單機變速變旋角風能發電系統發生低壓跨越的動態特性分析

工程科技與教育學刊 第九卷 第二期 民國一○一年六月 第 236～242 頁

©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

單機變速變旋角風能發電系統發生低壓跨越的動態特性分析

鄭淵元 1、陳盟仁 1、吳有基 2、張志明 1、劉國才 1 1 國立高雄應用科技大學 電機工程系 2 國立聯合大學 電機工程系 E-mail: [email protected]

摘 要

本論文主要在探討單機變速變旋角風能發電系統發生低壓跨越（Low Voltage Ride Through, LVRT）的 動態特性。該系統主要包括市電、風能發電系統、感應發電機、三相變壓器、以及靜態同步補償器等。研 究方法是先推導系統組件的數學模型，接著利用 SimPowerSystems 模組開發並依系統架構連接，最後進行 動態特性模擬與分析。研究結果顯示此種運轉情形下系統變數變動情形合乎規定。本研究最大的價值是可 做為此種系統規劃、運轉、以及系統擴充的重要參考。 關鍵詞：風能發電系統、隨機風速、LVRT、MATLAB/Simulink、SimPowerSystems

1. 前 言

自十八世紀後，工業快速發展，溫室效應日趨嚴重。為此，聯合國在 1997 年於日本東京簽署了京都議 定書，希望各國能減少溫室氣體的排放，目標將二化碳排放量降低至 1990 年水準平均再減少 5.2%[1]。到 民國九十九年為止，台灣再生能源（含慣常水力）裝置容量為 2449MW，與經濟部能源局的規劃還有相當 大的成長空間[2]。此外，根據 GWEC 統計，2010 年全球風能發電機裝置容量為 194.39GW，較 2009 年的 158.74GW，成長了 22.5%，由此可知風能發電的潛力相當雄厚[3]。 有關變速型風力機的研究方面，文獻[4]指出使用雙饋式感應發電機可以控制輸出的有效功率及無效功 率，使得在輸入風速變動的情況下，仍然能得到穩定的輸出功率。文獻[5,6]探討了風能發電系統的發電機 特性。文獻[7-9]針對變速型風能發電系統提出各種控制方法。文獻[10,11]探討使用不同模擬工具來分析變 速風能發電系統。 本論文主要在探討單機變速變旋角風能發電系統發生低壓跨越的動態特性。研究範圍除了系統組件的 數學模型推導外，也包含了相對應的 SimPowerSystems 模組開發以及進一步的動態特性模擬與分析。本研 究最大的價值是可做為此類型系統規劃、運轉、以及擴充的重要參考。

2. 市電併聯風能發電系統數學模型

2.1 系統架構 圖 1 為本研究所使用的多機風能發電系統架構。此系統的組件包括 161kV 的電源系統、風力機（Wind Turbine）、三相感應發電機（nduction Generator）、轉換器（Converter）、系統控制器（System Controller）、 三相變壓器（Power Transformer）、靜態同步補償器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）。

圖 1 市電併聯風能發電系統加入 STATCOM 架構圖 2.2 風速模組 風速模組主要目的是將風速以模組方式呈現出來作為風力機的輸入[12]。風速變化具有隨機性，也常常 隨著地形改變。本研究使用隨機風速模組如圖 2 所示。 (a) 圖像 (b) 參數視窗 圖 2 風速模組 2.3 風力機模組 風力機模組主要目的是將風速轉換成機械功率以作為發電機的輸入。輸出轉矩會隨著風速、葉片角度 不同而改變。本研究使用的風力機額定風速為 14m/s，葉片旋角起始角度為 0°，不考慮葉片長度與空氣密 度。圖 3 為風力機模組的圖像及內部架構，輸入端為發電機轉速、葉片角度、風速，輸出為風力機機械轉 矩[13]。

鄭淵元、陳盟仁、吳有基、張志明、劉國才 238 2.4 三相感應發電機模組 三相感應發電機模組主要目的是將風力機的機械功率轉換成電力[14,15]。圖 4(a)為三相感應發電機模組 圖像，輸入端 Tm 為機械轉矩，輸出端 A、B、C 為定子側三相電壓，a、b、c 為轉子側三相電壓，m 為資 料端，可連接到量測元件。圖 4(b)為參數視窗，此模組可依感應發電機型式而設定不同的參數，包括機械 輸入（Mechanical input）、轉子型式（Rotor type）、參考軸（Reference frame）、感應電機額定容量（Pn）、 線電壓（Vn）、頻率（fn）、定子電阻（Rs）、定子漏電感（Lls）、轉子電阻（Rr’）、轉子漏電感（Llr’）、磁 化電感（Lm）、慣量常數（H）、機械阻尼係數（F）、極對（p）、以及初始條件（Initial conditions）。 2.5 轉換器模組 轉換器模組主要目的是將轉子端的輸出功率經 AC/DC/AC 轉換後輸出。包含轉子側轉換器、市電側轉 換器與直流截波器三個部份。圖 5 為轉子側轉換器、市電側轉換器與直流截波器模組圖像及架構圖，轉子 側轉換器輸入端為閘極信號與轉子輸出之交流電，輸出端為直流電。市電側轉換器輸入端為閘極信號與直 流電容輸出之直流電，輸出端為交流電。直流截波器輸入端為轉子側轉換器輸出直流電壓，輸出端為直流 電容電壓[16]。 (a) 圖像 (b) 內部架構 圖 3 風力機模組圖像與內部架構圖 (a) 圖像 (b) 參數視窗 圖 4 三相感應發電機模組圖像與參數視窗

(a) 圖像 (b) 內部架構 圖 5 轉換器模組圖像與內部架構圖 2.6 系統控制器模組 系統控制器模組主要目的是控制轉子側轉換器與市電側轉換器的閘極信號、以及風力機葉片旋角角度 [17]。包含轉子側轉換器控制器、市電側轉換器控制器、以及風力機葉片旋角角度控制器三個部份。圖 6 為 轉子側轉換器控制器、市電側轉換器控制器、以及風力機葉片旋角角度控制器模組圖像及架構圖。轉子側 轉換器控制器輸入端為發電機轉速、直流電容器電壓、系統電壓鎖相後的相位角、定子電流、轉子電流、 市電側轉換器輸出電流、參考虛功率、系統輸出虛功率、轉子角度、頻率、以及系統 d/q 軸電壓，輸出端為 轉子側轉換器控制信號。市電側轉換器控制器輸入端為系統電壓、市電側轉換器輸出電流、系統電壓鎖相 後的相位角、直流電容器電壓、市電側轉換器 q 軸參考電流、以及頻率，輸出端為市電側轉換器控制信號 與系統 d/q 軸電壓。風力機葉片旋角角度控制器輸入端為發電機轉速，輸出端為葉片旋角角度。 (a) 圖像 (b) 內部架構 圖 6 系統控制器模組圖像與內部架構圖 2.7 靜態同步補償器模組 靜態同步補償器主要目的是用來補償風能發電系統輸出的虛功率以及控制系統端電壓[18]。圖 7(a)為靜 態同步補償器模組圖像，連接端為 A、B、C 三相電壓。圖 7(b)為內部架構圖。

鄭淵元、陳盟仁、吳有基、張志明、劉國才 240 (a) 圖像 (b) 內部架構 圖 7 靜態同步補償器模組圖像與內部架構圖

3. 動態特性模擬

3.1 SimPowerSystems 模組 圖 8 為市電併聯風能發電系統 SimPowerSystems 模組架構圖，主要包括五部分－A 部分為 161kV 市電， B 部分為變壓器，C 部分為 STATCOM，D 部份為風速，E 部分為風能發電系統。 圖 8 SimPowerSystems 模組架構圖 3.2 模擬順序 圖 9 為模擬的時序圖。由圖中可看出風能發電系統、STATCOM 與市電一起運轉，總模擬時間 20 秒。 圖 9 模擬時序圖

3.3 模擬結果 圖 10 為系統變數變動的情形。此模擬觀察重點在 STATCOM 併接點電壓調整以及虛功率補償的情形。 圖 10(a)顯示，發生故障時，匯流排電壓下降至 0.15pu。圖 10(b)為隨機風速變動情形，抽樣時間為 2 秒。圖 10(c)、10(d)顯示風能發電系統的實功率、虛功率會隨著風速而變動，在超過額定風速時，輸出實功率為額 定，低於額定風速時，則依照最大功率追蹤特性來產生實功率，故障發生時實功率驟降，虛功率則有明顯 的暫態。圖 10(e)、10(f)顯示，在轉速超過額定時，風力機葉片角度會增加來改變機械轉矩，藉此控制轉速 抑止其上升過快，當機械轉矩與電磁轉矩相等時，轉速維持穩定，故障發生時轉速驟升，葉片旋角加大降 低轉速。圖 10(g)~10(l)顯示故障發生時風力機變壓器、11.4kV 匯流排、以及市電的實功率都會驟降，虛功 率也有明顯的暫態。由於法規規定系統故障導致電壓驟降至 15%以下時，風能發電系統須與系統保持併聯 0.5 秒以上，所以模擬的故障時間設為 0.5 秒。整體而言，此系統在這種運轉模式下的動態特性是合理的。

4. 結 論

本論文主要在探討單機變速變旋角風能發電系統發生低壓跨越的動態特性。該系統主要包括市電、風 能發電系統、感應發電機、三相變壓器、以及靜態同步補償器等。研究方法是先推導系統組件的數學模型， 接著利用 SimPowerSystems 模組開發並依系統架構連接，最後進行動態特性模擬與分析。研究結果顯示在 此種運轉情形下系統變數變動情形合乎規定。本研究最大的價值是可做為此種系統規劃、運轉、以及系統 擴充的重要參考。 0 5 10 15 20 25 30 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 時 間 (秒 ) Tr A 相電壓 (a) 11.4kV 匯流排 A 相電壓 0 5 10 15 20 25 30 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 時 間 (秒 ) WT IG 1 轉速 (e) WTIG1 轉速 0 5 10 15 20 25 30 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 時 間 (秒 ) Tr 實功 率 (i) 11.4kV 匯流排實功率 0 5 10 15 20 25 30 8 10 12 14 16 18 20 時 間 (秒 ) WT 1 風速 (b) WT1 風速 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 時 間 (秒 ) WT 1 葉片角度 (f) WT1 葉片角度 0 5 10 15 20 25 30 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 時 間 (秒 ) Tr 虛功 率 (j) 11.4kV 匯流排虛功率

鄭淵元、陳盟仁、吳有基、張志明、劉國才 242 0 5 10 15 20 25 30 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時 間 (秒 ) WT 1 輸入實功率 (c) WT1 實功率 0 5 10 15 20 25 30 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時 間 (秒 ) WT 1 T r 實功率 (g) WT1Tr 實功率 0 5 10 15 20 25 30 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 時 間 (秒 ) 161k V 市電實 功率 (k) 161kV 市電實功率 0 5 10 15 20 25 30 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 時 間 (秒 ) WT 1 輸 入虛功 率 (d) WT1 虛功率 0 5 10 15 20 25 30 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 時 間 (秒 ) WT 1 T r 虛功 率 (h) WT1Tr 虛功率 0 5 10 15 20 25 30 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 時 間 (秒 ) 161k V 市電 虛功率 (l) 161kV 市電虛功率 圖 10 系統變數變動情形

參考文獻

[1] Website , http://www.un.org [2] Website, http://www.moeaboe.gov.tw [3] Website, http://www.gwec.net

[4] J. L .R. Amenedo, S. Arnalte, And J. Carlos, “Automatic Generation Control of a Wind Farm with Variable Speed Wind Turbine,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 17, pp.279-284, June 2002.

[5] Rajib Datta, V. T. Ranganathan, “Variable-Speed Wind Power Generation Using Doubly Fed Wound Rotor Induction Machine-A Comparison With Alternative Schemes, ” IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 17, pp.414 -421, Sep. 2002.

[6] Janaka B. Ekanayake, Lee Holdsworth, XueGuang Wu, Nicholas Jenkins, “Dynamic Modeling of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines,” IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 18, pp.803 -809, May 2003.

[7] Hua Geng, Geng Yang, “Output Power Control for Variable-Speed Variable-Pitch Wind Generation Systems, ” IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 25, pp. 494-503, June 2010.

[8] A. Tabesh, R. Iravani, “Small-signal model and dynamic analysis of variable speed induction machine wind farms, ” IET Renewable Power Generation, Vol. 2, pp.215-227, 2008.

[9] S. M. Muyeen, Rion Takahashi, Toshiaki Murata, Junji Tamura, “A Variable Speed Wind Turbine Control Strategy to Meet Wind Farm Grid Code Requirements,” IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 25, pp.331-340, Feb. 2010. [10] Lok-Fu Pak, Venkata Dinavahi, “Real-Time Simulation of a Wind Energy System Based on the Doubly-Fed Induction

Generator,” IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 24, pp.1301-1309, Aug. 2009.

[11] J. G. Slootweg, S. H. de Haan, H. Polinder, W. L. Kling, “General Model for Representing Variable Speed Wind Turbines in Power System Dynamic Simulations,” IEEE Transaction on Power Systems, Vol. 18, pp. 144 -151, Feb. 2003.

[12] P. M. Anderson and A. Bose, “Stability Simulation of Wind Turbine Systems,” IEEE Trans. Power Apparatus and Systems, vol. 102, no. 12, Dec. 1983, pp.3791-3795.

[13] Siegfried Heier, "Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems," John Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-471-97143-X, 1998.

[14] P. C. Krause, Analysis of Electric Machinery and Drive System, 2nd Ed, McGRAW-Hill Book Co., USA, Dec 2001. [15] C. M. Ong, Dynamic Simulation of Electric Machinery using MATLAB/Simulink, McGRAW-Hill Book Co., USA, 1998. [16] eBook: 孫允武 應用電子學 二極體應用電路。

[17] 翁川翔，雙饋式感應發電機動態特性之模擬，國立台灣大學碩士論文，2009。

[18] A. Jain, K. Joshi, A. Behal, and N. Mohan, “Voltage regulation with STATCOMs: modeling, control and results,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 21, 2006, pp 726-735.