與併聯。發電機陸續併聯後，先併 聯的發電機輸出功率會減少，使得轉速上升。負載投入時，發電機需增加功率供 應負載使得轉速下降。當 20 秒時，Tie breaker 閉合時，會有ㄧ些暫態發生，各系 統變數經過一些時間可趨於穩定。系統達到穩態時，若不考慮損失，無限匯流排 與發電機所供應的實功率與虛功率的總和大約會等於負載實功率與虛功率的總 和。此外，161kV 匯流排與市電併聯，端電壓維持在 1.0pu；11.95kV 匯流排會因 發電機的併聯以及負載投入使得端電壓略微變動，系統穩定時，端電壓會略微低 於 1.0pu。. 4.1.4 與市電併聯運轉模式四 1.模擬順序 圖 4.18 為與市電併聯運轉模式四的時序圖。由圖中可看出系統組件加入及切 離的時間序，在 25 秒時 161kV 匯流排發生單相接地故障，25.2 秒故障排除，總模 擬時間 30 秒。 2.模擬結果 圖 4.19~4.22 為與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形。所有的變數都以個 別組件容量為標么基底表示。 模擬結果顯示，系統發生故障前的情形與運轉模式三模擬相似。各系統組件 加入時，發電機的端電壓、電流、激磁電壓、機械功率、轉速、實功率、以及虛 功率都會有程度不同的暫態產生，暫態大小及持續的時間與組件的容量以及參數. 22.
(40) 有關。在 25 秒 161kV 匯流排發生 A 相接地故障，故障發生時，無限匯流排及發 電機都會提供很大的故障電流。此外，因故障發生時虛功率大幅增加，使得發電 機的端電壓下降，其它的系統組件也有相對應的暫態發生。25.2 秒故障排除後， 各系統變數也慢慢趨於穩定。. 4.1.5 評論 運轉模式一模擬的觀察重點在於負載及發電機順序投入後，各系統組件是否 能達到穩定狀態以及系統變數變動的情形。模擬結果顯示，系統組件的特性與學 理一致，都是可以接受的。 運轉模式二模擬的觀察重點在於故障發生時的暫態現象，因此故障時間設定 為 0.2 秒，此外故障發生後，部份系統組件從系統切離，各系統組件是否能達到穩 定狀態。模擬結果顯示，此系統在三相接地故障情況下的動態特性與學理一致， 都是可以接受的。 運轉模式三的觀察重點在於 Tie breaker 閉合前後，特別是閉合後，系統組件 的特性是否合理。模擬結果顯示，系統組件的特性與學理一致，都是可以接受的。 運轉模式四的觀察重點在於故障發生時所造成的暫態現象，因此故障時間設 定為 0.2 秒。模擬結果顯示，系統組件的特性與學理一致，都是可以接受的。 整體而言，與市電併聯的汽輪發電系統在這四種運轉模式下的特性與學理一 致，都是可以接受的。然而，在實際的運轉中，事件發生如負載加入、負載切離、 故障發生的情形不一定會如此緊湊，因此系統響應可能會較緩和。此外，由於短 路故障模擬的觀察重點在於故障發生所造成的暫態現象以及故障排除後的行為， 所以故障時間設定為 0.2 秒。在實際的系統運轉中，故障持續時間會因保護電驛的 設定而不同，系統組件的切離會因保護協調的安排而不同，故障造成的影響也會 因故障時間點、接地阻抗、以及系統組件參數而不同。. 23.
(41) 圖 4.3 與市電併聯運轉模式一時序圖. 24.
(42) SG1 A 相電流. SG1 激磁電壓. SG1 原動機機械功率. SG1 端電壓. SG1 轉速. SG1 P 及 Q. SG1 電磁功率. SG2 A 相電流. 圖 4.4 與市電併聯運轉模式一系統變數變動情形(一). 25.
(43) SG2 原動機機械功率. SG2 端電壓. SG2 轉速. SG2 P 及 Q. SG2 電磁功率. SG4 A 相電流. SG2 激磁電壓. SG4 原動機機械功率. 圖 4.5 與市電併聯運轉模式一系統變數變動情形(二). 26.
(44) SG4 轉速. SG4 P 及 Q. SG4 電磁功率. SG6. A 相電流. SG4 激磁電壓. SG6 原動機機械功率. SG4 端電壓. SG6 轉速. 圖 4.6 與市電併聯運轉模式一系統變數變動情形(三). 27.
(45) SG6 電磁功率. 無限匯流排 A 相電流. SG6 激磁電壓. 無限匯流排 P 及 Q. SG6 端電壓. 11.95 kV 匯流排端電壓. SG6 P 及 Q. 161 kV 匯流排端電壓. 圖 4.7 與市電併聯運轉模式一系統變數變動情形(四). 28.
(46) 圖 4.8 與市電併聯運轉模式二時序圖. 29.
(47) SG1 A 相電流. SG1 激磁電壓. SG1 原動機機械功率. SG1 端電壓. SG1 轉速. SG1 P 及 Q. SG1 電磁功率. SG2 A 相電流. 圖 4.9 與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形(一). 30.
(48) SG2 機械功率. SG2 端電壓. SG2 轉速. SG2 P 及 Q. SG2 電磁功率. SG4 A 相電流. SG2 激磁電壓. SG4 原動機機械功率. 圖 4.10 與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形(二). 31.
(49) SG4 轉速. SG4 P 及 Q. SG4 電磁功率. SG6 A 相電流. SG4 激磁電壓. SG6 原動機機機械功率. SG4 端電壓. SG6 轉速. 圖 4.11 與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形(三). 32.
(50) SG6 電磁功率. 無限匯流排 A 相電流. SG6 激磁電壓. 無限匯流排 P 及 Q. SG6 端電壓. 161 kV 匯流排端電壓. SG6 P 及 Q. 11.95 kV 匯流排端電壓. 圖 4.12 與市電併聯運轉模式二系統變數變動情形(四). 33.
(51) 圖 4.13 與市電併聯運轉模式三時序圖. 34.
(52) SG1 A 相電流. SG1 激磁電壓. SG1 原動機機械功率. SG1 端電壓. SG1 轉速. SG1 P 及 Q. SG1 電磁功率. SG2A 相電流. 圖 4.14 與市電併聯運轉模式三系統變數變動情形(一). 35.
(53) SG2 機械功率. SG2 端電壓. SG2 轉速. SG2 P 及 Q. SG2 電磁功率. SG4 A 相電流. SG2 激磁電壓. SG4 原動機機械功率. 圖 4.15 與市電併聯運轉模式三系統變數變動情形(二). 36.
(54) SG4 轉速. SG4 P 及 Q. SG4 電磁功率. SG6 A 相電流. SG4 激磁電壓. SG6 原動機機機械功率. SG4 端電壓. SG6 轉速. 圖 4.16 與市電併聯運轉模式三系統變數變動情形(三). 37.
(55) SG6 電磁功率. 無限匯流排 A 相電流. SG6 激磁電壓. 無限匯流排 P 及 Q. SG6 端電壓. 161 kV 匯流排端電壓. SG6 P 及 Q. 11.95 kV 匯流排端電壓. 圖 4.17 與市電併聯運轉模式三系統變數變動情形(四). 38.
(56) 圖 4.18 與市電併聯運轉模式四的時序圖. 39.
(57) SG1 A 相電流. SG1 激磁電壓. SG1 原動機機械功率. SG1 端電壓. SG1 轉速. SG1 P 及 Q. SG1 電磁功率. SG2 A 相電流. 圖 4.19 與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形(一). 40.
(58) SG2 機械功率. SG2 端電壓. SG2 轉速. SG2 P 及 Q. SG2 電磁功率. SG4 A 相電流. SG2 激磁電壓. SG4 原動機機械功率. 圖 4.20 與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形(二). 41.
(59) SG4 轉速. SG4 P 及 Q. SG4 電磁功率. SG6 A 相電流. SG4 激磁電壓. SG6 原動機機機械功率. SG4 端電壓. SG6 轉速. 圖 4.21 與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形(三). 42.
(60) SG6 電磁功率. 無限匯流排 A 相電流. SG6 激磁電壓. 無限匯流排 P 及 Q. SG6 端電壓. 161 kV 匯流排端電壓. SG6 P 及 Q. 11.95 kV 匯流排端電壓. 圖 4.22 與市電併聯運轉模式四系統變數變動情形(四). 43.
(61) 4.2 獨立運轉動態特性模擬 1.系統架構 圖 4.23 為本論文所使用的簡化獨立型石化廠電力系統架構圖，系統組件名稱 及模擬的故障點都標示在圖中，系統變數及組件參數列於附錄中。. 圖 4.23 簡化的獨立型石化廠電力系統架構. 2. SimPowerSystems 模組架構 圖 4.24 為使用 SimPowerSystems 開發的模組架構，主要包括四部份－A 部分 為汽輪原動機、同步發電機與激磁系統，B 部分為三相變壓器，C 部分為負載，D 部分為故障控制器。. 3.運轉模式 為了深入了解此系統的運轉特性，本研究也模擬了四種運轉模式，如表 4.2 所 示，詳細的內容將在後面章節中敘述。. 44.
(62) B1. A1 A2 B2. C. D 圖 4.24 獨立運轉模擬的 SimPowerSystems 模組架構. 表 4.2 獨立運轉模擬的運轉模式 運轉模式. 運轉程序. 一. Tie breaker 常閉狀態下，負載及發電機順序加入。總模擬時間 30 秒。. 二. Tie breaker 常閉狀態下，負載及發電機順序加入。25 秒時 SL5 發 生相間短路故障，25.2 秒時故障排除，SL5 切離。總模擬時間 35 秒。. 三. Tie breaker 常開狀態下，負載及發電機順序加入。Tie breaker 於 20 秒時投入。總模擬時間 30 秒。. 四. Tie breaker 常開狀態下，負載及發電機順序加入。Tie breaker 於 20 秒時投入。25 秒時 161kV 匯流排發生單相接地故障，25.2 秒 時故障排除。總模擬時間 35 秒。. 45.
(63) 4.2.1 獨立運轉模式一 1.模擬順序 圖 4.25 為獨立運轉模式一的時序圖，由圖中可看出系統組件分別加入的時間 序，總模擬時間為 30 秒。 2.模擬結果 圖 4.26~4.29 為獨立運轉模式一系統變數變動的情形，所有的變數都以個別組 件容量為標么基底表示。 由模擬結果可看出，初始時，各發電機未併聯系統前原動機輸出機械功率都 為 0；各發電機與系統併聯後，SG2、SG3 參考功率沒有特別的設定，輸出功率會 隨著負載變動而變動， SG1 參考功率設定為 0.8pu，SG4、SG5 設定為 0.7pu， SG6~SG8 設定為 0.85pu，經過一些時間可穩定輸出。 初始時，發電機未與系統併聯前轉速為 1.0pu、激磁電壓約為 1.0pu、端電壓 為 1.0pu。發電機陸續併聯後，先併聯發電機功率輸出會減少使得轉速上升。當負 載投入時，發電機需增加功率供應負載使得轉速下降。發電機為了提供虛功率給 負載，必須增加激磁電壓，這會造成端電壓略微低於 1.0pu。系統達到穩態時，若 不考慮損失，發電機所供應的實功率與虛功率的總和大約會等於負載實功率與虛 功率的總和。此外，161kV 及 11.95kV 匯流排會因發電機的併聯以及負載變動使得 端電壓略為變動，系統穩定時，端電壓會略微低於 1.0pu。. 4.2.2 獨立運轉模式二 1.模擬順序 圖 4.30 為獨立運轉模式二的時序圖。由圖中可看出系統組件加入及切離的時 間序，在 25 秒時 SL5 發生相間短路故障，25.2 秒故障排除，SL5 切離，總模擬時 間 35 秒。. 46.
(64) 2.模擬結果 圖 4.31~4.35 為獨立運轉模式二模擬系統變數變動情形。所有的變數都以個別 組件容量為標么基底表示。 模擬結果顯示，系統發生故障前的情形與運轉模式一相似。25 秒時系統在 SL5 發生相間短路故障，當故障發生時，發電機會有很大故障電流。此外，因故障發 生時虛功率大幅增加，使得發電機的端電壓下降，其它的系統組件也有相對應的 暫態發生。25.2 秒故障排除後，SL5 從系統切離，發電機所供應的實功率及虛功率 會減少，使得轉速略微上升。因為有調速系統，所以經過一些時間即能將轉速維 持在同步速度，系統其它變數也會趨於穩定。. 4.2.3 獨立運轉模式三 1.模擬順序 圖 4.35 為獨立運轉模式三的時序圖，由圖中可看出系統組件分別加入的時間 序，總模擬時間為 30 秒。此運轉模式與運轉模式一最大的差別在於 Tie breaker 為 常開的狀態，在 20 秒時才閉合。 2.模擬結果 圖 4.36~4.39 為獨立運轉模式三系統變數變動的情形，所有的變數都以個別組 件容量為標么基底表示。由模擬結果可看出，在 20 秒前 Tie breaker 是開啟的狀態， 可視為兩個系統在運轉，其中 SG1 屬於其中一個系統，SG2~SG8 屬於另ㄧ個系統。 初始時，SG1~SG3 參考功率沒有特別的設定，輸出功率會隨著負載變動而變 動，SG4、SG5 參考功率的設定為 0.6pu、SG6~SG8 參考功率的設定為 0.5pu，經 過一些時間可穩定輸出。20 秒 Tie breaker 閉合時，會有ㄧ些暫態發生，參考功率 的設定並未改變，系統經過一些時間可穩定輸出。 初始時，發電機未與系統併聯前轉速為 1.0pu、激磁電壓約為 1.0pu、端電壓 為 1.0pu。發電機陸續併聯後，先併聯發電機功率輸出會減少使得轉速上升，當負. 47.
(65) 載投入時，發電機需增加功率供應負載使得轉速下降。發電機為了提供虛功率給 負載，必須增加激磁電壓，這會造成端電壓略微低於 1.0pu。當 20 秒 Tie breaker 閉合時，會有暫態發生，各系統變數經過一些時間可趨於穩定。系統達到穩態時， 若不考慮損失發電機所供應的實功率與虛功率的總和大約會等於負載實功率與虛 功率的總和。此外，161kV 及 11.95kV 匯流排會因發電機的併聯以及負載變動使得 端電壓略為變動，系統穩定時，端電壓會略微低於 1.0pu。. 4.2.4 獨立運轉模式四 1.模擬順序 圖 4.40 為獨立運轉模式四的時序圖。由圖中可看出系統組件加入及切離的時 間序，在 25 秒時 161kV 匯流排發生單相接地故障，25.2 秒故障排除，總模擬時 間為 35 秒。 2.模擬結果 圖 4.41~4.44 為獨立運轉模式四系統變數變動情形。所有的變數都以個別組件 容量為標么基底表示。 模擬結果顯示，系統發生故障前的情形與運轉模式三相似。各系統組件加入 時，發電機的端電壓、電流、激磁電壓、機械功率、轉速、實功率、以及虛功率 都會有程度不同的暫態產生，暫態大小及持續的時間與組件的容量以及參數有 關。在 25 秒時 161kV 匯流排發生單相接地故障，故障發生時，故障點會有很大的 故障電流，虛功率會大幅增加，導致發電機的端電壓下降，其它的系統組件也有 相對應的暫態發生。25.2 秒時故障排除，系統變數經過一些時間後也趨於穩定。. 4.2.5 評論 運轉模式一的觀察重點在於負載投入及發電機順序併聯後，各系統組件是否 能達到穩態以及系統變數變動的情形。模擬結果顯示，系統組件的特性與學理一. 48.
(66) 致，都是可以接受的。 運轉模式二模擬最主要是觀察故障發生後所造成暫態現象及故障後整個系統 是否能穩定運轉。模擬結果顯示，此系統在線間短路故障情況下的動態特性與學 理一致，都是可以接受的。 運轉模式三模擬的觀察重點在於 Tie breaker 閉合前後，特別是閉合後，系統 組件的特性是否合理。模擬結果顯示，系統組件的特性與學理一致，都是可以接 受的。 運轉模式四模擬最主要觀察重點在於故障發生時所造成的暫態現象。模擬結 果顯示，系統組件的特性與學理一致，都是可以接受的。 整體而言，獨立型汽輪發電系統在這四種運轉模式下的特性與學理一致，都 是可以接受的。由模擬結果也可得知，由於整個系統是獨立運轉，相較於與市電 併聯的系統，各組件在暫態發生後達到穩態的時間會較長。 然而，在實際的運轉中，事件發生如負載加入、負載切離、故障發生的情形 不一定會如此緊湊，因此系統響應可能會較緩和。此外，由於短路故障模擬的觀 察重點在於故障發生所造成的暫態現象以及故障排除後的行為，所以故障時間設 定為 0.2 秒。在實際的系統運轉中，故障持續時間會因保護電驛的設定而不同，系 統組件的切離會因保護協調的安排而不同，故障造成的影響也會因故障時間點、 接地阻抗、以及系統組件參數而不同。. 49.
(67) 圖 4.25 獨立運轉模式一時序圖. 50.
(68) SG1 A 相電流. SG1 激磁電壓. SG1 原動機機械功率. SG1 端電壓. SG1 轉速. SG1 P 及 Q. SG1 電磁功率. SG2 A 相電流. 圖 4.26 獨立運轉模式一系統變數變動情形(一). 51.
(69) SG2 原動機機械功率. SG2 端電壓. SG2 轉速. SG2 P 及 Q. SG2 電磁功率. SG4 A 相電流. SG2 激磁電壓. SG4 原動機機械功率. 圖 4.27 獨立運轉模式一系統變數變動情形(二). 52.
(70) SG4 轉速. SG4 P 及 Q. SG4 電磁功率. SG6. A 相電流. SG4 激磁電壓. SG6 原動機機械功率. SG4 端電壓. SG6 轉速. 圖 4.28 獨立運轉模式一系統變數變動情形(三). 53.
(71) SG6 電磁功率. SG6 P 及 Q. SG6 激磁電壓. 11.95 kV 匯流排端電壓. SG6 端電壓. 161 kV 匯流排端電壓. 圖 4.29 獨立運轉模式一系統變數變動情形(四). 54.
(72) 圖 4.30 獨立運轉模式二時序圖. 55.
(73) SG1 A 相電流. SG1 激磁電壓. SG1 原動機機械功率. SG1 端電壓. SG1 轉速. SG1 P 及 Q. SG1 電磁功率. SG2A 相電流. 圖 4.31 獨立運轉模式二系統變數變動情形(一). 56.
(74) SG2 機械功率. SG2 端電壓. SG2 轉速. SG2 P 及 Q. SG2 電磁功率. SG4 A 相電流. SG2 激磁電壓. SG4 原動機機械功率. 圖 4.32 獨立運轉模式二系統變數變動情形(二). 57.
(75) SG4 轉速. SG4 P 及 Q. SG4 電磁功率. SG6 A 相電流. SG4 激磁電壓. SG6 原動機機機械功率. SG4 端電壓. SG6 轉速. 圖 4.33 獨立運轉模式二系統變數變動情形(三). 58.
(76) SG6 電磁功率. SG6 P 及 Q. SG6 激磁電壓. 161 kV 匯流排端電壓. SG6 端電壓. 11.95 kV 匯流排端電壓. 圖 4.34 獨立運轉模式二系統變數變動情形(四). 59.
(77) 圖 4.35 獨立運轉模式三時序圖. 60.
(78) SG1 A 相電流. SG1 激磁電壓. SG1 原動機機械功率. SG1 端電壓. SG1 轉速. SG1 P 及 Q. SG1 電磁功率. SG2A 相電流. 圖 4.36 獨立運轉模式三系統變數變動情形(一). 61.
(79) SG2 機械功率. SG2 端電壓. SG2 轉速. SG2 P 及 Q. SG2 電磁功率. SG4 A 相電流. SG2 激磁電壓. SG4 原動機機械功率. 圖 4.37 獨立運轉模式三系統變數變動情形(二). 62.
(80) SG4 轉速. SG4 P 及 Q. SG4 電磁功率. SG6 A 相電流. SG4 激磁電壓. SG6 原動機機機械功率. SG4 端電壓. SG6 轉速. 圖 4.38 獨立運轉模式三系統變數變動情形(三). 63.
(81) SG6 電磁功率. SG6 P 及 Q. SG6 激磁電壓. 161kV 匯流排端電壓. SG6 端電壓. 11.95kV 匯流排端電壓. 圖 4.39 獨立運轉模式三系統變數變動情形(四). 64.
(82) 圖 4.40 獨立運轉模式四時序圖. 65.
(83) SG1 A 相電流. SG1 激磁電壓. SG1 原動機機械功率. SG1 端電壓. SG1 轉速. SG1 P 及 Q. SG1 電磁功率. SG2A 相電流. 圖 4.41 獨立運轉模式四系統變數變動情形(一). 66.
(84) SG2 機械功率. SG2 端電壓. SG2 轉速. SG2 P 及 Q. SG2 電磁功率. SG4 A 相電流. SG2 激磁電壓. SG4 原動機機械功率. 圖 4.42 獨立運轉模式四系統變數變動情形(二). 67.
(85) SG4 轉速. SG4 P 及 Q. SG4 電磁功率. SG6 A 相電流. SG4 激磁電壓. SG6 原動機機機械功率. SG4 端電壓. SG6 轉速. 圖 4.43 獨立運轉模式四系統變數變動情形(三). 68.
(86) SG6 電磁功率. SG6 P 及 Q. SG6 激磁電壓. 161 kV 匯流排端電壓. SG6 端電壓. 11.95kV 匯流排端電壓. 圖 4.44 獨立運轉模式四系統變數變動情形(四). 69.
(87) 五、結論與未來研究方向. 5.1 結論 本論文主要在模擬石化廠電力系統的特性動態。論文中以一個簡化的大型石 化廠電力系統作為研究對象，該系統的組件包括汽輪機與調速系統、同步發電機 與激磁系統、三相變壓器、以及靜態負載等。研究方法為先推導系統組件的數學 模型，接著利用 SIMULINK 與 SimPowerSystems 開發模組，然後將這些模組依系 統架構連接，最後進行動態特性模擬與分析。 為了讓研究與實際更接近，本論文分別對與市電併聯的架構以及獨立架構， 各做了四種不同的運轉模式的模擬。模擬結果顯示，在這些運轉模式下，該系統 的動態特性都是可以接受的，亦即模擬結果與預期一致，並且可推論的，應可和 實際運轉情形一致。本研究的最大價值是可以做為石化廠電力系統規劃、運轉及 擴充的重要參考。 由研究結果可得到以下數點結論與推論： (1)當系統與無限匯流排連接，系統組件投入或切離時，各組件產生的暫態大小及 持續時間會比系統獨立運轉時來的小和短。 (2)調速系統及激磁系統對同步發電系統動態特性分析有相當程度的影響。本研究 所採用的模型是屬於較簡化的通用模型，若能針對不同研究，採用與實體架構 相同的模型，其模擬結果將更準確，但系統模組的建立可能必須花費更多時間。 (3)SIMULINK/SimPowerSystems 提供了方便且實用的模擬方法，並且建置了常用 的電力系統相關模組，如果對於所要研究的系統想要得到更精準的模擬，亦可 由數學式的推導來自己建置精準的模型，以達到不同使用者的需求。. 70.
(88) 5.2 未來研究方向 雖然本論文已對石化廠電力系統的動態特性有某種程度的分析，然而用心研 讀這個領域的相關文獻之後，發現仍有許多方向值得研究： (1)激磁系統與調速系統採行與實體架構相同的模型，其模擬結果將可更準確。 (2)研究汽輪機結合氣輪機的複循環式(Combined-Cycle)發電系統動態特性，進而了 解複循環式發電系統的動態特性。 (3)研究加裝靜態虛功補償器(Static Var Compensator)，來改善大型負載投入時的瞬 間電壓擾動的現象。. 71.
(89) 參考文獻 1.. Website.http://www.moeaboe.gov.tw.. 2.. Website.http://www.cogen.org.tw.. 3.. 彭雲將, “汽電共生概論”, 電機月刊, 第18卷2期, 1992年2月, 72~75頁. 4.. 陳文能, “汽電共生系統實務上”, 電機月刊, 第19卷12期, 1993年12月, 95~107 頁. 5.. 陳佳輝，“汽電共生與能源(上)”, 機械月刊, 21卷1期, 1995年1月, 178~189頁. 6.. 陳佳輝，“汽電共生與能源(下)”, 機械月刊, 21卷2期, 1995年2月, 202~208頁. 7.. IEEE Committee Report, “Dynamic Models for Steam and Hydro Turbines in Power System Studies,” IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 92, No. 6, Nov./Dec.,1973, pp.1904-1915.. 8.. F.P. de Mello, “Dynamic Models for Fossil Fueled Steam Units In Power System Studies,” IEEE Transactions on Power System, Vol.6, No.2, Aug. 1998, pp.753-761.. 9.. F.G. Dent, “Microgovernor-a Replacement for Existing Large Steam Turbine Governing Controls,” International Conference on Refurbishment of Power Station Electrical Plant, Nov. 1988, pp.128-132.. 10. R.C. Schaefer, “Steam Turbine Generator Excitation System Modernization,” IEEE Pulp and Paper Industry Technical Conference, June 1995, pp.194-204 11. J.H Kehler, “Frequency Regulation From Steam Turbine Generators,” IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Vol.1, 1999, pp.775-776. 12. L.N. Bize and J.D. Hurley, “Frequency Control Consideration for Modern Steam and Combustion Turbines,” IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Vol.1, 1999, pp.548-553. 13. K. Kunitomi, A. Kurita, Y. Tada, S. Ihara, W. Price, L.M. Richardson, and G. Smith, “Modeling Combined Cycle Power Plant for Simulation of Frequency Excursions,” IEEE Transactions on Power Systems, Vol.18, Issue 2, May 2003, pp.724-729. 14. T. Inoue, H. Taniguchi, and Y. Ikeguchi, “A Model of Fossil Fueled Plant with Once-Through Boiler for Power System Frequency Simulation Studies,” IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 15, Issue 4, Nov. 2000, pp.1322-1328.. 72.
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(91) 附錄 同步發電機參數 N0 G1 G2~G3 G4~G5 G6~G8. Rating 60MVA 125MVA 12.5MVA 12.5MVA. N0 G1 G2~G3 G4~G5 G6~G8. Xlkq 0.04 0.0775 0.075 0.0466. KV 11.95 11.95 3.45 11.95. P 4 4 4 4. Rs 0.002 0.0023 0.0093 0.0073. Xad 1.676 1.66 1.207 1.07. Xaq 1.508 1.66 0.647 0.784. Xls 0.14 0.12 0.103 0.12. Xlf 0.14 0.1673 0.142 0.085. Rf 0.0011 0.0052 0.0012 0.0012. Rkd 0.0032 0.0149 0.0125 0.0045. Rkq 0.0032 0.0134 0.0087 0.008. H 1.937 2.5 1.37 1.526. 原動機參數 Kp. Rp. Dz. Tsr. Tsm. Vgmin. Vgmax. gmin. gmax. 1. 0.05. 0. 0.001. 0.15. -0.1. 1.0. 0. 4. F2. F3. F4. F5. T2. T3. T4. T5. 0. 0.33. 0.36. 0.28. 0. 10. 3.3. 0.5. 激磁機參數 Ka 300. Ta 0.001. Ke 1. Te 0 Efmin -11.5. Tb 0 Efmax 11.5. Tc 0. Kf 0.001. Tf 0.1. Trs 20e-3. 變壓器參數 NO TR1 TR2~3 TR4~9 TR10~11. Rating 60MVA 125MVA 125MVA 12.5MVA. V1 11.95KV 11.95KV 161KV 3.45KV. R1 0.0027 0.0024 0.0024 0.003. NO TR1 TR2~3 TR4~9 TR10~11. V2 161KV 161KV 11.95KV 11.95KV. R2 0.0027 0.0024 0.0024 0.003. L2 0.0306 0.03 0.03 0.0035. 74. L1 0.0306 0.03 0.03 0.035 Rm 45 35 30 40. Lm 45 35 30 40.
(92) 與市電並聯運轉模式一、二靜態負載參數 功率 實功率 MVA 虛功率 MVAR. SL1. SL2. SL3. SL4. SL5. SL6. SL7. 95. 95. 117. 95. 98. 50. 100. 30. 20. 39. 30. 15. 10. 20. 與市電並聯運轉模式三、四靜態負載參數 功率 實功率 MVA 虛功率 MVAR. SL1. SL2. SL3. SL4. SL5. SL6. SL7. 97. 95. 120. 60. 70. 30. 50. 20. 20. 30. 15. 15. 13. 15. 獨立運轉模式一、二靜態負載參數 功率 實功率 MVA 虛功率 MVAR. SL1. SL2. SL3. SL4. SL5. SL6. SL7. 47. 35. 46. 57. 37. 27. 50. 15. 17. 15. 18. 12. 9. 15. 獨立運轉模式三、四靜態負載參數 功率 實功率 MVA 虛功率 MVAR. SL1. SL2. SL3. SL4. SL5. SL6. SL7. 10. 15. 20. 60. 70. 30. 50. 2. 3. 4. 15. 13. 5. 15. 75.
(93) 與市電並聯運轉模式一 發電機與負載比 時間(秒). 發電機容 量(MVA). 負載容量 (MVA). 發電機與 負載比值. 0. 0. 498. 0：498. 5. 60. 498. 1：8.3. 9. 60. 621. 1：10.35. 10. 310. 621. 1：2.003. 15. 335. 621. 1：1.854. 18. 335. 672. 1：2.006. 20. 372.5. 672. 1：1.804. 與市電並聯運轉模式二 發電機與負載比 時間(秒). 發電機容 量(MVA). 負載容量 (MVA). 0. 0. 498. 0：498. 5. 60. 498. 1：8.3. 9. 60. 621. 1：10.35. 10. 310. 621. 1：2.003. 15. 335. 621. 1：1.854. 18. 335. 672. 1：2.006. 20. 372.5. 672. 1：1.804. 25.2. 310. 519. 1：1.674. 76. 發電機與 負載比值.
(94) 與市電並聯運轉模式三、四 發電機與負載比 時間 (秒). 發電機容量 (MVA) A B. 負載容量(MVA) A. B. 發電機與負載 比值 A B. 0. 0. 250. 0. 52. 0：0. 1：0.208. 2. 0. 250. 0. 114. 0：0. 1：0.456. 3. 0. 250. 99. 114. 0：99. 1：0.456. 4. 0. 250. 99. 186. 0：99. 1：0.744. 5. 60. 250. 99. 186. 1：1.65. 1：0.744. 6. 60. 275. 196. 186. 1：3.267 1：0.676. 8. 60. 275. 196. 219. 1：3.267 1：0.796. 9. 60. 275. 320. 219. 1：5.333 1：0.796. 10. 60. 312.5. 320. 219. 1：5.333 1：0.701. 1：1.447 20 372.5 539 備註：在 20 秒前，Tie breaker 是開啟的狀態，可視為兩個系統在 運轉，其中市電與 SG1 屬於 A 系統，SG2~SG8 屬於 B 系統。. 獨立運轉模式一 發電機與負載比 時間(秒). 發電機容 量(MVA). 負載容量 (MVA). 發電機與 負載比值. 0. 250. 52. 1：0.208. 2. 250. 101. 1：0.404. 4. 250. 140. 1：0.56. 6. 310. 188. 1：0.606. 8. 310. 248. 1：0.8. 12. 335. 248. 1：0.74. 14. 335. 287. 1：0.857. 16. 372.5. 287. 1：0.77. 18. 372.5. 315. 1：0.846. 77.
(95) 獨立運轉模式二 發電機與負載比 時間(秒). 發電機容 量(MVA). 負載容量 (MVA). 發電機與 負載比值. 0. 250. 52. 1：0.208. 2. 250. 101. 1：0.404. 4. 250. 140. 1：0.56. 6. 310. 188. 1：0.606. 8. 310. 248. 1：0.8. 12. 335. 248. 1：0.74. 14. 335. 287. 1：0.857. 16. 372.5. 287. 1：0.77. 18. 372.5. 315. 1：0.846. 25.2. 372.5. 276. 1：0.741. 獨立運轉模式三、四 發電機與負載比 時間 (秒). 發電機容量 (MVA) A B. A. B. 發電機與負載 比值 A B. 負載容量(MVA). 0. 60. 250. 10. 52. 1：0.167 1：0.208. 2. 60. 250. 10. 114. 1：0.167 1：0.456. 4. 60. 250. 10. 185. 1：0.167 1：0.74. 6. 60. 275. 25. 185. 1：0.417 1：0.673. 8. 60. 275. 25. 215. 1：0.417 1：0.782. 9. 60. 275. 45. 215. 1：0.75. 1：0.782. 10. 60. 312.5. 45. 215. 1：0.75. 1：0.689. 1：0.698 20 372.5 260 備註：20 秒前，Tie breaker 是開啟的狀態，可視為兩個系統在運轉， 其中 SG1 屬於 A 系統，SG2~SG8 屬於 B 系統。. 78.
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