市電切離導致風能-小水力混合式系統不穩定情形分析
盧欣玫1、陳盟仁2、林堉仁3、林錦章4、呂世彬2 1立景光電股份有限公司 2國立高雄應用科技大學電機工程系 3義守大學電機系 4金陽機電工程有限公司 E-mail: [email protected]摘 要
本論文主要在探討市電併聯型風能-小水力混合式同步發電系統在發生故障後市電切離情形下的動態特 性。研究對象為一個與市電併聯的風能-小水力混合式同步發電系統，這個系統的組件包括市電系統、水輪機與 調速系統、風力機、同步發電機與激磁系統、三相變壓器、功因補償電容器、以及靜態負載等。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結，接 著進行動態特性模擬與分析。模擬結果顯示，在這種運轉模式下系統會發生不穩定。此研究最大的價值是可以 做為類型系統規劃、運轉、以及擴充的重要依據。 關鍵詞：風能-小水力混合式系統、不穩定、水輪機、風力機、同步發電機。1. 前 言
由於世界各國工業發達，導致大量的溫室氣體產生，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。有鑑於此，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 定的國家已超過140 個[1]。 根據統計，全球在再生能源發電方式中，風能發電的潛力相當雄厚。在風能發電方面，根據IEA 的統計， 至2009 年底，全球風能發電裝置容量約為 120.8GW，近十二年的平均成長率達到 28%[2]。此外，在小水力發 電方面，根據世界能源委員會(WEC)調查報告顯示，全世界小水力發電(僅統計裝置容量 10MW 以下)的潛力為 70,857MW[3]。自民國 94 年「第二次全國能源會議」以來，我國積極研訂二氧化碳管制機制，目標在於至 2015 年底減少3,800 萬公噸，2020 年減少 5,868 萬公噸，2025 年減少 7,841 萬公噸。在再生能源推廣利用方面，2010 年裝置容量達5,130MW，2020 年達 7,000~8,000MW，2025 年達 8,000~9,000MW，以達成總裝置容量占比 12% 或能源結構占比4~6%為目標[4]。目前我國再生能源發電(不計大型水力)約佔總容量的 1%，要達成這項目標， 發展風能、小水力及其他再生能源發電是我國推行綠色產業的重要關鍵。 有關風能發電、小水力發電的研究很多，然而針對風能-小水力混合式發電系統動態性的研究卻相當有限。 在風能-小水力混合式發電系統相關文獻方面，Karlis 等人利用軟體模擬一個風能-小水力-太陽能-柴油引擎混合 式發電系統的動態特性並且實驗證實結果的合理性[5]。Fan 等人介紹利用軟體模擬風能-小水力混合式發電系統 穩定度的方法，並且研究了一個位於中國新疆的風能-小水力混合式發電系統的穩定度[6]。Soder 提出一種用於 分析風能-水力-熱能混合式電力系統備轉容量的方法[7]。Contaxis 等人提出一個用來計算包括風能和抽蓄式發電 系統的大型系統中最佳電力潮流分佈的方法[8]。Castronuovo 等人利用儲水系統來改善風能發電系統運轉的經濟 ©2010 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851性並且減少風速不佳時無效功率變動的情形[9]。Pandiaraj 等人利用一種有效的頻率及電壓感測裝置來對風能和 小水力等系統進行負載控制而達到較佳的穩定度[10]。Blaabjerg 等人針對電力電子裝置在再生能源發電系統如 風能和小水力等的應用做總體介紹[11]。 本論文主要在探討與市電併聯的風能-小水力混合式同步發電系統在發生故障後市電切離情形下的動態特 性。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 系統架構連結，接著進行動態特性模擬與分析。此研究最大的價值是可以做為此類型系統規劃、運轉、以及擴 充的重要依據。
2. 市電併聯型風能-小水力混合式發電系統數學模型
2.1 系統架構 圖1 為本研究所使用的系統架構，主要包括市電系統、三套風能發電系統、兩套小水力發電系統、變壓器、 以及集總的靜態負載(Lumped static load)。圖1 市電併聯型風能-小水力混合式同步發電系統架構 2.2 軟體工具
本論文的模擬是利用建構在MATLAB 環境下的模擬軟體 Simulink 來完成的。在 Simulink 環境下有許多不 同領域的工具箱，例如電力系統工具箱(SimPowerSystems)、航空學工具箱(Aerospace Blockset)、數位訊號處理 工具箱(DSP Blockset)、通訊系統工具箱(Communications Blockset)、模糊邏輯工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)、神 經網路工具箱(Neural Network Blockset)等可運用在許多的動態模擬[12]。本論文主要是使用 SymPowerSystems， 在該工具箱中內建了許多常用的電力系統模組，可以方便的運用在電力系統的各種動態模擬[13]。此外，該工具 箱也可以與使用者自行開發的模組相容，以滿足各種不同模擬的需求[14-16]。
2.3 基本模組
2.3.1 水輪機與調速器模組
同步發電機電功率(Pe)、以及轉速變化值(dw)，輸出端為機械功率(Pm)。圖 2b 為水輪機與調速器模組內部架構， 包含了水輪機、伺服馬達、以及PID 控制器等模組，架構圖分別如圖 2c~e 所示。圖 2f 為參數視窗，包括伺服 馬達參數(ka, Ta)、水閘門上下限(gmin, gmax, vgmin, vgmax)、控制器參數(Rp, Kp, Ki, Kd, Td)、水輪機參數(beta, Tw)、初始機械功率(Initial mechanical power)等。此模組與上一節的小水輪機功率特性模組不同之處在於此模 組包含了調速器和控制器，屬於閉迴路控制方式，較適用於同步發電系統架構。 (a) 模組圖像 (b) 模組內部架構 (c) 水輪機模組 (d) 伺服馬達模組 (e) PID 控制器模組 (f) 參數視窗 圖2 水輪機與調速器模組 2.3.2 風力模組與風力機功率特性模組 風力模組主要目的是將風速以模組方式呈現出來。風速變化具有隨機性，在 Simulink 中恰好有合適的的 模組可以用來呈現這種特性。圖3 為風力模組的圖像及參數視窗。只要輸入適當的參數即可產生隨機的風速， 做為風力機功率特性模組的輸入。接著，利用迴歸分析法將風力機的特性曲線轉換成代數方程式後，即可建立 成模組供模擬使用。
圖
3
風力模組圖像與參數視窗 2.3.3 同步發電機模組同步發電機模組，提供了基礎型(Fundamental type)和標準型(Standard type)兩種輸入參數的方式。 圖4 為基礎型同步發電機模組的圖像與參數視窗。輸入端 Pm 為原動機機械功率，Vf 為激磁電壓，輸出 端 A、B、C 為定子三相電壓，m_pu 為輸出資料端，可連接到量測元件。此模組可選擇轉子型式(Rotor type) 為圓形(Round)轉子或是凸極式(Salient-pole)轉子。輸入參數包括額定容量(Pn)、線電壓(Vn)、頻率(fn)、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(Llfd)、d 軸阻 尼電阻(Rkd)、q 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(H)、轉軸阻尼 係數(F)、極對(p)、以及初始條件(Init. cond.)。 圖4 基礎型同步發電機模組圖像與參數視窗 2.3.4 三相感應發電機模組 圖5 為三相感應發電機模組圖像與參數視窗。輸入端 A、B、C 為定子三相電壓，輸出端 a、b、c 為轉子 側接點，Tm 為輸入機械轉矩，m 為輸出資料端，可連接到量測元件。此模組可依感應發電機型式而設定不同 的參數，包括轉子型式(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)。
圖5 三相感應發電機模組圖像與參數視窗 2.3.5 激磁系統模組
圖 6 為激磁系統模組圖像與參數視窗，輸入端分別為電壓參考值(vref)、d 軸電壓(vd)、q 軸電壓(vq)、穩 定器信號(vstab)，輸出為激磁電壓(Vf)。此模組的參數包括低通濾波器時間常數(Tr)、調節器增益(Ka)、調節器 時間常數(Ta)、激磁機增益(Ke)、及時間常數(Te)、暫態增益衰減常數(Tb, Tc)、阻尼濾波器增益(Kf)、時間常 數(Tf)、調節器輸出限制(Efmax, Efmin)、調節器輸出增益(Kp)、以及初始值(Initial values)。
圖6 激磁系統模組 2.3.6 三相變壓器模組 三相變壓器模組可選擇各種結線方式，包括Δ-Δ、Y-Δ、Δ-Y、Y-Y、Yn-Δ、Δ-Yn、Yn-Y、Y-Yn 等幾種。 圖7 為三相變壓器模組圖像與參數視窗。輸入端 A、B、C 為變壓器一次側三相電壓，輸出端 a、b、c 為二次 側三相電壓。此模組的參數包括額定容量(Pn)、頻率(fn)、一次側繞組結線方式(Winding 1 connection)、一次側 繞組線電壓(V1 Ph-Ph)、一次側繞組電阻(R1)、一次側繞組漏電感(L1)、二次側繞組結線方式(Winding 2 connection)、二次側繞組線電壓(V2 Ph-Ph)、二次側繞組電阻(R2)、二次側繞組漏電感(L2)、磁化電阻(Rm)、以 及磁化電感(Lm)。
圖7 三相變壓器模組圖像與參數視窗 2.3.7 功因補償電容器模組
圖
8 為功因補償電容器模組圖像與與參數視窗。輸入端 A、B、C 為三相電壓。此模組
的參數包括額定線電壓(Vrms)、額定頻率(fn)、電阻性負載(P)、電感性負載(Ql)、以及電容性
負載(Qc)。
圖8 功因補償電容器模組圖像與參數視窗 2.3.8 靜態負載模組 圖 9 為靜態負載模組圖像與與參數視窗。輸入端 A、B、C 為三相電壓。此模組的參數包括額定線電壓 (Vrms)、額定頻率(fn)、電阻性負載(P)、電感性負載(Ql)、以及電容性負載(Qc)。圖9 靜態負載模組圖像與參數視窗
3. 風能-小水力混合式同步發電系統動態模擬
3.1 模擬程序 動態模擬的第一個步驟是確認系統架構。系統架構可以是實際運轉的系統、經由專家如電機技師認可的系 統、或是學理上的系統，因為研究這幾種系統都有不同的意義。第二個步驟是確定要觀察的系統變數。第三個 步驟是整理系統組件的參數。第四個步驟是規劃模擬項目，亦即，系統的運轉模式。第五個步驟是開發模組並 且進行模擬。第六步驟是整理模擬結果並且加以評論。 3.2 SimPowerSystems 模組架構 圖10 為使用SimPowerSystems 開發的模組，主要包括五部分－A 部分為市電系統，B 部分為風能發電系統 與一個負載，C 部分為小水力同步發電系統與變壓器，D 部分為三個負載，E 部分為併聯控制器。 3.3 時序圖 圖11 為此模擬的時序圖。由圖中可看出小水力同步發電系統與風能感應發電系統分別獨立運轉，負載順序 加入，18 秒時兩個系統併聯，25 秒時在 IB Bus 發生相間短路故障，25.3 秒時故障排除，69kV 電源切離，總模 擬時間30 秒。 3.4 模擬結果與評論 圖12、13 為系統變數變動的情形，所有的變數都以個別組件的容量為標么基底表示。因為兩套小水力發電 系統的參數都相同，因此僅顯示其中一套的特性。 由模擬結果可看出併聯之前小水力同步發電系統的系統變數隨著負載加入而有程度不同的暫態響應，暫態 的大小和持績時間與組件的容量以及參數有關。同樣地，風能發電系統雖然有穩定的電源，隨著負載的加入也 有程度不同的暫態響應。由模擬結果也可看靜態負載的電壓、電流、實功率、以及虛功率都受到電壓和頻率變 動的影響。此外，小水力同步發電系統與風能發電系統併聯時有明顯的暫態發生，系統組件的狀態變數也有明 顯的變化。併聯之後，由於小水力發電系統的運轉模式由原來具有負載追隨性變成固定功率輸出，使得發電機 轉速發生大約有 3%的振盪，這也導致其它系統變數的變動，在數秒之後趨於穩定。故障發生時，市電側約有 12pu 的故障電源；11.4kV 匯流排電壓降至 0.5pu，導致感應發電機與負載有相當程度的暫態發生；同步發電機 則因為這個壓降而增加大量的激磁電壓。故障排除後，因為市電切離，使得同步發電機發生嚴重過載而導致轉速下降造成端電壓過低；風能發電系統也因為端電壓太低而造成不穩定。
整體而言，風能-小水力混合式發電系統在這種運轉模式下的動態特性是合理的。
圖10 SimPowerSystems 模組架構圖
4. 結 論
本論文主要在探討與市電併聯的風能-小水力混合式同步發電系統在發生故障後市電切離情形下的動態特 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 態特性模擬分析。由於風能-小水力混合式同步發電系統包含了兩個不同性質的系統，所以動態特性較複雜。模 擬結果顯示故障之後市電切離造成同步發電機過載導致系統頻率下降，最終發生不穩定。整體而言，此風能-小 水力混合式同步發電系統在這種運轉情況下的動態特性是合理的。此研究最大的價值是可以做為此類型系統規 劃、運轉、以及擴充的重要依據。參考文獻
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(a) IBTr 的一次側實功率 (g) SL2 的實功率 (m) SG1 的端電壓
(b) IBTr 的一次側虛功率 (h) SL2 的虛功率 (n) SG1 的激磁電壓
(c) IBTr 的一次側平均電壓 (i) SL3 的實功率 (o) SG1 的轉速
(d) SL3Tr 的二次側平均電壓 (j) SL3 的虛功率 (p) HT1 的輸出功率
(e) SL1 的實功率 (k) SL4 的實功率 (q) SG1 的實功率和虛功率
(f) SL1 的虛功率 (l) SL4 的虛功率 (r) SGTr 的一次側實功率 圖12 市電、負載、以及小水力發電系統的變數變動情形
(a) WT1Tr 的一次側實功率 (g) WT2Tr 的一次側實功率 (m) WT3Tr 的一次側實功率
(b) WT1Tr 的一次側虛功率 (h) WT2Tr 的一次側虛功率 (n) WT3Tr 的一次側虛功率
(c) WT1Tr 的二次側平均電壓 (i) WT2Tr 的二次側平均電壓 (o) WT3Tr 的二次側平均電壓
(d) WT1 的風速 (j) WT2 的風速 (p) WT3 的風速
(e) WT1 的輸出功率 (k) WT2 的輸出功率 (q) WT3 的輸出功率
(f) WTIG1 的轉速 (l) WTIG2 的轉速 (r) WTIG3 的轉速 圖13 風能發電系統 WECS1~WECS3 的變數變動情形
