市電併聯型風能-小水力混合式系統在卸載運轉情況下的動態特性分析
陳盟仁1、呂世彬2、林堉仁3、林錦章4 1國立高雄應用科技大學電機工程系 2義守大學電機系 3立景光電股份有限公司 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卸載運轉情形下的動態特性。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的動態特性是可以接受的，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此類型系統規劃、運轉、以及擴充的重要依據。 關鍵詞：風能-小水力混合式同步發電系統、卸載、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。 有關風能發電以及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卸載情形下的動態特性。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
圖2a 為水輪機與調速器模組圖像，輸入端為轉速參考值(wref)、功率參考值(Pref)、同步發電機轉速 (we)、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.)。
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)。
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，25 秒時小水力同步發電系統開始卸載，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。 25 秒之後同步發電系統開始卸載，輸出的電功率雖然下降了，轉速仍能維持在同步速度，市電供應的實功 率則增加了。其它的系統組件則因為有穩定的電源而不受到影響。 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。然而，在實際的運轉中，事件發生如負載加入等的情形不一定會如此緊湊，因此系統響應可能會較緩和。
圖10 SimPowerSystems 模組架構圖
4. 結 論
本論文主要在探討風能-小水力混合式發電系統在卸載運轉下的動態特性。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、同步發電系統卸載時除 了市電供應的實功率增加外，其它系統組件並未受到影響。整體而言，此風能-小水力混合式同步發電系統 在卸載運轉情況下的動態特性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。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 的電功率
(f) SL1 的虛功率 (l) SL4 的虛功率 (r) SG1 的實功率和虛功率 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
