鑽油平台發電系統與市電系統併聯的特性分析
張銘津1、陳盟仁2、呂世彬2、林堉仁3 1府城電機補習班 2國立高雄應用科技大學電機工程系 3義守大學電機系 E-mail : [email protected]摘 要
本論文主要在探討在一個鑽油平台發電系統與市電併聯的動態特性。研究架構主要包括市電系統、兩 套氣輪發電系統、感應電動機組、三個集總的靜態負載以及其他組件。研究範圍除包含了系統組件的數學 模型推導、相對應的 SimPowerSystems 模組開發、以及進一步的動態特性模擬與分析。模擬結果顯示負載 加入對發電機系統造成某種程度的影響、兩個系統併聯時產生值得深入探討的暫態現象。本研究最大的價 值是可做為此類型系統與市電併聯的重要參考。 關鍵詞：鑽油平台發電系統、市電系統、併聯、數學模型、SimPowerSystems1. 前 言
由於氣輪機的輸送安裝時間較短而且啟動快速，不像蒸汽動力廠的設置、啟動需要較長時間，因此非 常適合在尖峰負荷時供應電力，也極適合用於緊急狀況下的電力支援例如電廠電力設備損壞、電力輸送線 中斷、或水力發電廠無法操作供電時。目前航空類型的氣輪機已經被廣泛地作為發電機的原動機，此類型 氣輪機完全自動的起動能力和快速起動運轉的特性，除了作為電力系統的基載外，更適用於尖峰負荷和備 用的電源。就大小尺寸，重量和對大範圍燃料(從天然氣到原油或殘餘油)的適應性而論，氣輪發電機是優於 其他形式的發電機。此外，近代離岸石油工業的鑚油平台，相當多數量的氣輪發電機組被安裝在石油天然 氣的生產平台上，因平台上電力負載的增加，使得氣輪發電機的容量逐漸地增加，此離岸的鑚油平台通常 是獨立型發電的電力系統，為提供系統的穩定運轉，有關氣輪發電機組和其他組件的設計規劃、操作運轉 方面值得深入探討。 在氣輪發電相關的文獻方面，除了一些書籍針對氣輪發電系統的原理及組件有廣泛的介紹外，許多研 究論文也對氣輪發電系統的各個領域做深入的探討。首先，在氣輪發電系統的穩定度方面，Hung 提出因故 障導致的系統擾動或負載的波動引起發電系統的不穩定，進行研究系統的響應和改進相關的控制系統，開 發準確的系統模組[1]。Doughty 等人提出氣輪機在汽電共生廠電力的研究，該研究主要包括系統組件的模 組、負載潮流與短路、穩定度、以及模擬在低電壓與頻率降低狀況下的動態特性[2]。Bagnasco 等人提出複 循環發電廠的動態特性分析，主要著重於氣輪機的模組架構，包括調速控制、溫度控制和渦輪葉控制等利 用軟體來進行模擬，探究其系統的穩定度[3]。Sharma 把獨立的小型發電系統模組化來研究其動態特性[4]。 Paine 針對以氣輪發電為主的複循環系統的操作運轉提出許多重要的技術探討[5]。Shilling 針對獨立發電系 統的大容量負載在低頻下電力暫態穩定度做特性分析[6]。 其次，在氣輪機的模組方面，Hajagos 等人提出氣輪機的完整模組架構及詳細的各項參數的設定，以類 比電子調速控制與數位電子調速控制分別進行實際模擬驗證分析[7]。Chiras 等人闡述利用 NARMAX 模組 架構的非線性氣輪機，以時域和頻域分析進行驗證[8]。Nagpal 等人利用氣輪機模組的試驗與驗證，來呈現 ©2010 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851氣輪機的調速系統的動態特性[9]。Hannett 等人提出氣輪機模組利用實驗模擬加以驗證[10]。Maslo 等人針 對各種原動機模組進行分析[11]。Evans 等人利用頻域技術驗證氣輪機模組的特性[12]。Nern 等人對於氣輪 發電廠的模組作長時期的模擬研究其動態特性[13]。 本論文主要在探討鑽油平台發電系統與市電併聯的動態特性。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 是可做為氣輪發電系統與市電併聯的重要參考。
2. 系統架構與模組開發
2.1 系統架構 圖1 為此研究所使用的系統架構圖。此系統的組件包括市電(Grid)、氣輪機(Gas Turbine)、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)。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[14]。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[15]。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。 2.3 氣輪機模組 圖2(a)為氣輪機模組圖像，輸入端為參考轉速(wref)、同步發電機轉速(wr)、燃料輸入(F)、以及參考功 率(Pref)，輸出端為機械功率(Tout)。圖 2(b)為模組內部架構，包含調速系統、燃料系統、以及渦輪機等模 組。圖3 為氣輪機功率特性模組圖像與參數視窗。此模組的輸入為燃料流量與轉速，輸出為轉矩。 (a)圖像 (b)內部架構 圖2 氣輪機模組圖像與內部架構圖 (a)圖像 (b)參數視窗 圖3 氣輪機功率特性模組圖像與參數視窗 2.4 同步發電機模組 圖4 為標準型同步發電機圖像與參數視窗。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。此模組也可選擇轉子型式(Rotor type)為 圓形(Round)轉子或是凸極式(Salient-pole)轉子。輸入參數包括轉子型式(Rotor type)、額定容量(Pn)、線電壓 (Vn)、頻率(fn)、d 軸電抗(Xd)、d 軸暫態電抗(Xd’)、d 軸次暫態電抗(Xd”)、q 軸電抗(Xq)、q 軸次暫態電抗
(Xq”)、漏電抗(Xl)、d 軸及 q 軸時間常數(Td0’, Td0”, Tq”)、定子電阻(Rs)、慣量常數(H)、機械阻尼係數(F)、 極對(p)、以及初始條件(Init. cond.)。 (a)圖像 (b)參數視窗 圖4 標準型同步發電機模組圖像與參數視窗 2.5 激磁系統模組 圖 5(a)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)、穩定器信 號(vstab)，輸出為激磁電壓(Vf)。圖 5(b)為參數視窗。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)。
(a)圖像
(b)參數視窗 圖5 激磁系統模組
2.6 三相感應電動機模組
圖6 為三相感應電動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。此模組可依感應電動機型式而設定 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)。 (a)圖像 (b)參數視窗 圖6 三相感應電動機模組圖像與參數視窗 2.7 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)。
(a)圖像 (b)參數視窗 圖7 三相變壓器模組圖像與參數視窗 2.8 靜態負載模組 圖8 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)。 (a)圖像 (b)參數視窗 圖8 靜態負載模組圖像與參數視窗
3. 動態模擬
3.1 SimPowerSystems 模組架構 圖9 為使用SimPowerSystems 開發的模組，主要包括五部分－A 部分為氣輪發電系統，B 部分為 69kV 市電，C 部分為變壓器與靜態負載，D 部分為感應電動機，E 部分為併聯控制器。圖9 SimPowerSystems 模組架構圖
3.2 模擬時序圖
圖10 為此模擬的時序圖，由圖中可看出氣輪發電系統與 69kV 市電分別獨立運轉，負載順序加入後， 18 秒時在匯流排 1 併聯，氣輪發電機切換為固定輸出功率 0.7pu。總模擬時間 30 秒。
3.3 模擬結果 圖11、12 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。因為兩套氣輪發 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氣輪發電系統的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。同樣地電動機組與靜態負載的電壓、電流、實功率、以及虛功率都受 到電壓和頻率變動的影響。氣輪發電系統與市電併聯時電壓、頻率都有明顯的暫態發生，值得進一步探討， 其它系統組件的狀態變數也有明顯的變化。此外，由於氣輪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5%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。
4. 結 論
本論文主要在探討在一個鑽油平台電系統與市電併聯的動態特性。研究架構主要包括市電系統、兩套 氣輪發電系統、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。模擬結果顯示負 載加入對發電機系統造成某種程度的影響、兩個系統併聯時產生值得深入探討的暫態現象。本研究最大的 價值是可做為此類型系統與市電併聯的重要參考。參考文獻
[1] W.W. Hung, “Dynamic Simulation of Gas-Turbine Generating Unit,” IEE Proceedings C-- Generation, Transmission and
Distribution, Vol. 138, Issue 4, pp.342-350, July 1991.
[2] R.L Doughty, L. Gise, E.W. Kalkstein, and R.D Willoughby, “Electrical Studies for an Industrial Gas Turbine Cogeneration Facility,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 25, Issue 4, pp.750-765, July-Aug. 1989. [3] A. Bagnasco, B. Delfino, G.B. Denegri, and S. Massucco, “Management and Dynamic Performances of Combined Cycle
Power Plants During Parallel and Islanding Operation,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 13, Issue 2, pp.194-201, June 1998.
[4] C. Sharma, “Modeling of an Island Grid,” IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 13, Issue 3, pp.971-978, Aug 1998. [5] D.M. Paine, “Increasing the Electrical Output of a Cogeneration Plant,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.
38, Issue 3, pp.726-735, May-June 2002.
[6] S.R. Shilling, “Electrical Transient Stability and Underfrequency Load Shedding Analysis for a Large Pump Station,”
IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 33, Issue 1, pp.194-201, Jan-Feb 1997.
[7] L.M. Hajagos and G.R. Berube, “Utility Experience with Gas Turbine Testing and Modeling,” IEEE Power Engineering
Society Winter Meeting, Vol. 2, pp.671-677 , 2001.
[8] N. Chiras, C. Evans, and D. Rees, “Nonlinear Gas Turbine Modeling Using NARMAX Structures,” IEEE Transactions on
Instrumentation and Measurement, Vol. 50, Issue 4, pp.893-898, Aug. 2001.
[9] M. Nagpal, A. Moshref, G.K. Morison, and P. Kundur, “Experience with Testing and Modeling of Gas Turbines,” IEEE
Power Engineering Society Winter Meeting, Vol. 2, pp.652-656, 2001.
[10] L.N. Hannett, A.H. Khan, “Combustion Turbine Dynamic Model Validation from Tests,” IEEE Transactions on Power
Systems, Vol. 8, Issue 1, pp.152-158, Feb 1993.
[11] K. Maslo, J. Andel, “Gas Turbine Model Using in Design of Heat and Power Stations,” IEEE Porto Power Tech
Proceedings, Vol. 4 , pp.6/1-6/6, 2001.
[12] Evans, A. Borrell, D. Rees, “Validation of Thermodynamic Gas Turbine Models Using Frequency-Domain Techniques,”
IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Vol. 2, pp.993-998, 1998.
[13] H.J. Nern, H. Kreshman, F. Fischer, H.A. Nour Eldin, “Modelling of the Long Term Dynamic Performance of a Gas Turbo Generator Set,” Proceedings of the Third IEEE Conference on Control Applications , Vol. 1, pp.491-496, 1994. [14] Using Simulink, The Mathworks Inc., 2005.
(a)GTG1 的輸出功率 (g)Generator Bus 的端電壓 (m)Bus 1 的端電壓
(b)GTG1 的轉速 (h)Generator Bus 的實功率 (n)Bus 1 的實功率
(c)GTG1 的電磁功率 (i)Generator Bus 的虛功率 (o)Bus 1 的虛功率
(d)GTG1 的端電壓 (j)IBTR Bus 的端電壓 (p)IBSL 的端電壓
(e)GTG1 的激磁電壓 (k)IBTR Bus 的實功率 (q)IBSL 的實功率
(f)GTG1 的 A 相電流 (l)IBTR Bus 的虛功率 (r)IBSL 的虛功率
(a)Motor 1 的 A 相電流 (g)Motor 1 的轉矩 (m) Motor 4 的轉矩
(b)Motor 2 的 A 相電流 (h)Motor 1 的轉速 (n) Motor 4 的轉速
(c) Motor 3 的 A 相電流 (i)Motor 2 的轉矩 (o) Motor 5 的轉矩
(d) Motor 4 的 A 相電流 (j)Motor 2 的轉速 (p) Motor 5 的轉速
(e )Motor 5 的 A 相電流 (k)Motor 3 的轉矩 (q) Motor 6 的轉矩
(f) Motor 6 的 A 相電流 (l) Motor 3 的轉速 (r) Motor 6 的轉速
