市電系統重載情形下分散式柴油引擎發電系統併聯的動態特性分析

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市電系統重載情形下分散式柴油引擎發電系統併聯的動態特性分析

劉光倫1_、陳盟仁1_、林堉仁2_、呂世彬1_、柴樺1 1._{國立高雄應用科技大學電機工程系} 2._{義守大學電機系} E-mail: [email protected]

摘要

本論文主要在探討一個工業型電力系統中分散式柴油引擎發電系統在市電系統重載情況下併聯的動態特性。研究架構主要包括市電系統、四套柴油引擎發電系統、感應電動機組、三個集總的靜態負載以及其他組件。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。研究結果顯示此架構在這種運轉情況下系統變數變動情形都在合理的範圍之內。本研究最大的價值是可做為分散式柴油引擎發電系統與市電併聯的重要參考。關鍵詞：分散式柴油引擎發電系統、市電系統、動態特性分析、數學模型、SimPowerSystems。

一、前言

過去二十年來，傳統的電力公用事業面臨各種技術面、管制面、制度面以及經濟面的挑戰，在這些挑戰之下，電業必須改變其企業經營的型態及其市場結構。1970 年代以前，全世界的電力產業都是走向高度垂直整合與市場獨佔，其主要的理由就是透過更大型的發電機組的投資來產生邊際成本遞減的電力並且利用不斷擴充的輸配電線網路來滿足電力用戶的需求。然而，由於 1970 至 1980 年代中發生了兩次石油危機，造成發電燃料成本激增，再加上 1997 年京都議定書的制定以及環保意識抬頭，電廠環境污染防治成本的上升，使得大型發電機組（以核能與燃煤為主）的規模經濟降低，甚至造成了發電邊際成本的逐漸上升。此外，世界性的經濟自由化思潮亦萌芽而起，各國產業政策不約而同地鼓勵市場競爭，使得發電市場的趨向與傳統上由中央控制及中央規劃的經營型態截然不同。許多國家的電力事業正由傳統獨占、公營、管制的「計畫型」產業，邁向競爭、民營、解制的「市場型」產業[1]。分散型電業（Distributed Utility）的概念，並非要完全取代傳統中央發電式的供電型態，而是對於負載中心這種特定的尖峰用電需求，提供一種相當有效而且符合經濟的供電方式。尤其在都市化愈明顯的地區，超高大樓不斷增建，高樓用電在尖峰時段非常集中，而配電及變電設施卻因居民的反對而無法擴充，造成即使有發電容量也無法傳送電力的區域限電問題[2]。在台灣，這種現象已屢見不鮮，而且情況愈來愈嚴重，此將使得分散式供電設施或儲能設施，甚或再生能源發電系統，都逐漸有其發展空間。分散式發電系統是泛指任何接近負載端的發電技術，其可以作為獨立式的發電系統亦可與市電併聯。根據美國分散式發電聯盟（DPCA）研究指出在未來的 20 年內分散式發電可達到總發電容量的 20%[3]。柴油引擎發電系統常用來供應與市電相對容量較小的系統如島嶼電力系統、工業用電系統、以及船舶電力系統等。柴油引擎發電系統具有起動容易、設備費低廉、建廠期間短、以及電壓、頻率調節穩定等優點。然而，發電系統與負載之間的容量比太小所引起的電力品質問題相當值得關切。為了減少燃料成本及因石化燃料造成污染，將柴油引擎結合風力發電機形成混合發電系統，盡可能由風力提供最大之發電，同時維持系統可接受之電力品質及可靠的電力供應，是作為區域供電的一種非常經濟的發電方式[4]。此外，在與市電結合的系統中，將柴油引擎發電系統做為分散式電源，以降低發電成本並且提高系統可靠度也是 ©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

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目前國內外積極鼓勵的方向。在柴油引擎相關的發電系統的文獻方面，有許多論文做了深入的探討。在柴油引擎發電機的模型方面， Hassan 等人研究了備轉的柴油引擎發電系統並且印證了 EMTP 模組的適用性；此外，該論文也預測了發電機的電壓與頻率並且提出了電壓與頻率暫態變化值的模擬結果[5]。Claeys 等人提出了一個新的渦輪增壓式柴油引擎發電機的動態模型並且探討了分散式發電系統對配電系統的衝擊[6]。Rahman 等人提出了一個用於分析獨立型永磁式柴油發電機穩態模型的方法並且使用了電力電子裝置來控制發電機的端電壓[7]。Rachid 等人使用了一種非線性識別方法來建立渦輪增壓式柴油引擎的模型[8]。Zhang 等人利用一個以 K-L 轉換為基礎的修正 GMDH 演算法來建立柴油引擎的非線性燃燒系統模型，使得演算法的階數較少而且穩定度更高 [9]。此外，在柴油引擎發的控制方面，Utkin 等人研究了一種應用於可變幾何渦輪增壓器的滑動模式控制並且準確地得到空氣-燃料比率與有效的廢氣循環率控制[10]。Jeong 等人提出一種具有整合式控制器的柴油發電系統以做為三相及單相配電系統的備用電源；此控制器具有補償相電流不平衡、自動電壓調節器、以及以數位信號處理器為基礎的調速機構；發電機可以在不影響系統的情況下併入或從系統切離[11]。Yanakiev 提出一種用於克服引擎轉速和轉矩控制問題的模型參考適應控制法，除了使用 Lyapunov 穩定度理論建立參數更新法則外，也使用實際的引擎和發電機進行模擬[12]。Karray 等人探討了柴油引擎參數識別以及專家控制設計的方法以得到最佳的轉速調節、負載擾動的強韌性、以及燃料效率[13]。Roy 等人將適應控制方法應用於柴油發電廠並且得到良好的速度控制效果[14]。在柴油引擎相關的混合式發電系統的文獻方面，有許多論文做了深入的探討。在模擬與動態分析方面， Sharma 等人探討風能-柴油引擎混合式系統應用在偏遠地區的動態特性，包括聯結問題、互聯系統的相互干擾、虛功的改善、減少風力發電機輸出損失等問題[15]。Uhlen 等人分析與設計獨立型風能-柴油引擎混合式系統在不同頻率下的控制方法[16]。Ghali 等人提出不同諧波對系統的影響，並以三階變頻器來消除諧波，使得系統獲得更佳的可靠度並且減少能量損失[17]。Muljadi 等人討論電力品質對風能-柴油引擎混合式系統的影響以及負載與頻率切換的問題[18]。Consoli 等人對混合式系統的元件進行估算與模擬[19]。Bansal 等人以基因演算法調整靜態虛功率補償器使系統能夠自動將虛功率控制在理想的範圍內[20]。此外，在系統方面，Sebastian 等人探討當高風力時應用在風力-柴油引擎混合式系統的控制系統[21]。Bialasiewicz 等人研究一套用於分析暫態與穩態間互相影響的新系統，可取代現行的控制方法，使整個系統能擁有更佳的性能 [22]。Senjyu 等人提出一套新的電力系統架構，該系統可以應用在偏遠地方或小島上，持續提供電力[23]。本論文主要在探討一個工業型電力系統中分散式柴油引擎發電系統在市電系統重載情況下併聯的動態特性。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分散式柴油引擎發電系統與市電併聯的重要參考

二、系統架構與模組開發

2.1 分散式柴油引擎發電系統架構 圖 1 為一個分散式柴油引擎發電系統的架構圖。此系統的組件包括柴油引擎（Diesel Engine）、同步發電機（Synchronous Generator）、激磁系統（Excitation System）、感應電動機（Induction Machine）、變壓器（Power Transformer）、以及集總的靜態負載（Lumped Static Load）。

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圖 1 分散式柴油引擎發電系統架構圖 2.2 狀態空間表示法 狀態空間表示法（State-Space Representation）是利用一組首階的微分方程式來建立系統組件甚至整個系統的動態模型。利用此方法可以將組件模組化後再進一步加以連結，如此，可以使得研究的系統架構具有彈性而且多元化[24,25]。利用狀態空間表示法，可以將系統組件表示成

[ ] [ ][ ] [ ][ ]

p x = A x + B u

(1) 其中[x]是 n 維的狀態變數矩陣，[A]是 nxn 維的係數矩陣，[u]是 m 維輸入矩陣，[B]是 nxm 維控制矩陣，p 是微分運算子。 2.3 柴油引擎原動機模型 柴油引擎原動機模型的建立常常是藉由採用製造商所提供的引擎特性資料來完成。圖 2 為一個柴油引擎原動機的架構圖。此模型主要包括三個子系統－熱力模型、調速模型、以及轉軸模型[26]。

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圖 2 柴油引擎原動機的架構圖在熱力模型方面，在正常情況下引擎的轉矩和燃料成正比。在空氣供應充足的情況下，燃料能夠完全燃燒，因此轉矩可以考慮成和油箱準位成正比。然而，在暫態以及重載情況下，燃料無法完全燃燒，此時轉矩會受到空氣供應量的限制。為了要改善此種情形，通常會裝設渦輪增壓器。在調速模型方面，轉速調節是透過原動機的調速系統來實現。當發電機轉速偏離額定轉速時，調速機構會偵測到轉速變動，因而改變輸入閥門的位置，調整原動機的輸出，使速度達到穩態值。圖 3 為一個典型的柴油引擎調速系統的架構圖。此系統的狀態方程式可以表示成 1 1 1 2 2 1 2 2 3 3 3 3 4 4 5 5 5 5 5 6 6 7 7 6 7 7 7 K 0 0 0 0 0 0 T 1 1 1 0 0 0 0 0 x T T x x 1 1 x 0 0 0 0 0 x T T x x x p 0 0 0 0 0 0 0 x ₀ ₀ ₀ K 1 ₀ ₀ x T T x x 1 x ₀ ₀ ₀ ₀ ₀ ₀ x T K 1 0 0 0 0 0 T T − ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ − ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎡ ⎤ _⎢ _⎥⎡ ⎤ ⎢ ⎥ _⎢ ₋ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥₌_⎢ _⎥⎢ ⎥₊ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ ₋ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ₋ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ − ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ 1 e ref 3 3 L LA 6 0 0 0 0 0 0 T g 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 T x 0 0 1 1 0 0 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 _T 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ϖ ϖ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ _{⎥ ⎡} _⎤ ⎢ _{⎥ ⎢} _⎥ ⎢ _{⎥ ⎢} _⎥ ⎢ _{⎥ ⎢} _⎥ ⎢ _{⎥ ⎢} _⎥ ⎢ ₋ _{⎥ ⎢} _⎥ ⎢ _{⎥ ⎢} _⎥ ⎢ _{⎥ ⎢} _⎥ ⎢ _{⎥ ⎢} _⎥ ⎢ _{⎥ ⎢}_⎣ ⎥_⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ (2) D 3 D 3 D 3 3 L 2 3 e 3 3

T

x

( 1

)x

T

₃

ϖ

=

+

−

+

(3) 5 D5 D5 5 L 4 5 5 5

K T

T

x

( 1

)x

T

=

+

−

(4) 其中g 為負載控制信號，ωe為引擎轉速，ωref為參考轉速，xLA為x5L經過限制器的值。狀態變數，T 為 時間常數，K 為增益。

(5)

圖 3 典型的柴油引擎調速系統方塊圖在轉軸模型方面，原動機和旋轉電機之間都會有傳動系統（Transmission System），只是複雜程度不同 而已。圖 4 為一個簡化的雙質量體傳動系統架構圖。此系統可以使用旋轉體一的角位移 θ1和旋轉體二的角位移 θ2表示成一個二階的微分方程式，其自然頻率為(π/2)(K/J1+K/J2)1/2。此系統可以利用狀態方程式表示成 1 1 1 12 12 1 1 1 1 1 1 1 b1 1 1 2 2 2 b2 2 12 2 12 2 2 2 2 2 2 2 0 1 0 0 0 0 0 0 C C C K K 1 1 0 0 J J J J J J p 0 0 0 1 0 0 0 0 C C C 1 1 K K 0 0 J J J J J J τ θ θ τ ω ω τ θ θ τ ω ω ⎡ ⎤ ⎡ ⎢ ⎥ ⎢ ⎤_{⎥ ⎡ ⎤} ⎡ ⎤ _⎢− − − _⎥⎡ ⎤ _⎢ − ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ _⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥₌_⎢ _⎥⎢ ⎥₊_⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ _⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ ₋ ₋ ₋ _⎥⎢ ⎥ _⎢ ₋ ₋ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ _⎢ _⎥⎣ ⎦ _⎢ _⎥⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎣ _⎦ ⎣ ⎦ (5) 其中J1是旋轉體一和耦合器總和的轉動慣量，J2是旋轉體二和耦合器總和的轉動慣量，K1是轉軸一的硬度 係數（Shaft Stiffness），K2是轉軸二的硬度係數，C1是旋轉體一的阻尼係數（Damping Coefficient），C2是旋轉體二的阻尼係數，C12是旋轉體一和旋轉體二連接軸的阻尼係數，τb1是旋轉體一的軸承損失（Bearing Loss），τb2是旋轉體二的軸承損失，K 是 K1與K2的總和[27]。

(6)

2.4 同步發電機模型 同步發電機的電壓方程式參考到轉子軸後可表示成 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 kd md md kd kd kd

v

r

pL

L

pL

L

i

v

L

r

pL

L

pL

v

pL

0 r

pL

0

0 v

0 pL

0 r

pL

i

v

0 pL

r

pL

i

ω

− −

−

⎡ ⎤ ⎡

⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥ ⎢

_{− −}

₋

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

= −

+

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

₋

₊

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

₋

₊

⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣

⎦ ⎣ ⎦

md fd

i

(9) 其中vds、ids是 d 軸定子電壓及電流，vqs、iqs是 q 軸定子電壓及電流，vkq及ikq是 q 軸阻尼繞組電壓及電流， vfd、vkd、ifd以及ikd是激磁繞組電壓、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是定子繞組電阻、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是 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是 d 軸互感及 q 軸互感，p 是微分運算子。此外，同步發電機所產生的電磁轉矩也可表示成 e m d d s fd kd q s m q q s kq

3 T

n L ( i

i

)i

L ( i

i )i

2 ⎡

⎤

=

_⎣

−

+

−

+

_{d s}

_⎦

(10)

其中n 是極對的數目（Number of Pole Pairs）[28,29]。

2.5 激磁系統模型

自 1968 年起 IEEE 就陸續提出激磁系統（Excitation System）的各種動態模型並且廣泛的應用在各種研究[30-33]。激磁系統的基本原理是藉由同步發電機端電壓回授訊號與參考信號相比較後經自動電壓調整器（Automatic Voltage Regulator, AVR）及勵磁機（Exciter）來改變激磁電壓，達到控制端電壓的目的。圖 5 為 IEEE Type 1 激磁系統方塊圖，此系統可以用狀態方程式表示成 R R A A A 1 1 A A A A 2 2 E E 3 3 E E 4 4 5 5 F1 F1 F F F1 F 2 F1 F 2 F 2 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 T T K 1 ₀ ₀ K ₀ K ₀ ₀ ₀ x x T T T T x x ( K S ) ₀ ₀ 1 ₀ ₀ 0 0 0 0 p x x T T x x 1 1 ₀ ₀ ₀ ₀ 0 0 0 0 x x _T T K K 1 ₀ ₀ ₀ ₀ 0 0 0 T T T T T − ⎡ ⎤ ⎡ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎢ − − ⎢ − ⎥ ⎢ ⎡ ⎤ _⎢ _⎥⎡ ⎤ _⎢ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ _⎢ ⎢ ⎥ _⎢ ₋ ₊ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥=⎢ ⎥⎢ ⎥+ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ ₋ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ₋ ₋ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎣ ⎦ T REF 2L 2L 2L v v x x x ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎡ ⎤ ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ _{⎥ ⎣} _⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎦ (11) 2.6 感應電機模型 三相感應電機的電壓方程式參考到靜止軸後可表示成

(7)

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

v

pL

L

r

pL

L

v

L

pL

L

r

pL

i

ω

+

⎡ ⎤ ⎡

⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥ ⎢

₊

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

₌

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

−

+

−

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

₊

⎥ ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎢

⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣

⎦ ⎣ ⎦

i

(12) 其中vqs及iqs分別是 q 軸定子電壓及電流，vds及ids 分別是 d 軸定子電壓及電流，vqr及iqr分別是 q 軸轉子電壓及電流，vdr及idr分別是 d 軸轉子電壓及電流，Lm是磁化電感，p 是微分運算子[28,29]。圖 5 IEEE Type 1 激磁控制系統方塊圖 2.7 三相變壓器模型 三相變壓器的電壓方程式參考到靜止軸後可表示成 q1 1 11 m q1 d 1 1 11 m d 1 q2 m 2 22 q2 d 2 m 2 22 d 2 v r pL 0 pL 0 i v 0 r pL 0 pL v pL 0 r pL 0 v 0 pL 0 r pL i + ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢₌ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ + ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ i i (13) 其中vd1及id1是 d 軸一次側電壓及電流，vq1及iq1是 q 軸一次側電壓及電流，vd2及id2是 d 軸二次側電壓及電流，vq2及iq2是 q 軸二次側電壓及電流，r1及r2是一次側電阻及二次側電阻，L11及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[28,29]。 2.8 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

(8)

0

qk sk sk qk dk sk sk dk

v

r

pL

i

v

r

pL

+

⎡ ⎤ ⎡

₌

⎤ ⎡ ⎤

⎢ ⎥ ⎢

₊

⎥ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ ⎣

⎦ ⎣ ⎦

i

(14) 其中 vdk及idk是 d 軸電壓及電流，vqk及iqk是 q 軸電壓及電流，rsk及 Lsk是電阻及電感，p 是微分運算子 [28,29]。

三、動態特性模擬

3.1 SimPowerSystems 模組架構 圖 6 為使用 SimPowerSystems 開發的模組，主要包括四部分－A 部分為市電系統，B 部分為四套柴油引擎發電系統，C 部份為電動機組，D 部分為三個靜態負載[30,31]。 3.2 模擬時序圖 圖 7 為模擬的時序圖。此模擬的要點為市電系統供電，靜態負載與電動機依序加入運轉，35 秒時柴油引擎發電系統同時加入運轉，總模擬時間 50 秒。系統組件投入後負載容量與供電容量的變化情形列於表 1。圖 6 SimPowerSystems 模組架構圖

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圖 7 模擬時序圖表 1 系統組件投入後負載容量與供電容量變化情形可供電容量(MVA) 實際供電容量(MVA) 時間點 (秒) _市電 _發電系統 _市電 _發電系統負載容量 (MVA) 負載容量/可供電容量 (%) 0 26.0 0 3.00 0 3.00 11.54 5.0 26.0 0 11.25 0 11.25 43.27 10.0 26.0 0 17.25 0 17.25 66.35 15.0 26.0 0 20.50 0 20.50 78.85 25.0 26.0 0 23.75 0 23.75 91.35 35.0 50.0 14.0 9.75 14.0 23.75 37.11 3.3 模擬結果 圖 8~13 為系統變數變動的情形，這些變數都是以個別組件容量為基底表示。此模擬的觀察重點在於市電端重載情況下發電機併聯所產生的動態特性。圖 8(a)、(b)顯示市電端的電壓會因為柴油引擎發電系統的併聯而略微上昇，這是因為市電供應的實功率與虛功率減少了，如圖 8(c)、(d) 所示。圖 9(a)顯示併聯後，系統達到穩定時發電機端電壓約為 1.02pu，這是因為發電機透過變壓器與市電併聯所以端電壓高於 22.8kV 匯流排電壓。圖 9(c)顯示發電機與市電併聯時，轉速的變化量達到 0.04pu，但最後仍能恢復到 1.0pu，轉速變化的原因主要是原動機的輸出功率增加。圖 9(e)、(f)顯示柴油引擎發電系統每部提供約 1.0pu 的實功率與 0.3pu 的虛功率。圖 10~13 顯示感應電動機的轉矩明顯受到端電壓變動的影響，轉速則受到電動機負載的影響較多。圖中也顯示電動機以及靜態負載的電壓、電流、實功率、以及虛功率都受到匯流排電壓變動的影響。

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四、結論與未來研究方向

本論文主要在探討一個工業型電力系統中市電系統重載情況下，四套柴油引擎發電系統併聯造成的影響。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。由模擬結果得知市電變壓器二次側的端電壓因為柴油引擎發電系統的併聯而略微上昇。柴油引擎發電系統與市電併聯後，發電機端電壓略微上昇，因為昇壓變壓器的高壓側與市電變壓器的二次側併聯。發電機與市電併聯時，轉速在暫態之後仍能恢復到同步速度。靜態負載的電壓、電流、實功率、以及虛功率都受到匯流排電壓變動的影響。整體而言，此系統在這種運轉情況下的動態特性是可以接受的。此研究最大的價值是可以做為分散式柴油引擎發電系統與市電併聯的重要依據。附錄分散式柴油引擎發電系統動態模擬資料系統組件 DESG1~DESG4 系統組件 SGTr1~SGTr4 額定功率 (kVA) 3500 額定容量 (kVA) 4000 端電壓 (V) 4160 一次側電壓 (kV) 4.160 額定頻率 (Hz) 60 一次側額定線電流 (A) 555.2 額定線電流(A) 485.8 二次側電壓 (kV) 22.80 定子電阻 (pu) 0.0093 二次側額定線電流 (A) 101.3 定子漏電抗 (pu) 0.1030 一次側電阻 (pu) 0.0037 d 軸磁化電抗 (pu) 1.207 一次側漏電抗 (pu) 0.0250 q 軸磁化電抗 (pu) 0.647 二次側電阻 (pu) 0.0037 磁場電阻 (pu) 0.0012 二次側漏電抗 (pu) 0.0250 磁場漏電抗 (pu) 0.1420 磁化電抗 (pu) 40.00 d 軸阻尼電阻 (pu) 0.0425 連接型式 (pu) Y-D

d 軸阻尼漏電抗(pu) 0.1300 q 軸阻尼電阻 (pu) 0.0280 q 軸阻尼漏電抗(pu) 0.0750 慣性常數 (s-kW/kVA) 1.68 系統組件 SL2Tr 系統組件 SL3Tr 額定容量 (kVA) 5500 額定容量 (kVA) 6500 一次側電壓 (kV) 22.8 一次側電壓 (kV) 22.8 一次側額定線電流 (A) 139.3 一次側額定線電流 (A) 164.6

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二次側額定線電流 (A) 962.3 二次側額定線電流 (A) 902.1 一次側電阻 (pu) 0.0043 一次側電阻 (pu) 0.0040 一次側漏電抗 (pu) 0.0275 一次側漏電抗 (pu) 0.0300 二次側電阻 (pu) 0.0043 二次側電阻 (pu) 0.0040 二次側漏電抗 (pu) 0.0275 二次側漏電抗 (pu) 0.0300 磁化電抗 (pu) 40.00 磁化電抗 (pu) 40.0 連接型式 (pu) D-Yg 連接型式 (pu) D-Yg

系統組件 MTr 系統組件 M1~3 額定容量 (kVA) 11000 額定功率 (kVA) 3250 一次側電壓 (kV) 22.8 端電壓 (V) 6600 一次側額定線電流 (A) 278.6 額定頻率 (Hz) 60 二次側電壓 (kV) 6.60 額定線電流(A) 284.3 二次側額定線電流 (A) 962.3 定子電阻 (pu) 0.0052 一次側電阻 (pu) 0.0044 定子漏電抗 (pu) 0.1097 一次側漏電抗 (pu) 0.0305 磁化電抗 (pu) 3.46 二次側電阻 (pu) 0.0045 轉子電阻 (pu) 0.0255 二次側漏電抗 (pu) 0.0305 轉子漏電抗 (pu) 0.1097 磁化電抗 (pu) 40.00 慣性常數 (s-kW/kVA) 1.1936 連接型式 (pu) D-Yg 系統組件 SL1 系統組件 SL2 實功率(MW) 3.0 實功率(MW) 5.0 虛功率(MVAR) 0.3 虛功率(MVAR) 0.6 系統組件 SL3 實功率(MW) 6.0 虛功率(MVAR) 0.6

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.99 0.992 0.994 0.996 0.998 1 1.002 1.004 1.006 1.008 1.01 時間(秒) IBT r 一次側平均電壓 (a) IBTr 一次側平均電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 時間(秒) IBT r 一次側 A 相電流 (e) IBTr 一次側 A 相電流 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.9 0.95 1 1.05 時間(秒) IBT r 二次側平均電壓 (b) IBTr 二次側平均電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 時間(秒) IBT r 二次側 A 相電流 (f) IBTr 二次側 A 相電流 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時間(秒) IBT r 二次側實功率 (c) IBTr 二次側實功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) MT r 二次側平均電壓 (g) MTr 二次側平均電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時間(秒) IBT r 二次側虛功率 (d) IBTr 二次側虛功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 時間 (秒 ) MT r 二次側 A 相電流 (h) MTr 二次側 A 相電流圖 8 IBTr 與 MTr 系統變數變動情形

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.85 0.9 0.95 1 時間 (秒 ) SG 1 端電壓 (a) DESG1 端電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 時間 (秒 ) SG 1 實功率 (e) DESG1 實功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 時間 (秒 ) SG 1 激磁電壓 (b) DESG1 激磁電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 時間 (秒 ) SG 1 虛功率 (f) DESG1 虛功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.96 0.965 0.97 0.975 0.98 0.985 0.99 0.995 1 1.005 1.01 時間 (秒 ) SG 1 轉速 (c) DESG1 轉速 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) Tr 1 二次側平均電壓 (g) SGTr1 二次側平均電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間 (秒 ) DE 1 輸出功率 (d) DE1 輸出功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 時間(秒) Tr 1 二次側 A 相電流 (h) SGTr1 二次側 A 相電流圖 9 模擬四 DESG1 與 SGTr1 系統變數變動情形

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) MT r 一次側實功率 (a) MTr 一次側實功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 時間(秒) M2 實功率 (e) M2 實功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 時間(秒) MT r 一次側虛功率 (b) MTr 一次側虛功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 時間(秒) M2 虛功率 (f) M2 虛功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 時間(秒) M1 實功率 (c) M1 實功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 時間(秒) M3 實功率 (g) M3 實功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 時間(秒) M1 虛功率 (d) M1 虛功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 時間(秒) M3 虛功率 (h) M3 虛功率圖 10 模擬四 MTr、M1~M3 系統變數變動情形

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -3 -2 -1 0 1 2 時間(秒) M1 轉矩 (a) M1 轉矩 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -3 -2 -1 0 1 2 時間(秒) M2 轉矩 (e) M2 轉矩 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 時間(秒) M1 轉速 (b) M1 轉速 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 時間(秒) M2 轉速 (f) M2 轉速 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -6 -4 -2 0 2 4 6 時間(秒) M1 A 相電流 (c) M1 A 相電流 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -6 -4 -2 0 2 4 6 時間(秒) M2 A 相電流 (g) M2 A 相電流 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) M1 平均電壓 (d) M1 端電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) M2 平均電壓 (h) M2 端電壓圖 11 模擬四 M1 與 M2 系統變數變動情形

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -3 -2 -1 0 1 2 3 時間(秒) M3 轉矩 (a) M3 轉矩 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) SL 1 實功率 (e) SL1 實功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 時間(秒) M3 轉速 (b) M3 轉速 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 時間(秒) SL 1 虛功率 (f) SL1 虛功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -6 -4 -2 0 2 4 6 時間(秒) M3 A 相電流 (c) M3 A 相電流 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) S L1 A 相電流 (g) SL1 A 相電流 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) M3 平均電壓 (d) M3 端電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) SL 1 平均電壓 (h) SL1 平均電壓圖 12 模擬四 M3 與 SL1 系統變數變動情形

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) SL 2 實功率 (a) SL2 實功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間 (秒 ) SL 3 實功率 (e) SL3 實功率 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 x 104 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 時間(秒) SL 2 虛功率 (b) SL2 虛功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 時間 (秒 ) SL 3 虛功率 (f) SL3 虛功率 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) S L2 A 相電流 (c) SL2 A 相電流 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 時間(秒) S L3 A 相電流 (g) SL3 A 相電流 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 時間(秒) S L2T r 二次側平均電壓 (d) SL2Tr 二次側平均電壓 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 時間(秒) S L3T r 二次側平均電壓 (h) SL3Tr 二次側平均電壓圖 13 模擬四 SL2 與 SL3 系統變數變動情形

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市電系統重載情形下分散式柴油引擎發電系統併聯的動態特性分析