分散式柴油引擎發電系統負載順序併聯的動態特性分析

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

分散式柴油引擎發電系統負載順序併聯的動態特性分析

陳泉合1_、陳盟仁1_、吳有基2_、劉國才1_、施欽斌1 1_{國立高雄應用科技大學 電機工程系} 2_{國立聯合大學 電機工程學系} E-mail: [email protected]

摘 要

本研究主要在探討包含風能與柴油引擎的分散式發電系統在負載依序併聯情況下的動態特性。該系統 主要包括市電系統、風能發電系統、柴油引擎、同步發電機、激磁系統、變壓器、感應電動機、以及集總 的靜態負載。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。研究結果顯示此系統在這種運轉模式下的動態特性是合理的並且應 可和實際運轉情形一致。本研究最大的價值是可做此類型系統規劃、運轉、以及擴充的重要參考。 關鍵詞：柴油引擎發電系統、激磁系統、靜態負載、MATLAB/Simulink、SimPowerSystems

1. 前 言

台灣由於天然資源和能源貧乏，約 99%的能源需仰賴進口，導致能源安全度偏低。石油、天然氣和煤 炭是目前國內能源需求的主要項目，因傳統高碳能源都來自國外，所以供應容易受到國際供需、價格波動、 產量變動、和國際能源政治角力的影響。為了因應氣候變遷和能源供應逐漸緊迫等議題，世界各國均積極 發展能源技術，唯有增加自產再生能源的使用比例，才能面對未來嚴峻的能源情勢。再生能源為具有潔淨、 低溫室氣體排放、取之不盡用之不竭的優點，例如太陽能、風力、潮汐能、地熱等，這幾年台灣也積極開 發再生能源，如太陽熱能、太陽光電、風力發電、生質能等綠色產業，以確保能源的穩定供應及有效提高 能源生產力，進而提升國家競爭力。根據經濟部能源局的規劃，再生能源的總裝置容量將在2025 年達到全 國裝置容量 15%，台電對此也進行再生能源的發展評估，其中太陽能、風能、小水力、生質能發電等均為 發展重點。到民國一百年為止，台灣再生能源（含慣常水力）裝置容量為2,608MW，佔系統裝置容量 6.3%， 與經濟部能源局的規劃明顯還有相當大的成長空間[1],[2]。 在以傳統能源發電進步到再生能源發電的電力系統發展進程中，目前在許多開發中國家或是地處偏 遠、離島之地區依然缺乏電力之供給，這些國家或地區由於尚未進入到工業發展階段，或是離島無法與大 電網連結，即使建置長成輸電線路進行供給也不符合經濟效益等，所以早期大都以傳統之柴油發電機供給 所需。在許多偏遠或離島地區，一般中心電廠所發出之電力難以傳輸到這些地方，因此最常在這些區域始 用的發電技術就是柴油引擎發電。主要原因是因為柴油引擎裝置具有設備費低廉、啟動容易、建廠期間短 及電壓、頻率調節穩定等優點，若再配合其他分散式發電系統，加上氣候等因素考量，使分散式系統效率 提高，使其可以達到節省燃料成本。其裝置目的可分為常用、緊急用，又依裝設型態可分為固定式和移動 式[3]。 在柴油引擎混合式發電系統相關的研究方面，文獻[4]探討一個有風能高佔比的獨立型島嶼電力系統的 電力品質問題，並且指出柴油引擎的轉矩變動是電壓閃爍的主要來源。文獻[5]提出一個獨立型風能-柴油混 合式電力系統的自動無效功率控制策略。該系統包括有永磁式發電機的風能發電系統與有同步發電機的柴 油引擎發電系統。文獻[6]討論微電網中分散式電源和傳統發電機之間穩定度問題，並研究了當孤島現象發

生時互相的影響。文獻[7]模擬柴油引擎與變速型風力機組成的混合式系統的動態特性並且證實透過頻率的 控制可以改善電力品質。文獻[8]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、虛功率的改善、減少風力發電機輸出損失等問題。 本研究主要在探討包含風能與柴油引擎的分散式發電系統在負載依序併聯情況下的動態特性。該系統 主要包括市電系統、風能發電系統、柴油引擎、同步發電機、激磁系統、變壓器、感應電動機、以及集總 的靜態負載。本研究最大的價值是可做此類型系統規劃、運轉、以及擴充的重要參考。

2. 包含風能與柴油引擎的分散式發電系統

2.1 系統架構 圖1 為包含風能與柴油引擎的分散式發電系統架構。此系統的組件包括市電系統（Grid）、風能發電系 統（Wind Turbines）、柴油引擎（Diesel Engine）、同步發電機（Synchronous Generator）、激磁系統（Excitation System）、變壓器（Power Transformer）、感應電動機（Induction Motor）、以及集總的靜態負載（Lumped Static Load）。 圖1 包含風能與柴油引擎的分散式發電系統架構 2.2 柴油引擎模組 圖 2(a)為柴油引擎模組圖像，輸入端為轉速參考值(wref)、轉速(wm)、電功率參考值(Pref)。輸出端為 機械功率(Pm)。圖 2(b)為模組內部架構，包含了控制器、促動器和引擎時間延遲等模組[9]。 2.3 同步發電機模組 圖3 為同步發電機模組圖像和參數視窗。輸入端 Pm 為原動機機械功率，Vf 為激磁電壓，輸入端 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。此內建模組可選擇轉子形式(Rotor type)，有 圓型(Round)轉子和凸極式(Salient-pole)轉子可供選擇。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(Rkql)、q 軸阻尼漏電感(Llkql)、慣性常數(H)、轉 軸阻尼係數(F)、極對(p)、和初始條件(Inititial conditions)[10],[11]。 2.4 激磁系統模組 圖 4(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)，輸出端為激磁電壓(Vf)。圖 4(b)為參數視窗。圖 3(c)為模組內部架構。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)、時間常數(Te)、暫態增益衰減 常數(Tb)和(Tc)、阻尼率波器增益(Kf)、時間常數(Tf)、調節器輸出限制(Efmax,Efmin)、調節器輸出增益(Kp) 和電壓初始值(Initial values)[12]-[15]。 (a)圖像 (b)模組內部架構 圖2 柴油引擎模組 (a)圖像 (b)參數視窗 圖3 同步發電機模組圖像和參數視窗

(a)圖像 (b)參數視窗 (c)內部架構 圖4 激磁系統模組 2.5 靜態負載模組 圖 5-7 為靜態負載模組圖像與內部架構。此模組主要目的在於將靜態負載模組和其他模組如斷路器模 組及變壓器模組等結合，進而呈現出多種不同的負載形式。圖 5 的組件由左至右依序為三相電源輸入，電 壓、電流和功率量測模組，斷路器模組，靜態負載模組。圖 6 的組件由左至右依序為三相電源輸入，功率 量測模組，變壓器模組，電壓、電流量測模組，斷路器模組，靜態負載模組。圖 7 的組件由左至右依序為 三相電源輸入，功率量測模組，變壓器模組，電壓、電流量測模組，斷路器模組，電動機模組及靜態負載 模組[10],[11]。

(a)圖像 (b)內部架構 圖5 負載模組型式一的圖像與內部架構圖 (a)圖像 (b)內部架構 圖6 負載模組型式二的圖像與內部架構圖 (a)圖像 (b)內部架構 圖7 負載模組型式三的圖像與內部架構圖

2.6 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8(a)為三相變壓器模組圖像。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。圖8(b)為參數視窗，此模組的參數包括額定容量(Pn)、頻率(fn)、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)[10],[11]。 (a)圖像 (b)參數視窗 圖8 三相變壓器模組圖像與參數視窗

3. 動態特性模擬

3.1 SimPowerSystems 模組 圖 9 為柴油引擎發電系統與負載的 SimPowerSystems 模組架構圖，主要包括四部份－A 部份是柴油引 擎發電系統，B 部份是變壓器，C 部份是靜態負載，D 部份是電動機負載。

圖9 柴油引擎發電系統與負載的 SimPowerSystems 模組架構圖

3.2 模擬順序

圖10 為模擬時序圖。由圖中可看出負載順序加入，總模擬時間 40 秒。

3.3 模擬結果

此模擬主要目的是了解柴油引擎發電系統在負載依序加入後系統變數變動情形。由圖11(a)~圖 11(h)可 看出發電機的激磁電壓、機械功率、電流、實功率以及虛功率會隨著負載增加而增加，並有程度不同的暫 態響應，暫態的大小和持續時間和組件的容量及參數有關。圖 11(a)、11e 顯示端電壓和平均電壓因負載的 依序加入，而有不同的暫態響應，但隨即又恢復穩定的電壓輸出。圖11(c)顯示轉速因慣性的緣故，並沒因 為負載的依序加入而有過多的改變。圖 11(i)~圖 11(l)靜態負載的實功率、以及虛功率都受到匯流排電壓變 動的影響。

4. 結 論

本研究主要在探討包含風能與柴油引擎的分散式發電系統在負載依序併聯情況下的動態特性。該系統 主要包括市電系統、風能發電系統、柴油引擎、同步發電機、激磁系統、變壓器、感應電動機、以及集總 的靜態負載。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法規規定。 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。

參考文獻

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[15] IEEE Committee Report, “Computer Models for Representation of Digital-Based Excitation Systems,” IEEE Transaction on Energy Conversion, vol. 11, no. 3, pp. 607-615,1996

(a) SG1 端電壓 (e) SG1 平均電壓 (i) SL2 實功率

(b) SG1 激磁電壓 (f) SG1 平均電流 (j) SL2 虛功率

(c) SG1 轉速 (g) SG1 實功率 (k) SL3 實功率

(d) SG1 機械功率 (h) SG1 虛功率 (l) SL3 虛功率 圖11 系統變數變動情形