風能－小水力混合式同步發電系統動態特性分析

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風能－小水力混合式同步發電系統動態特性分析

盧欣玫、陳盟仁、林錦章、陳海強 國立高雄應用科技大學電機工程系 E-mail: [email protected]

摘要

本論文主要在探討風能－小水力混合式同步發電系統在正常及系統故障情形下的動態特性。研究對象為一個風能－小水力混合式同步發電系統，這個系統的組件包括水輪機與調速系統、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，在這兩種運轉模式下系統的動態特性都是可以接受的，並且應可和實際運轉情形一致。此研究最大的價值是可以做為系統規劃、運轉、以及擴充的重要依據。關鍵詞：風能－小水力混合式同步發電系統、動態特性分析、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]。台灣約 98%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 2005 年通過的「日本京都議定書」，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，以善盡地球村一份子的職責，促成全球永續性的經濟發展。因此，台灣除

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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。根據統計，全球在再生能源發電方式中，風能發電及小水力發電的潛力都相當雄厚。在風能發電方面，根據IEA 的統計，至 2004 年底，全球風能發電裝置容量約為 47,864MW，並且以每年接近 28%的速度在成長，所發出來的電量足以供應台灣地區三分之一以上的電量需求，由此可見發風能發電受重視的程度[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]。根據民國 87 年「全國能源會議」結論，我國將積極推動新能源及淨潔能源的開發利用，努力的目標是希望 2020 年再生能源發電佔發電總裝置容量配比達 10％以上[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。在各種再生能源中，風能是其中一種不會產生任何有害廢物也不排放溫室氣體的乾淨能源。風能發電幾乎不會排放二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物及懸浮微粒等污染物，能維持空氣、水、以及土壤的品質。與傳統燃煤發電方式相比較，風能發電每度電能減少引發溫室效應的主兇二氧化碳的排放量約 1 公斤。根據歐洲風能協會估算，依目前的風能發電量，歐洲每年可節省約1600 萬噸煤，換算成減少的二氧化碳排放量約 2400 萬噸，在環境的保護與改善方面功不可沒[5]。早在80 年代，我國工研院能資所就接受能源委員會的委託，投入風力發電系統研發，開發完成4kW、40kW、及 150kW 的風力機，當時的研發進度與丹麥相近。但是由於台灣風力分佈特性是冬天風較大，無法滿足夏季缺電的需求，因此在2000 年之前並無風力發電商轉的實例。隨著世界各個對風能發電的越來越重視，經濟部為了推動示範推廣5 年計畫，在 2000 年 3 月 22 日公佈了「風能發電示範系統設置補助辦法」。2000 年 11 月，位於雲林麥寮的台灣首座風力發電示範系統終於落成啟用，由台塑重工設置總裝置容量2.64MW 的 4 台風力機組，開展台灣風力電廠商轉的先例[6]。2001 年 10 月，位於澎湖中屯的台電風能發電系統完工啟用，該系統有 4 台機組，裝置容量 2.4MW。2001 年第二梯次申請，由竹北天隆紙廠之 3.5MW 春風風能示範系統獲選補助，共計 2 台 1.75MW 風力機組。在運轉實例中，台塑重工風能發電示範系統到2005 年 3 月總發電量已達 32,543,072 度，証實了西海岸有非常好的風力資源。另一個系統，澎湖中屯的風能發電系統累積至2002 年 3 月的發電量已接近八百萬度，這鼓舞台灣電力公司積極規劃在澎湖中屯增設風力機組。目前在台灣本島也有大型 100MW 規模的風力設置案正佈局中。最近，石門風力發電站也有多部機組加入商轉。未來幾年內，預計會陸續裝設300 部以上的風能發電機組加入運轉。小水力是另一種不會產生任何有害廢物也不排放溫室氣體的乾淨能源。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

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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、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）等[7]。有關風能發電、小水力發電的研究很多，然而針對風能－小水力混合式感應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[8]。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[9]。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[10]。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[11]。Castronuovo 等人利用儲水系統來改善風能發電系統運轉的經濟性並且減少風速不佳時無效功率變動的情形[12]。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 [13]。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[14]。本論文主要在探討風能－小水力混合式同步發電系統在正常及系統故障情形下的動態特性。研究對象為一個風能－小水力混合式同步發電系統，這個系統的組件包括水輪機與調速系統、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。此研究最大的價值是可以做為系統規劃、運轉、以及擴充的重要依據。

2. 風能－小水力混合式同步發電系統數學模型

2.1 風能－小水力混合式同步發電系統架構 圖 1 為一個風能-小水力混合式同步發電系統的架構，此系統的組件包括風力機（Wind turbine）、感應發電機（Induction generator）、水輪機（Hydraulic turbine）、同步發電機（Synchronous generator）、激磁系統（Excitation system）、變壓器（Power transformer）、功因補償電容器組（Pf compensation capacitor bank）、以及集總的靜態負載（Lumped static load）。

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圖1 風能－小水力混合式同步發電系統架構 2.2 系統組件數學模型 2.2.1 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[15,16]。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。 2.2.2 水輪原動機模型 圖2 為一個典型的水輪原動機方塊圖[17,18]，可以使用狀態方程式表示成

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1 2 6 2 2 1 1 1 2 2 2 1 2 2 3 3 3 3 3 4 4 3 3 W 5 5 3 3 W W 2 5 2 5 6 2 2 5 5 2 2 2 5 1 0 0 0 0 T K K K K 0 0 x x K 0 0 0 T T T T x x K 1 0 0 0 x x 0 0 0 0 p T T x x 0 0 0 0 2K 2(T T ) 2 0 0 0 0 0 x x T T T T K K K K K (T K K T ) 0 0 T T T T − ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ − − ⎢ ⎥ ⎡ ⎤ _⎢ _⎥⎡ ⎤ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ ₋ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥=_⎢ _⎥⎢ ⎥+ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ ₋ ₋ ₊ ₋ _⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ _⎢ _⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ₋ ₋ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ 0 0 0 0 0 Δω ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (2) 圖2 水輪原動機方塊圖 2.2.3 風力機模型 空氣流動會產生風壓推動風力機的葉片，使得葉片旋轉，經由傳動系統將機械功率傳送給發電機。因此，風能轉換的順序是將風的動能轉換成機械能再轉換成電能。圖 3 為風通過風力機葉片的示意圖[19,20]。根據空氣動力學，風力機葉片上的推力可表示成

(

1 2

)

T T F =ρA U U −U (3) 其中 U1是葉片前面的風速，U2是葉片後面的風速，AT是葉片掃過的面積，UT是葉片位置的平均風速，ρ 是空氣密度，在 15℃時為 1.225kg/m3。

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圖3 風通過風力機葉片的示意圖風力機葉片的輸出功率可表示成 3 m P T T 1 P C A U 2 ρ = (4) 其中Cp是功率係數（Power coefficient）。上式顯示出葉片所擷取的風能正比於Cp值，亦即， Cp值愈大，風力機擷取的風能越多。根據貝茲定律（Betz’s Law），理想的風力機Cp為16/27。然而，在考慮風力機的其它設計因數之後，Cp應表示成

(

)

1 2 2 P 2 l 3 d 8 1.32 0.57 16 20 C C 1 27 B C 2B λ λ λ λ λ − ⎡ _⎛ ₋ _⎞ ⎤ + ⎢ ⎜ ⎟ ⎥ ⎛ ⎞ _⎢ ⎝ ⎠ _⎥ =_⎜ _{⎟ ⎢} + − ⎥ ⎛ ⎞ ⎝ ⎠ ₊ ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ _⎝ _⎠ ⎣ ⎦ ₍₅₎

其中λ 是葉片的尖端速度比（Tip speed ratio），B 是葉片數目（Number of blades），Cl/Cd是

風翼（Airfoil）浮力對拉力的比值（Lift to drag ratio）。

2.2.4 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 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 − − − ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ _{− −} ₋ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢= − + ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₋ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₋ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ _{⎦ ⎣ ⎦ (6)} 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

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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 md ds fd kd qs mq qs kq ds 3 T n[ L ( i i i )i L ( i i )i ] 2 = − + + − − + (7)

其中n 是極對的數目（Number of pole pairs）[21,22]。

2.2.5 三相感應發電機模型 感應發電機的電壓方程式參考到靜止軸後可表示成 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 + ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢₌ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ − + − ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ _{⎦ ⎣ ⎦ (8)} 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，vdr、idr是d 軸轉子電壓及電流，vqr、iqr是 q 軸轉子電壓及電流，rs、rr是定子電阻及轉子電阻，Lss、Lrr是定子電感及轉子電感，Lm是磁化電感，p 是微分運算子。此外，感應發電機的電磁轉矩可表示 成 e m qs dr ds qr 3 T nL ( i i i i ) 2 = − (9) 其中n 是極對的數目[21,22]。 2.2.6 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[23-26]。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4 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

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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 F 1 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 ) 1 0 0 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 ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎡ ⎤ ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ _{⎥ ⎣} _⎦ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ _⎥⎦ ₍₁₀₎ 圖4 IEEE Type 1 激磁控制系統方塊圖 2.2.7 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 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 i v pL 0 r pL 0 i v 0 pL 0 r pL i + ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢₌ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ + ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦₍₁₁₎ 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。 2.2.8 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

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0 0 qk sk sk qk dk sk sk dk v r pL i v r pL i + ⎡ ⎤ ⎡₌ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ₊ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ _{⎦ ⎣ ⎦ (12)} 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。

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[27,28]。 3.2 SimPowerSystems 模組架構 圖 5 為使用 SimPowerSystems 開發的模組，主要包括五部分－A 部分為 69kV 電源與變壓器，B 部分為一個負載與風能發電系統，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[29,30]。 3.3 模擬一：正常運轉模擬 3.3.1 時序圖 圖 6 為正常運轉模擬的時序圖。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，總模擬時間 30 秒。 3.3.2 模擬結果 圖7~11 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。由模擬結果可看出小水力同步發電系統的系統變數隨著負載的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。

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圖5 風能－小水力混合式同步發電系統動態模擬 SimPowerSystems 模組架構圖圖6 正常運轉模擬的時序圖圖12 故障運轉模擬的時序圖 3.4 模擬二：系統故障模擬 3.4.1 時序圖 圖12 為系統故障模擬的時序圖。25 秒前與模擬一相同，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。 4.4.2 模擬結果 圖 13~17 為故障運轉模擬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。此運轉模式在故障發生前的情況與模擬一相同。故障發生時，69kV 電源側約有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 69kV 電源切離，使得同步發電機發生嚴重過載而導致系統不穩定。

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3.5 評論 由模擬一的模擬結果得知負載順序加入後系統變數變動的情形與預期一致。系統併聯時電壓、頻率都有某種程度的暫態，其原因應該與激磁系統和原動機的參數有關，值得進一步探討。由模擬二的模擬結果得知相間短路故障發生時，系統組件變數變動的情形與預期一致。故障發生後，69kV 電源切離，此時負載總容量約為小水力同步發電系統和風能發電系統總容量的1.4 倍。可預料的，系統應該會發生不穩定。模擬結果也證實了這個看法。整體而言，風能－小水力混合式同步發電系統在這兩種運轉模式下的動態特性都是合理的，雖然模擬二的結果是不穩定的，不過那也是預料中的。然而，在實際的運轉中，事件發生如負載加入、負載切離、以及故障發生的情形不一定會如此緊湊，因此系統響應可能會較緩和。此外，由於短路故障模擬的觀察重點在於故障發生所造成的暫態現象以及故障排除後的行為，所以故障時間設定為 0.3 秒。然而，在實際的系統運轉中，故障持續時間會因保護電驛的設定而不同，系統組件的切離會因保護協調的安排而不同，故障造成的影響也會因故障時間點、接地阻抗、以及系統組件參數而不同。

4. 結論

本論文主要在探討風能－小水力混合式同步發電系統的動態特性。研究對象是一個風能－小水力混合式同步發電系統，此系統的組件包括水輪機與調速系統、風力機、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、以及靜態負載等。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。研究結果發現，在風能發電系統中，當感應發電機的轉速超過同步速度時，實功率會從發電機端流向電源端，虛功率則是由電源端流入發電機端，因此適當的功因補償是必要的。此外，風能發電系統的輸出功率受風速的影響很大，本研究中三部風力機的風速都不相同，使得發電機的輸出功率都不同。風能－小水力混合式同步發電系統因為包含了兩個不同性質的系統，所以動態特性較複雜。由模擬結果可發現負載加入對同步發電機造成某種程度的暫態、兩個系統併聯時產生一種值得深入探討的暫態現象、系統組件的不適當切離造成系統不穩定。整體而言，此風能－小水力混合式同步發電系統在正常以及故障運轉情況下的動態特性都是合理的並且應可和實際運轉情形一致。此研究最大的價值是可以做為系統規劃、運轉、以及擴充的重要依據。

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(a) IBTr 的一次側實功率 (e) SL1 的實功率

(b) IBTr 的一次側虛功率 (f) SL1 的虛功率

(c) IBTr 的一次側平均電壓 (g) SL4 的實功率

(d) IBTr 的一次側電流 (h) SL4 的虛功率

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(a) SG1 的端電壓 (e) SG1 的電功率

(b) SG1 的激磁電壓 (f) SG1 的實功率和虛功率

(c) SG1 的轉速 (g) SGTr 的一次側實功率

(d) HT1 的輸出功率 (h) SGTr 的一次側虛功率

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(a) WT1Tr 的一次側實功率 (e) WT1 的輸出功率

(b) WT1Tr 的一次側虛功率 (f) WTIG1 的轉矩

(c) WT1Tr 的二次側平均電壓 (g) WTIG1 的轉速

(d) WT1 的風速 (h) WTIG1 的 A 相電流

(15)

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(17)

(a) IBTr 的一次側實功率 (e) SL1 的實功率

(b) IBTr 的一次側虛功率 (f) SL1 的虛功率

(c) IBTr 的一次側平均電壓 (g) SL4 的實功率

(d) IBTr 的一次側 A 相電流 (h) SL4 的虛功率

(18)

(a) SG1 的端電壓 (e) SG1 的電功率

(b) SG1 的激磁電壓 (f) SG1 的實功率和虛功率

(c) SG1 的轉速 (g) SGTr 的一次側實功率

(d) HT1 的輸出功率 (h) SGTr 的一次側虛功率

(19)

(20)

(21)

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