小水力發電系統動態特性分析

(1)

小水力發電系統動態特性分析

林錦章*、陳盟仁*、王允成**、李松茂*** *國立高雄應用科技大學電機工程系、**高雄市政府社會局、***崑山中學電機科 E-mail: [email protected]

摘要

本研究主要在探討小水力發電系統在正常及發生故障情況下的動態特性。研究對象為一個國外的小水力感應發電系統及一個國內的小水力同步發電系統。這些系統的組件包括水輪機與調速系統、感應發電機、同步發電機與激磁系統、三相變壓器、功因補償電容器等。研究方法是利用 Simulink 與架構在同一環境下的 SimPowerSystems 來開發系統組件模組，再將這些模組依系統架構連接以進行動態特性模擬分析。本研究模擬了這些系統的順序啟動、增載運轉、卸載運轉、以及故障運轉等情況。研究結果顯示，在這些運轉情況下系統特性都是可以接受的。本研究最大的價值是可以做為小水力發電系統規劃、運轉、以及系統擴充時的重要參考。 關鍵詞：小水力發電、動態特性分析、水輪機、感應發電機、同步發電機、MATLAB\SIMULINK。

1. 前言

多年來，由於世界各國工業發達，產生大量的溫室氣體，這些溫室氣體造成地球氣溫的上升及海平面的升高。許多科學家不斷提出警告－氣候暖化可能造成毀滅性災難。京都議定書就是在這樣的情況下應孕而生。聯合國在 1997 年於日本京都召開防止全球氣候暖化國際會議，與會各國政府在會中提出京都議定書這項協定，希望能以 1990 年為標準，在 2008 年至 2012 年的 5 年內，降低包括二氧化碳在內的六種溫室氣體 5.2%的排放量。根據聯合國表示，目前已簽署這項協定的國家已達 141 國[1]。台灣約 95%的能源仰賴進口，石油一直是主要的能源。近年來，國際原油價格持續飆漲屢創歷史新高，加上今年通過的「京都議定書」，限制了溫室氣體排放以期達到遏止全球暖化現象的目的；這使得雖非聯合國會員國也非議定書締約國的台灣，未來勢必也會受到相當程

(2)

度的衝擊。為了避免台灣自身產業可能受到的管制及直接衝擊，台灣應承擔共同但程度不同的責任，以善盡地球村一分子的職責，促成全球永續性的經濟發展。因此，台灣除了積極推動節約能源外，落實省能措施、研究符合國際潮流並且減少排放溫室氣體的新能源、開發綠色再生能源如小水力發電、風力發電、太陽能、生質能等綠色產業，將是大勢所趨[2]。台灣地區水力蘊藏量豐富，雖然大型水力發電開發因環保、地形等因素較為困難，小水力發電尚有許多開發的空間。至民國 94 年 1 月，台灣已開發的水力發電（含抽蓄式發電）為 4,131MW，小水力發電為 120MW。事實上，台灣電業近年也有許多的小水力發電計劃，如高屏電廠竹門機組更新計劃、明潭廠濁水機組更新計劃、松林分廠新建機組、梅檀水力計劃、仲岳水力計劃均屬小水力發電、烏山頭水力計劃(8,750kW)、豐坪溪水力計劃(18,100kW)、西口水力計劃（11,520kW）、卑南小水力電廠（2,300kW）、名間小水力電廠（16,704kW）[3]。小水力發電相關文獻很多，除一些書藉及手冊對水力發電系統的架構、土木工程、電機、水力機械、以及其他組件有廣泛的介紹外，許多研究論文也針對各個領域做深入的探討。在小水力發電系統的動態模擬方面，Murthy 等人用數學方法將系統化為等效電路來模擬系統的動態特性，文中針對系統功率變化、斷路器操作時的暫態、短路分析、以及啟動的暫態等情況做了模擬分析[4]。另外，Smith 探討一個小水力廠在獨立運轉狀態下，電壓及頻率的動態特性[5]。在小水力發電機的研究方面，Ekanayake 介紹了小水力感應發電系統的應用[6]。Kato 等人研究了串級感應發電機在變速運轉的小水力系統中的應用，文中指出串級感應發電系統可以減少諧波對系統的影嚮[7]。Leidhold 等人提出磁場導向控制方法來達到變速運轉的目的 [8]。Hammons 等人針對感應發電機啟動時所造成的壓降做了討論[9]。Bhattacharya 等人針對自激式發電機模型建立、控制方法、電壓調整、以及最大功率輸出等問題做入的探討[10]。 Khan 等人提出以靜態功因補償電容器來改善功率因素的方法[11]。在水輪機調速系統的研究方面，Kosterev 提出了水輪機調速系統的模型，並且說明了系統的原理[12]。Arnautovic 等人提出水輪機調速系統最佳化設計的方法[13]。本論文主要在探討小水力發電系統在正常及系統故障情形下的動態特性。研究範圍除了小水力發電系統組件如感應發電機、同步發電機與激磁系統、水輪機與調速器、變壓器、功因補償電容器等的數學模型推導外，也包含了相對應的 SimPowerSystems 模組開發、應用、以及進一步的動態特性模擬分析。為了讓研究與實際更接近，本研究特別選定了一個國外的小水力感應發電系統及一個國內的小水力同步發電系統做為動態特性模擬的對象。模擬項目包括系統順序啟動、增載、卸載、以及故障運轉。研究結果顯示，在這些運轉模式下，系統的動態特性都是可以接受的。對於一個小水力電廠興建計劃而言，在設計之初進行動態模擬分析是不可或缺的。

(3)

2. 小水力發電系統

2.1 小水力感應發電系統 2.1.1 小水力感應發電系統架構 圖 1 為一個實際的小水力感應發電系統架構。此系統的組件包括三相電源、三套小水力感應發電機組、以及靜態負載。每一套發電機組包含一個三相變壓器、一部感應發電機、一部水輪機與附屬設備、以及一套功因補償電容器組。 2.1.2 感應發電機模型 感應電動機的轉速高於同步轉速時，感應轉矩的方向會相反而變成發電機。參考到靜止軸後，三相感應發電機的 d-q 軸數學模型可表示成 qs s ss m qs ds s ss m ds qr m r m r rr r rr qr dr r m m r rr r rr dr v r pL 0 pL 0 i v 0 r pL 0 pL i v pL L r pL L i v L pL L r pL i ω ω ω ω + ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢₌ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ − + − ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦₍₁₎

其中 vds、ids為 d 軸定子電壓及電流，vqs、iqs為 q 軸定子電壓及電流，vdr、idr為 d 軸轉子電

壓及電流，vqr、iqr為 q 軸轉子電壓及電流，rs、rr為定子電阻及轉子電阻，Lss、Lrr為定子

電感及轉子電感，Lm為磁化電感，p 為微分運算子[14,15]。

(4)

2.1.3 水輪原動機模型 圖 2 為一部小水力輪機典型的輸出轉矩對轉速特性曲線。一般而言，此特性曲線會因水輪機機型及製造廠商不同而不同。這些特性曲線，可以利用數值方法以函數的型式呈現出來。圖 2 小水力輪機典型的輸出轉矩對轉速的特性曲線 2.2 小水力同步發電系統 2.2.1 小水力同步發電系統架構 明潭發電廠小水力發電機組更新計劃是由台電公司於民國 92 年提出，同步發電機相關參數是依照更新計劃案內容所提供[16]。圖 3 為明潭小水力同步發電機系統的基本架構，包括水輪機及附屬設備、同步發電機、激磁系統、三相變壓器等組件。圖 3 明潭小水力同步發電系統架構

(5)

2.2.2 同步發電機模型 參考到轉子軸後，三相同步發電機的 d-q 軸數學模型可表示成 qs s q r d mq r md r md qs ds r q s d r mq md md ds kq mq kq kq kq fd md fd fd md fd kd md md kd kd kd v r pL L pL L L i v L r pL L pL pL i v pL 0 r pL 0 0 i v 0 pL 0 r pL pL i v 0 pL 0 pL r pL i ω ω ω ω ω − − − ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ _{− −} ₋ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢= − + ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₋ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₋ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦₍₂₎ 其中 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及 ikq為 q 軸阻尼 繞組電壓及電流，vfd、vkd、ifd以及 ikd為激磁繞組電壓、d 軸阻尼繞組電壓、激磁繞組電流、 以及 d 軸阻尼繞組電流，rs、rfd、rkd以及 rkq為定子繞組電阻、激磁繞組電阻、d 軸阻尼繞 組電阻、以及 q 軸阻尼繞組電阻，Ld、Lq、Lfd、Lkd以及 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及 Lmq為 d 軸互感及 q 軸互感，p 為微 分運算子[14,15]。 2.2.3 激磁系統模型 激磁系統的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[17-20]。圖 4 為 IEEE Type 1 激磁控制系統方塊圖。圖 4 IEEE Type 1 激磁控制系統方塊圖此系統的狀態方程式可表示成 [ _C] [ _C][ _C] [ _C][ _C] p X = A X + B U (3)

(6)

其中 1 2 3 4 [xC] [ ,= x x x x, , ]T 2 2 [UC]=[V VS, REF,x L,x L]T [BC]=Diag 1 T K[ / R, A/T 1 T KA, / E, F /(T TE F)] 1 1 [ ] ( ) ( ) 1 R A A A A A C E E E F E E E F F T K K T T T A K S T K K S T T T − ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ − − − ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ = ⎢ − + ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ − + − ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ 上列式子中 p 為微分運算子，[Xc]為變數矩陣，[Ac]、[Bc]為參數矩陣，[Uc]為輸入矩陣[21]。 2.3.4 三相變壓器模型 變壓器的主要目的是在相同頻率下，將能量從一個電壓、電流準位轉換至另一個電壓、電流準位。三相變壓器的電壓方程式可表示成 q1 1 11 m q1 d 1 1 11 m d 1 q 2 m 2 22 q 2 d 2 m 2 22 d 2 v r pL 0 pL 0 i v 0 r pL 0 pL i v pL 0 r pL 0 i v 0 pL 0 r pL i + ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢₌ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ + ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦₍₄₎ 其中 vd1及 id1為 d 軸一次側電壓及電流，vq1及 iq1為 q 軸一次側電壓及電流，vd2及 id2為 d 軸二次側電壓及電流，vq2及 iq2為 q 軸二次側電壓及電流，r1及 r2為一次側電阻及二次側 電阻，L11及 L22為一次側自感及二次側自感，Lm為磁化電感，p 為微分運算子。 2.3.5 靜態負載模型 集總的靜態負載模型可以用電阻和電感來替代，電壓方程式可表示成 0 0 qk sk sk qk dk sk sk dk v r pL i v r pL i + ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ = ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦₍₅₎ 其中 vdk及 idk為 d 軸電壓及電流，vqk及 iqk為 q 軸電壓及電流，rsk及 Lsk為電阻及電感，p 為微分運算子。

(7)

3.模擬結果與討論

3.1 小水力感應發電系統模擬 3.1.1 多機系統正常運轉模擬 1. SimPowerSystems 模組架構此模擬主要目的在研究小水力感應發電系統在正常情況下系統變數變動的情形。圖 5 為此模擬所使用的 SimPowerSystems 模組，主要包括兩部分－A 部分為無限匯流排及靜態負載，B 部分為三套併聯的小水力感應發電機組分別標示為 SH1、SH2、以及 SH3[22]。此模擬所使用的參數列於表 1；模擬結果顯示於圖 6。圖 5 多機小水力感應發電系統正常運轉模擬 SimPowerSystems 模組架構圖 2. 模擬結果與評論三部感應發電機組均在 0 秒時啟動。在 t=3、t=5、t=7 秒時，分別將轉速推上高於同步轉速，如圖 6a 所示。此時每部感應電機的轉矩大約為-0.9 pu，這意味著感應電機均以發電機形式運轉，如圖 6b 所示，並分別供應 0.9 pu 的實功率給無限匯流排，如圖 6c 所示。無限匯流排原先供應 1.4 pu 實功率給負載，也因此降為-1.3 pu，如圖 6d 所示，這意味著小水力感應發電系統回送電力給大型系統。模擬結果顯示，此多機系統在正常運轉情況下能夠穩定，個別感應發電機的性能也與預期一致。

(8)

表 1 感應發電系統參數感應發機參數額定功率 (kW) 3600 定子漏電抗 (pu) 0.1 端電壓 (kV) 11 磁化電抗 (pu) 1.6802 額定頻率 (Hz) 60 轉子電阻 (pu) 0.03 額定線電流 (A) 189 轉子漏電抗 (pu) 0.14 定子電阻 (pu) 0.02 慣性常數 (s-kW/kVA) 2.7065 三相變壓器參數額定容量 (kVA) 5000 一次側電阻 (pu) 0.0015 一次側電壓 (kV) 69 一次側漏電抗 (pu) 0.03 一次側額定線電流 (A) 41.8 二次側電阻 (pu) 0.0015 二次側電壓 (kV) 11 二次側漏電抗 (pu) 0.03 二次側額定線電流 (A) 262.43 磁化電抗 (pu) 22.540 額定頻率 (Hz) 60 連接型式 (pu) Y -D 電容器參數額定容量 (MVAR) 2.7 額定頻率 (Hz) 60 端電壓 (kV) 11 圖 6a 感應發電機轉速圖 6c 感應發電機實功率及虛功率圖 6b 感應發電機轉矩圖 6d 無限匯流排實功率及虛功率圖 6 多機小水力感應發電系統正常運轉模擬結果

(9)

3.1.2 多機系統三相接地故障模擬 1. SimPowerSystems 模組架構此模擬主要目的在研究多機系統在匯流排發生三相接地故情況下系統變數變動的情形。圖 7 為此模擬所使用的 SimPowerSystems 模組架構，主要包括三部分－A 部分為無限匯流排及靜態負載，B 部分為三套併聯的小水力感應發電機組分別標示為 SH1、SH2、以及 SH3，C 部分為故障控制模組。此模擬所使用的參數與正常運轉模擬所使用的參數相同。模擬的結果顯示於圖 8。 2. 模擬結果與評論三部感應發電機組均在 0 秒時啟動，t=3 秒時在 69kV 匯流排發生三相接地故障，t=3.3 秒時故障排除，感應發電機組從系統切離，總模擬時間為 5 秒。圖 8a 為 69kV 匯流排 A 相電壓，顯示故障發生時電壓降為零。故障發生時感應發電機的電磁轉矩和功率也都有很大的暫態，分別如圖 8b、8c 所示。至於無限匯流排實功率和虛功率在故障發生時有很大的暫態，在故障排除後則因感應發電機組的切離而維持供應穩定的實功率給負載，如圖 8d 所示。此模擬的觀察重點在於故障發生造成的暫態現象，因此故障時間設定為 0.3 秒。實際的故障持續時間會因保護電驛而不同。模擬結果顯示，此多機系統在三相接地故障情況下的動態特性與預期一致。至於故障發生的影響則會因故障時間點、接地阻抗、以及保護電驛設定而不同。圖 7 多機小水力感應發電系統故障運轉模擬 SimPowerSystems 模組架構圖

(10)

3.2 小水力同步發電系統模擬 3.2.1 增載、卸載運轉模擬 1. SimPowerSystems 模組架構此模擬主要目的在研究小水力同步發電系統在增載及卸載情況下系統變數變動的情形。圖 9 為此模擬所使用的 SimPowerSystems 模組架構，主要包括四部分－A 部分為水輪原動機、同步發電機與激磁系統，B 部分為三相變壓器，C 部分無限匯流排，D 部分為負載。此模擬所使用的參數如表 2~表 5 所示。模擬的結果顯示於圖 10 和圖 11。圖 8a 無限匯流排 A 相電壓圖 8c 第一部發電機實功率及虛功率圖 8b 第一部發電機轉矩圖 8d 無限匯流排實功率及虛功率圖 8 多機小水力感應發電系統三相接地故障模擬結果

(11)

圖 9 明潭小水力同步發電系統增載、卸載運轉模擬 SimPowerSystems 模組架構圖表 2 激磁系統參數低通過濾器時間常數 Tr(s) 0.02 阻尼過濾器增益 Kf() 0.001 調節器增益 Ka() 300 阻尼過濾器時間常數 Tf(s) 0.1 調節器時間常數 Ta(s) 0.001 調節器輸出限制 Efmin,Efmax(p.u) -11.5, 11.5 暫態增益衰減常數 Tb(s),Tc(s) 0,0 調節器輸出增益 Kp() 0 表 3 同步發電機參數製造商名稱 Ganz Transelektro 額定輸出電流 350 A 額定輸出容量 3900 KVA 功率因數 90 % 額定輸出電壓 6.6 KV 頻率/轉速 60 HZ/240 RPM 定子 R(25oC) 0.136 Ω 定子 R(95oC) 0.173 Ω 轉子 R(25oC) 0.32 Ω 轉子 R(125oC) 0.44 Ω X1 99 % X2 14.4 % X0 6.5 % Ta 0.038 sec R1 0.01 p.u R2 0.0218 p.u XL 0.08/0.159 p.u 電氣阻尼係數 6.8 直軸(d-axis) 橫軸(q-axis) 額定輸出電壓 6.6 KV 頻率/轉速 60 HZ/240 RPM 非飽和飽和非飽和飽和 Xd=99 % Xd=88 % Xq=56 % Xd’=22.8 % Xd’v=19.3 % Xq’I=56 % Xq’v=50 % Xd”I=14.1 % Xd”v=12.4 % Xq”I=14.8 % Xq”v=12.8 %

(12)

表 4 三相變壓器參數額定容量 (kVA) 4500 一次側漏電抗 (pu) 0.036 一次側電壓 (kV) 69 二次側電阻 (pu) 0.0047 一次側額定線電流 (A) 37.65 二次側漏電抗 (pu) 0.036 二次側電壓 (kV) 6.6 磁化電抗 (pu) 500 二次側額定線電流 (A) 393.64 連接型式 (pu) D-D 一次側電阻 (pu) 0.0047 表 5 水輪原動機參數伺服馬達參數 PID 控制器參數增益 Ka() 10/3 迴授迴路固定增益 Rp() 0.05 時間常數 Ta(sec) 0.07 比例增益 Kp() 1.163 水閘門控制參數積分常數 Ki() 0.105 水閘門開啟最小極限 gmin(p.u) 0.01 微分常數 Kd() 0 水閘門開啟最大極限 gmax(p.u) 0.97518 時間常數 Td(s) 0.01 水閘門關閉速度 vgmin(p.u/s) -0.1 水輪機參數阻尼係數 bate() 0 水閘門開啟速度 vgmax(p.u/s) 0.1 水流開啟時間 Tw(s) 2.67 2. 模擬結果與評論在增載運轉模擬中，同步發電機由水輸機帶動至同步轉速後，依併聯程序完成併聯。 t=5 秒時，改變原動機的輸出功率由 0.5 p.u 增加至 0.9 p.u。總模擬時間 200 秒。圖 10a 為水輪機輸出功率，由於調速系統的參考功率原先設定為 0.5 p.u，在 t=5 秒時，改變為 0.9 p.u，經由內部參數響應之後，在約 200 秒時達到穩定。圖 10b 為水輪機轉速，亦即同步發電機的轉速，因為與大型系統併聯的關係，因此即使負載大於發電機輸出功率，也會由大型系統供應而使得發電機的轉速維持在同步速度，同時發電機端電壓也維持在 1.0 p.u。圖 10c 為同步發電機的實功率和虛功率，實功率會隨著原動機機械功率的變動而變動，虛功率因為沒有特別設定，因此輸出很小，雖略有變動，但影響不大。圖 10d 為無限匯流排供應的實功率與虛功率，等於負載的實功率和虛功率與發電機的的實功率和虛功率的差值。

(13)

圖 10a 水輪機機械功率圖 10c 同步發電機實功率及虛功率

圖 10b 同步發電機轉速圖 10d 無限匯流排實功率及虛功率

圖 10 小水力同步發電系統增載運轉模擬結果

在卸載運轉模擬中，同步發電機由水輸機帶動至同步轉速後，依併聯程序完成併聯。 t=5 秒時，改變原動機的輸出功率由 0.9 p.u 降低為 0.5 p.u。總模擬時間 200 秒。圖 11a 為水輪機輸出功率，由於調速系統的參考功率原先設定為 0.9 p.u，在 t=5 秒時，改變為 0.5 p.u，經由內部參數響應之後，在約 200 秒時達到穩定。圖 11b 為水輪機轉速，亦即同步發電機的轉速，因為與大型系統併聯的關係，因此即使負載大於發電機輸出功率，也會由大型系統供應而使得發電機的轉速維持在同步速度，同時發電機端電壓也維持在 1.0 p.u。圖 11c 為同步發電機的實功率和虛功率，實功率會隨著原動機機械功率的變動而變動，虛功率因為沒有特別設定，因此輸出很小，雖略有變動，但影響不大。圖 11d 為無限匯流排供應的實功率與虛功率，等於負載的實功率和虛功率與發電機的的實功率和虛功率的差值。模擬結果顯示，此同步發電系統在增載、卸載運轉情況下均能穩定運轉，系統組件的特性也與預期一致。 3.2.2 三相接地故障模擬 1. SimPowerSystems 模組架構此模擬主要目的在研究小水力同步發電系統在匯流排發生三相接地故情況下系統變數變動的情形。圖 12 為此模擬所使用的 SimPowerSystems 模組架構，主要包括五部分－A 部

(14)

分為水輪原動機、同步發電機與激磁系統，B 部分為三相變壓器，C 部分無限匯流排，D 部分為負載，E 部分為故障控制模組。此模擬所使用的參數與增載運轉模擬所使用的參數相同。模擬的結果顯示於圖 13。圖 11a 水輪機機械功率圖 11c 同步發電機實功率及虛功率圖 11b 同步發電機轉速圖 11d 無限匯流排實功率及虛功率圖 11 小水力同步發電系統卸載運轉模擬結果圖 12 明潭小水力同步發電系統三相接地故障模擬 SimPowerSystems 模組架構圖

(15)

2. 模擬結果與評論同步發電機由水輪機帶動至同步轉速後，依併聯程序完成併聯並進行穩態運轉。t=6 秒時 69kV 匯流排上發生三相接地故障。t=6.3 秒時故障排除，同步發電機從系統切離。總模擬時間為 20 秒。圖 13a 為 69kV 匯流排 A 相電壓，顯示故障發生時電壓降為零，此時匯流排有很大的故障電流。圖 13b 為同步發電機的轉速，故障發生前穩定維持在同步速度，故障發生時由於實功率大量減少而且原動機的響應較慢，因此轉速高於同步速度；故障排除後，因為原動機已沒有輸出功率，因此轉速逐漸下降。圖 13c 為同步發電機的實功率及虛功率，故障發生前穩定維持在穩定值，故障發生時有很大的暫態，故障排除後，因為與大型系統切離，因此都降為零。圖 13d 為無限匯流排的實功率和虛功率，在故障發生時有很大的暫態，故障排除後，則供應實功率及虛功率給負載。此模擬的觀察重點在於故障發生造成的暫態現象，因此故障時間設定為 0.3 秒。實際的故障持續時間會因保護電驛而不同。模擬結果顯示，此同步發電系統在三相接地故障情況下的動態特性與預期一致。至於故障發生的影響則會因故障時間點、接地阻抗、以及保護電驛設定而不同。圖 13a 無限匯流排 A 相電壓圖 13c 同步發電機實功率及虛功率圖 13b 同步發電機轉速圖 13d 無限匯流排實功率及虛功率圖 13 小水力同步發電系統三相故障模擬結果

(16)

4.結論

本研究主要在探討小水力發電系統在正常及系統故障情形下的動態特性。此研究中選定感應發電機、同步發電機、以及其他組件如激磁系統、水輪機及調速器、變壓器、功因補償電容器等所組成的實際系統來做為研究對象。研究範圍除了小水力發電系統組件的數學模型推導外，也包含了相對應的 SimPowerSystems 模組開發與應用、以及進一步的動態特性模擬與分析。為了讓研究與實際更接近，特別選定了一個國外的小水力感應發電系統以及國內的明潭小水力同步發電系統做為動態模擬的對象；模擬項目包括系統順序啟動、增載運轉、卸載運轉、以及故障運轉。模擬結果顯示，在這些運轉模式下，系統都是可以穩定的，而且系統的動態特性與理論分析一致。本研究最大的價值是可以做為小水力發電系統規劃、運轉、以及系統擴充時的重要參考。

參考文獻

[1] Website, http://www.un.org [2] 全國能源會議結論報告，1998。 [3] 台灣電力公司，台灣電力公司電源開發計劃，http://www.taipower.com.tw, 2005.

[4] Murthy, S. S., C. S. Jha, and P. S. N. Rao, “Analysis of Grid Connected Induction Generators Driven by Hydro/wind Turbines under Realistic System Constraints,” IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 5, Issue 1, March 1990, pp. 2045 -2050.

[5] Smith, N. P. A. “Induction Generators for Stand-Alone Micro-Hydro Systems,” IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, 1996, pp. 669-673.

[6] Ekanayake, J. B., “Induction Generators for Small Hydro Schemes,” Power Engineering Journal, Vol. 16, Issue: 2, 2002, pp. 61 –67.

[7] Kato, S., N. Hoshi, and K. Oguchi, ”A Low-Cost System of Variable-Speed Cascaded Induction Generators for Small-Scale Hydroelectricity,” IEEE Industry Applications Conference, 2001, pp. 1419 -1424.

[8] Leidhold, R. and G. Garcia, “Variable Speed Field-Oriented Controlled Induction Generator,” IEEE Industry Applications Conference, 1998, pp. 540-546

[9] Hammons, T. J. and S. C. Lai, “Voltage Dips due to Direct Connection of Induction Generators in Low Head Hydro Electric Schemes,” IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 9, Issue 3, Sept. 1994, pp. 460-465.

[10] Bhattacharya, J. L. and J. L. Woodward, “Excitation Balancing of a Self-Excited Induction Generator for Maximum Power Output,” IEE Proceedings C-- Generation, Transmission and

(17)

Distribution, Vol. 135, Issue 2, March 1988, pp. 88-97.

[11] Khan, P. K. S., J. K. Chatterjee, M.A. Salam, and H. Ahmad, “Transient Performance of Unregulated Prime Mover Driven Stand Alone Self-Excited Induction Generator with Solid-State Lead-Lag VAr Compensator,” TENCON 2000, Vol. 1, 2000, pp. 235 -239.

[12] Kosterev, D., “Hydro Turbine-Governor Model Validation in Pacific Northwest,” IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 19, Issue 2, May 2004, pp. 1144-1149.

[13] Arnautovic, D. B., D. M. Skataric, “Suboptimal Design of Hydroturbine Governors,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 6, Issue 3, Sept. 1991, pp. 438-444.

[14] Krause, P. C., Analysis of Electric Machinery and Drive System, 2nd Ed, McGRAW-Hill Book Co., USA, Dec. 2001.

[15] Chee-Mun Ong, Dynamic Simulation of Electric Machinery using MATLAB/Simulink, McGRAW-Hill Book Co., USA, 1998.

[16] 明潭電廠濁水機組更新工程，台灣電力公司，2003.

[17] IEEE Guide for Identification, Testing and Evaluation of the Dynamic Performance of Excitation Control Systems, ANSI/IEEE Std 421A-1978, June 1978.

[18] IEEE Committee Report, “Excitation System Models for Power System Stability Studies,” IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, PAS-100, 1981, pp. 494-509.

[19] IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies, IEEE Std. 421.5-1992, Aug. 1992.

[20] IEEE Committee Report, “Computer Models for Representation of Digital-Based Excitation Systems,” IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 10, Issue 4, Dec. 1996, pp.706-713. [21] Smith, J.R. and M.-J. Chen, Three-Phase Electrical Machine Systems, Research Studies Press

Ltd., UK, 1993.

小水力發電系統動態特性分析