行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
小型風力發電機與低壓配電系統之併聯技術研究(I) 研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 97-2623-7-011-002-ET
執 行 期 間 ： 97 年 01 月 01 日至 97 年 12 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系
計 畫 主 持 人 ： 陳在相 共 同 主 持 人 ： 楊文治
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：曾正綱 碩士班研究生-兼任助理人員：林恩孝 博士班研究生-兼任助理人員：謝廷彥
處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 98 年 04 月 06 日
行政院國家科學委員會/經濟部能源局
「能源科技學術合作研究計畫」成果報告
小型風力發電機與低壓配電系統之併聯技術研究
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 97-2623-7-011-002-ET
執行期間：97 年 01 月 01 日至 97 年 12 月 31 日 計畫主持人：陳在相
計畫參與人員：楊文治、謝廷彥、曾正綱、林恩孝
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□ 精簡報告
完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究 計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，
□一年 二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學電機工程系
中 華 民 國 98 年 03 月 27 日
摘要
本計畫主要在研究小型風力發電機組與住宅低壓配電系統併聯運 轉，所可能造成的衝擊以及所需的併聯技術與規範。近年來，小型風 力發電機組之發展甚為迅速，預期未來將廣為應用於住宅區與郊區，
並與住宅低壓配電系統併聯運轉。住宅低壓配電系統之電壓等級低、
短路容量小、系統強健度遠不如高壓配電系統，小型風力發電機組如 何安全可靠地與其併聯運轉，實有深入探討之必要。本計畫為一兩年 期計畫，本年度(第一年)完成之研究工作包括國內外低壓配電系統結 構、特性與運轉規範之蒐整；小型風力發電機組發展趨勢與併網規範 之探討；小型風力發電機組與低壓配電系統等效模型之建置；台灣地 區典型住宅低壓配電系統之短路容量評估及運轉特性分析；小型風力 發電機組之最大可併網量與影響因子靈敏度分析等。本計畫之研究成 果應有助小型風力機俎併網衝擊之掌握、併聯辦法之研訂以及小型風 力機組之適切裝設。
關鍵字：小型風力發電機組、低壓配電系統、併網運轉
Abstract
This project investigates required parallel operation techniques and major impacts of small wind turbines when connecting to a low-voltage residential distribution system. In recent years the development of small wind turbines is extremely fast. The small wind turbine has great potential to be installed in the residential districts and suburbs and connected to low-voltage residential distribution systems. The voltage level, short-circuit capacities and robustness of low-voltage residential distribution systems are much lesser than those of high-voltage distribution systems. Hence, small wind turbines may adversely affect the security and reliability of the low-voltage residential distribution system connected. This problem should be researched in detail manner. This project is a two-year project. The research topics of first year includes:
data collection and analysis of structures, characteristics and operation requirements of low-voltage residential distribution systems; research on the future trend and grid-interconnection codes of small wind turbines;
formation of full-scale circuit model for a typical Taiwan low-voltage residential distribution system; assessment of short circuit capacity and analysis of operation characteristic of a typical Taiwan low-voltage residential distribution system; and evaluation of maximum allowable capacity of small wind turbines connected to a low-voltage residential distribution system. The research results are of value to realize the impact of small wind turbines on a low-voltage distribution network; to establish grid-interconnection codes for Taiwan, and to correctly install small wind turbines.
Keywords: Small wind turbine, low-voltage residential distribution
目錄
摘要 ... I Abstract ... II 目錄 ... III 圖索引 ... V 表索引 ... VII
一、前言 ... 1
二、研究目的 ... 4
三、文獻探討 ... 5
四、研究方法 ... 7
五、結果與討論 ... 10
5.1.國內外住宅低壓配電系統供電架構與運轉方式 ... 10
5.1.1 前言 ... 10
5.1.2 二次系統型態 ... 10
5.1.3 二次導線配置方式 ... 14
5.1.4 變壓器供電方式 ... 15
5.1.5 電壓等級 ... 17
5.1.6 電壓變動限制 ... 18
5.2.國內外小型風力發電機組發展趨勢與併網規範 ... 19
5.2.1 前言 ... 19
5.2.2 發展趨勢 ... 20
5.2.3 併網規範 ... 26
5.3.台灣地區典型住宅低壓配電系統等效模型建置 ... 26
5.3.1 前言 ... 26
5.3.2 系統架構與參數 ... 29
5.3.3 系統等效模型 ... 30
5.4.台灣地區住宅低壓配電系統短路容量評估 ... 33
5.4.1 前言 ... 33
5.4.2 低壓配電系統短路容量之影響因子 ... 33
5.4.3 配電變壓器高/低壓側端子之短路容量評估 ... 34
5.4.4 低壓接戶線沿線之短路容量評估 ... 36
5.5. 台灣地區典型住宅低壓配電系統運轉特性分析 ... 36
5.5.1 前言 ... 36
5.5.2 沿線電壓 ... 38
5.5.3 沿線電流 ... 40
5.5.4 短路電流 ... 42
5.6.小型風力發電機組最大可併網量分析 ... 44
5.6.1 前言 ... 44
5.6.2 負載量之影響 ... 45
5.6.3 電壓等級之影響 ... 47
5.6.4 併接位置之影響 ... 47
5.6.5 額定容量之影響 ... 49
5.6.6 電壓降規範之影響 ... 51
5.7.小型風力發電機組併網量影響因子之靈敏度分析 ... 51
5.7.1 前言 ... 51
5.7.2 小型風力發電機組併接位置影響之評估 ... 53
5.7.3 配電變壓器額定容量影響之評估 ... 56
5.7.4 低壓線路電壓降規範影響之評估 ... 58
5.8.結論... 59
六、計畫成果自評 ... 61
參考文獻 ... 62
圖索引
圖 1 全球風力發電機組累積裝置容量統計圖 ... 1
圖 2 典型低壓配系統架構示意圖 ... 11
圖 3 單一用戶型低壓配電系統 ... 11
圖 4 二次輻射型低壓配電系統 ... 12
圖 5 二次互聯型低壓配電系統 ... 13
圖 6 二次網路型低壓配電系統 ... 14
圖 7 放射型低壓導線之配置方式 ... 15
圖 8 低壓配電系統主要供電方式之示意圖 ... 16
圖 9 美國 ANSI C84.1 所規範之 A 級電壓變動容許範圍 ... 19
圖 10 台電「架空配電線路設計手冊」所規範之電壓降限制 ... 19
圖 11 美國國內小型風力發電機組年裝置量與裝置總容量統計圖 .... 20
圖 12 英國國內小型風力發電機組年裝置量與裝置總容量統計圖 .... 21
圖 13 2001 至 2007 年美國國內小型風力發電機組年銷售量與裝置總容 量統計圖 ... 22
圖 14 2006 與 2007 年美國國內併網型與離網型小型風力發電機組年銷 售量與裝置總容量統計圖 ... 22
圖 15 水平軸式小型風力發電機組 ... 24
圖 16 垂直軸式小型風力發電機組 ... 24
圖 17 輻射氣流式與軸向氣流式之結構示意圖 ... 25
圖 18 特殊型式之小型風力發電機組 ... 25
圖 19 各種運轉模式之小型風力發電系統圖 ... 25
圖 20 範例系統單線圖 ... 31
圖 21 範例系統之 SIMULINK 等效電路模型 ... 31
圖 22 單相三線式單相配電變壓器之繞組電壓電流關係圖與等效電路
模型... 32
圖 23 小型風力發電機組之 SIMULINK 等效電路模型 ... 32
圖 24 範例系統接戶線沿線之短路容量值 ... 38
圖 25 範例系統接戶線沿線之電壓模擬結果 ... 39
圖 26 範例系統接戶線之中性線沿線電壓模擬結果 ... 40
圖 27 各種負載情況下範例系統接戶線之電壓模擬結果 ... 40
圖 28 範例系統接戶線沿線電流之模擬結果 ... 41
圖 29 中性線熔斷情況下之範例系統接戶線沿線之電壓模擬結果 .... 42
圖 30 配電變壓器繞組結構為交錯式之範例系統接戶線沿線短路電流 模擬結果 ... 43
圖 31 範例系統配電變壓器繞組結構為交錯式與非交錯式之接戶線沿 線短路電流模擬結果 ... 43
圖 32 範例系統之功率損失模擬結果 ... 44
圖 33 範例系統運轉在輕載與重載情況時其接戶線沿線小型風力發電 機組最大可併網量之模擬結果 ... 46
圖 34 不同電壓等級情況下範例系統接戶線沿線小型風力發電機組最 大可併網量之模擬結果 ... 48
圖 35 小型風力發電機組沿線併接至範例系統接戶線時之最大可併網 量模擬結果 ... 49
圖 36 變壓器額定容量不同之情況下範例系統接戶線沿線小型風力發 電機組最大可併網量之模擬結果 ... 50
圖 37 電壓降限制條件不同之情況下範例系統接戶線沿線小型風力發 電機組最大可併網量之模擬結果 ... 52
圖 38 不同線徑情況下範例系統接戶線沿線小型風力發電機組最大可 併網量之模擬結果 ... 54
圖 39 不同配電變壓器額定容量情況下範例系統接戶線沿線小型風力 發電機組最大可併網量之模擬結果 ... 57
圖 40 不同電壓降規範情況下範例系統接戶線沿線小型風機最大可併
網量之模擬結果 ... 58
表索引
表 1 我國能源供需統計與預估表 ... 2
表 2 世界各國住宅低壓配電系統之供電方式與電壓等級 ... 17
表 3 義大利、西班牙與波蘭低壓配電饋線長度之統計值 ... 18
表 4 美國、日本、中國與歐洲風能協會之小型風力發電機組定義 .. 20
表 5 我國、日本與美國之小型風力發電系統併網規範 ... 27
表 6 IEEE Std 1547 之「分散型電源併網對異常電壓之響應」規範 .. 28
表 7 IEEE Std 1547 之「分散型電源併網對異常頻率之響應」規範 .. 28
表 8 IEEE Std 1547 之「最大諧波電流失真限制」規範 ... 28
表 9 歐洲 5 國與澳洲之小型風力發電機組於低壓配電系統之併網量規
範... 28
表 10 台灣地區住宅低壓配電系統配電變壓器之參數 ... 29
表 11 台灣地區住宅低壓配電系統導線之參數 ... 30
表 12 連接於 11.4kV 配電系統之配電變壓器高低壓側等效短路容量
... 35
表 13 連接於 22.8kV 配電系統之配電變壓器高低壓側等效短路容量
... 37
表 14 不同線規情況下範例系統中小型風力發電機組最大可併網量之
平均變動量與平均遞減率 ... 55
表 15 不同電壓降規範情況下範例系統中小型風力發電機組最大可併
網量之平均變動量與平均遞減率 ... 59
一、前言
近年來地球溫室效應持續惡化，石化能源價格又波動不已，再生 能源發電已成為紓緩甚或解決前述問題的主要選項之一，各先進國家 莫不爭先發展與推動。在各類再生能源發電方式中，風力發電因其發 電容量較大、無污染且技術已相對成熟，因而成為現階段世界各國發 展再生能源發電之主流[1,2]。圖 1 為全球風力發電機組累積裝置容量 之統計圖，圖中資料顯示，全球風力發電裝置容量成長十分迅速，平 均年成率超過三成。
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
MW
西元(年)
累計裝置容量 每年裝置容量
圖 1 全球風力發電機組累積裝置容量統計圖
資料來源：歐洲風能協會
我國為一已開發國家，工業十分發達，但自產能源卻甚少，全國
總消耗能源近九成仰賴進口，如表 1 所示。因此，國家經濟發展甚易
受到國際能源價格波動之影響。基因於此，近年來政府積極推動再生
能源發電政策，鼓勵公民營業者製造與裝置大型風力發電機組，以提
供乾淨、可再生且不受國際能源局勢影響之電能。然而，我國風力發 電產業貣步甚晚，中大型風力發電機組製造技術遠不如歐美各先進國 家，若要朝此方向發展，困難度甚高。不過在 kW 級以下之小型風力 發電機組(Small wind turbines, SWT)方面，我國廠商在設計、製造與量 產技術方面已漸趨成熟，部分已達商產品化階段，因此若朝此方向努 力，儘速提高我國小型風力發電機組之製造與應用能力，其中與公共 電網併聯的控制、運轉與保護技術，尚有大幅度提升空間。若能完備 化小型風力發電機組的設計、生產與應用技術，未來小型風力發電機 組將廣泛裝設於全球各地，尤其是鄉村與郊區住宅，不但能減少溫室 效應氣體的排放，因遠較傳統大型發電機組接近負載，故亦具節能效 益。
表1 我國能源供需統計與預估表 民國
項目
93 年 99 年 109 年
油當量
(百萬公秉) % 油當量
(百萬公秉) % 油當量
(百萬公秉) % 總供給 129.1 100 147.2 100 173.9 100
自產 12.2 9 21.0 14 24.2 14 進口 116.9 91 126.2 86 149.6 86
小型風力發電機組因為容量小、電壓低，基於經濟考量，應併聯
於低壓電網。低壓配電網處整體大電網之最下游，與用戶用電器具最
為接近，故其供電品質之良窳對用戶之影響也最為直接。小型風力發
電機組的容量雖小，但低壓配電網之系統強度相對較弱，所能承受的
衝擊也較小。在未來預期將有愈來愈多的小型風力發電機組與低壓配
電網併聯運轉，其可能對低壓配電網電力品質與運轉安全造成之衝
擊，令人憂心。故應未雨綢繆，儘速進行研究、分析，謀求對策，以
免損及用戶供電品質，亦不利小型風力機組之發展。雖然，國內外均
量仍屬少數，是故問題尚未顯現。我國低壓配電網在系統型態、設備
規格、負載特性、保護協調方式以及電壓控制方法等有其特殊性，國
外的運轉技術與經驗未必能夠全然適用於我國。是故，對於小型風力
發電機組與國內低壓配電網併聯運轉之相關問題仍有深入探研之必
要。
二、研究目的
美國風能協會 AWEA 將容量介於 400W 至 100kW 間之風力發電 機組稱之為小型風力發電機組或住宅型風力發電機組[1]。小型風力發 電機組容量雖小，但因其所適合併接之對象係低壓配電網，低壓配電 網系統強度遠較高壓配電網及輸電網為弱，加上同一配電饋線可能會 有多部風力發電機組與之併聯運轉，因此，小型風力發電機組併網運 轉對低壓配電系統的衝擊，應予以深入分析、探究。有鑑於此，本計 畫「小型風力發電機組與低壓配電系統之併聯技術研究」之提出，即 在探究其併網衝擊之情形與程度，並尋求其分析與模擬之理論與技 術，以及研提可行之併網技術與必要之併網規範。
本計畫第一年度所研究之問題涵蓋﹕國內外住宅低壓配電系統相 關設計與運轉技術資料之蒐集與整理﹔國內外小型風力發電機組之發 展趨勢、製造技術與併網規範﹔台灣地區典型住宅低壓配電系統架構 與運轉特性之探討與模擬﹔小型風力發電機組與住宅低壓配電系統併 網衝擊問題探討﹔最大可併網量以及影響因子靈敏度分析等。藉此系 列研究，瞭解小型風力發電機組併網所產之問題，並研提可行之併網 技術與必要之併網規範。研究結果對小型風力發電機組之設計、製造、
運轉與裝設應有相當助益，尚可提供為我國小型風力發電機組與低壓
配電系統併網規範擬訂之參考，對我國再生能源政策之推展亦有助益。
三、文獻探討
國內從事風力發電相關研究之專家學者有愈來愈多的趨勢，惟較 偏重中、大型風力發電機組，研究方向也大都集中在葉片、發電系統、
電力轉換器與充電系統等方面[3-15]，在系統衝擊與併網技術方面的研 究則相對較少。國外方面，風力發電之研究與應用追本溯源應貣始於 丹麥，但近年則風行於歐美與中國大陸。國外專家學者投入風力發電 機組相關研究領域可說甚早，惟其研究也是偏重在大型風力發電機組 與風場及其與高壓輸配電網併網運轉相關技術上，有關小型風力發電 機組及其與低壓配電系統併網問題之研究亦相對較少 [16-22]。以下將 對國外相關研究成果與文獻做一扼要探討。
1982 年美國的 James B. Patton 與 David Curtice 提出小型風力發電 機組與公共電網併聯運轉所可能產生之問題，所提出的問題有五個，
即公共電網短路電流的增加、短路容量的變大、電壓的衰減、故障不
易偵測以及小型風力發電機組的孤島運轉。由於當時的電腦軟體並不
發達，因此 James B. Patton 與 David Curtice 只以簡易的公式與程式驗
證上述問題，既無系統性的分析與探討過程，也無提出可行的改善方
法[16]。1996 年英國的 A.M. Green 與 N. Jenkins 也提出小型風力發電
機組的併網問題，但其研究資料甚少，僅大約提及定速型(fixed speed)
小型風力發電機組若直接與公共電網併聯，會因為功因無法維持在 1.0
狀態而對系統吸取電感性虛功率，如此將影響公共電網之電壓與電力
品質。A.M. Green 與 N. Jenkins 認為解決之道即是於小型風力發電機
組上加裝變流器(inverter)來改善此一問題[17]。2005 年比利時的 Johan
Driesen 開始探討小型風力發電機組在住宅建築物的應用機會以及與
低壓配電系統的併網問題，他認為小型風力發電機組未來很有可能普 設在住宅建築物上，並與太陽光發電系統一貣併接至配電系統，如此，
將衍生出配電系統電壓波動、短路電流增加、系統穩定度降低以及孤 島運轉保護困難等問題[18]。但 Johan Driesen 也僅點出問題，並未進 一步分析與探討。
在併網規範方面，美國 IEEE Std 1021-1988 Recommended Practice for Utility Interconnection of Small Wind Energy Conversion Systems、
IEEE Std 1547 Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems 以及日本的「分散型電源系統連系技術指針」
均有小型風力能源轉換系統之併網運轉規範，其中 IEEE Std 1021 對小
型風力能源轉換系統的併網審查、安裝與運轉以及併網後之電力品質
要求都有詳細的說明與規定，而 IEEE Std 1547 則對於小型風力發電機
組併網後對公共電網之電壓變動、頻率變動、諧波失真以及閃爍等問
題有明確的規範[19-21]。這些資料對本計畫而言，皆具參考價值。
四、研究方法
本計畫進行「小型風力發電機組與低壓配電系統之併聯技術研 究」，乃是為了深入瞭解小型風力發電機組與住宅低壓配電系統併網 運轉之問題所在，並藉由等效模型之建置、電腦之模擬、資料之分析 與學理之探討等方法，研究出最適切之運轉策略與併聯技術。本計畫 所採行之研究方法及原因分別陳述如下﹕
1. 國內外住宅低壓配電系統架構與運轉方式探討
廣泛蒐集世界各國住宅配電系統設計與運轉等相關技術資料 與文獻，並探討與比較各國住宅低壓配電系統在系統架構與運轉 方式方面之差異與優劣，以為後續台灣地區典型住宅低壓配電系 統等效模型建置及小型風力發電機組併聯運轉衝擊探討之基礎。
2. 國內外小型風力發電系統發展趨勢與併網規範探討
廣泛蒐集國內外小型風力發電機組設計與運轉等相關技術資 料與文獻，以瞭解各國小型風力發電機組之發展趨勢與應用情 形，並進一步探討小型風力發電機組之定義及其併網規範，以為 後續小型風力發電機組與住宅低壓配電系統併聯運轉衝擊探討之 基礎。
3. 台灣地區住宅低壓配電系統電源側短路容量評估
利用短路容量法評估低壓配電系統配電變壓器高壓側併接點
之短路容量大小，以瞭解低壓配電系統之強健度。並依據實務上
一次配電系統各元件參數可能變化之範圍評估低壓配電系統電源
側短路容量之變動情況，以為後續住宅低壓配電系統等效模型建 置以及小型風力發電機組併聯運轉衝擊探討之基礎。
4. 小型風力發電機組與台灣地區典型住宅低壓配電系統等效模型建 置
依據台灣地區實際之低壓配電系統元件參數，取其典型者於 模擬軟體中建置一等效模型，以供後續住宅低壓配電系統運轉特 性分析以及小型風力發電機組併聯運轉衝擊探討之用。另外，以 常見之小型風力發電機組為對象，依據其運轉特性於模擬軟體中 建置一等效模型，以供後續小型風力發電機組併聯運轉衝擊探討 以及最大可併網量分析之用。
5. 台灣地區典型住宅低壓配電系統運轉特性分析
依據前述所建構之住宅低壓配電系統等效模型進行系統運轉 特性分析，以瞭解台灣地區住宅低壓配電系統之低壓線路電壓與 電流大小與變動情形、短路電流大小與分佈情形、負載不平衡情 形以及系統整體運轉狀況等，並做為後續小型風力發電機組併聯 運轉衝擊探討之基礎。
6. 小型風力發電機組於住宅低壓配電系統中之最大可併網量分析 利用所建構之住宅低壓配電系統與小型風力發電機組等效模 型，分析小型風力發電機組在各種運轉條件下之最大可併網量，
其中各種運轉條件包括負載量、電壓等級、配電變壓器額定容量、
電壓降規範以及小型風力發電機組併接位置等。研究結果可供台 電以及欲裝置小型風力發電機組之民眾參考，維護雙方設備之安 全。
7. 小型風力發電機組併網量影響因子之靈敏度分析
利用前述之小型風力發電機組最大可併網量模擬結果統計分
析最大可併網量主要影響因子之靈敏度，其中主要影響因子包括
小型風力發電機組併接位置、低壓配電系統之配電變壓器容量以
及電壓降規範。研究結果可供台電於規劃與設計低壓配電系統以
及受理小型風力發電併網申請時之參考。
五、結果與討論
5.1.國內外住宅低壓配電系統供電架構與運轉方式 5.1.1 前言
低壓配電系統係指配電變壓器至用戶供電設備間之供電網路，圖 2 為一典型的低壓配系統實際架構示意圖。低壓配電系統又稱為二次 配電系統(secondary distribution system)，而以供應住宅用戶電力為主 要 目 的 之 低 壓 配 電 系 統 則 稱 為 住 宅 低 壓 配 電 系 統 (low-voltage residential distribution system)。低壓配電系統之架構相較於輸電與高壓 配電系統簡單許多，所使用設備也相對較少，主要有配電變壓器、低 壓線、接戶線、進屋線、進屋設備、熔線與開關等。低壓配電系統之 架構雖然較輸電系統與高壓配電系統簡單，但受到法規、技術、地理 環境、歷史發展與用戶需求等因素之影響，世界各國低壓配電系統之 供電架構與運轉方式有不小差異，茲依系統型態、線路配置方式、變 壓器供電方式、電壓等級與電壓變動規範等方面簡述於下。
5.1.2 二次系統型態
一般低壓配電系統型態可分為單一用戶型、二次輻射型、二次互 聯型與二次網路式(secondary network)等四種，圖 3 至 6 所示為其基本 型態示意圖[23]。
單一用戶型較適合於孤立的用戶，如鄉下地區用戶，各用戶相隔
甚遠，不適合以長程二次低壓線路供電者。對於負載量較大或負載較
特殊的用戶，即使有甚多的一般負載在附近，亦會採用此種型態供電。
此外，對於二次電壓等級需求較特殊者，亦應採用此種型態供電。當 然，採用此種系統型態所需的變壓器投資額及電力損失一般較一具變 壓器供多用戶的二次輻射型者為高。
一次配電饋線
配電變壓器
電 線 桿
TPC E02179 6.9-220
二次配電饋線 (低壓線)
中性線
進屋線
進屋 設備
熔絲鏈開關
Inverter
123 123
進屋點 接戶線
圖 2 典型低壓配系統架構示意圖
Primary feeder
Fuse or disconnect
Secondary fuse or circuit breaker Distribution
transformer Customer's meter
and service
Customer
圖 3 單一用戶型低壓配電系統
二次輻射型是目前最被普遍採用的低壓配電系統型態，其所需的
變壓器投資額及電力損失一般較獨立變壓器供單一用戶式者為低，因
為此種系統型態可以利用用戶的負載參差率來減少變壓器的裝置容 量，可明顯減少變壓器的投資額。此外，因為此種系統中之變壓器裝 置容量較大，故允許較大型的電動機貣動，因所造成的電壓突降遠較 獨立變壓器供單一用戶式者為低。再者，此種供電方式的共用二次配 電主線可依實際需要分段，當負載增加或改變時可將部分段落負載切 換至鄰近的變壓器，如此可以避免更換變壓器的裝置容量，並提高各 變壓器的利用率及負載平衡度。當各變壓器的利用率超過一定值時可 增設變壓器及增加分段來做彈性因應。
Primary feeder
Fuse or disconnect Distribution
transformer
Secondary fuse or circuit breaker Secondary
main
Customers Customers
Customer's meter and service
圖 4 二次輻射型低壓配電系統
二次互聯型之配電變壓器與二次配電主線間均設有熔線或自動斷
路器用以隔離故障變壓器。此外，介於兩變壓器間的二次配電主線中
亦設有分段熔線，以縮減因二次配電主線故障所造成的停電範圍。採
用此種系統型態時，當僅有一具變壓器發生故障時不會造成用戶停
電，因為其他健全的變壓器可隨時予以支援。此外，因變壓器間之負
載自然分配，因此當負載增加時僅需更換一具或少數變壓器或增設一
新變壓器即可應付，不需更動原來的配電結構。此種供電方式更能充
分利用用戶的負載參差率，因此可較二次輻射型節省變壓器裝置容 量，可以大幅減少變壓器的投資額。能提供更大的容量給突入電流，
因此可以減輕電壓閃爍的影響程度。當二次配電主線發生故障時能提 供更大的故障電流，可以快速熔斷熔線並清除故障。當然此種系統型 態亦有其缺點，例如當一具變壓器因故障被隔離時，其原先分擔的負 載會自動轉移至其他變壓器，尤其是其鄰近的變壓器，可能因此造成 其他變壓器的過載而故障。此故障變壓器又會被隔離，並再次造成其 他變壓器的負載加重，而發生連鎖故障或跳脫事故。此外，各個變壓 器的阻抗應與鄰近的變壓器相近，否則其負載無法自動適切分配至各 相關變壓器。再者，這些變壓器需要有一定的餘裕度以便能安全應付 緊急負載，可能因此抵消一部分因負載參差所獲得的好處。
Primary feeder
Fuse or disconnect Distribution
transformer
Secondary fuse or circuit breaker Sectionalzing fuse
Secondary main
Customers Customers
Customer's meter and service
圖 5 二次互聯型低壓配電系統
二次網路型之線路架構乃由配電變電所引岀數條一次配電饋線成
平行放射狀排列，將電力透過配電變壓器送至由二次饋線連結而成的
柵型網路各供電點，接著二次網路再把電力分配至各個用戶端，因此
稱為二次網路型，換言之，二次網路係將二條以上一次饋線所饋供之
配電變壓器群之二次側連接如網狀，以提高供電可靠性。二次網路型 於一次饋線與配電變壓器之間裝有切換開關，可於饋線發生事故時將 其切換至接地端，以隔離事故及避免影響網路供電，因此，除非全部 或大量的一次饋線發生事故，否則不至於影響用戶用電，故此型態多 用於負載密度高與需極高可靠度之地區。當然，採用此種型態亦有其 缺點，例如系統短路電流大、保護協調困難、導線利用率最低、建設 成本高以及運轉與維護不易等。
Primary Feeders Circuit
Breakers
Switch
Network Transformer Substation Bus
Network Protector
Secondaries
Customers’
Services
圖 6 二次網路型低壓配電系統
5.1.3 二次導線配置方式
在導線配置方式方面，放射型為目前世界各國最為普遍採用之方
式。採用放射型之低壓配電系統係以配電變壓器為中心將其二次側之
低壓導線以放射狀引接出去。線路引接出去之後，其配置方式又可依
其饋向數而分為單向、二向、三向與四向等四種方式[24]，如圖 7 所
示。在此四種配置方式中，單向僅可使用於單一用戶型之低壓系統中，
四向與三向配置方式較單向與二向方式經濟，故為目前低壓配電系統 主要採用之方式。
用戶 配電 變壓器 一次饋線
低壓
導線 用戶
配電 變壓器 一次饋線
用戶 低壓導線
(a)單向 (b)二向
用戶 配電 變壓器 一次饋線
用戶 用戶
低壓 導線
用戶
配電 變壓器 一次饋線
用戶
用戶 用戶 低壓 導線
(c)三向 (d)四向
圖 7 放射型低壓導線之配置方式
5.1.4 變壓器供電方式
低壓配電系統的供電方式依其變壓器繞組接線方式而有單相二線
與三線式以及三相三線與四線式等數種，如圖 8 所示，其中以單相二
線式、單相三線式與三相四線式三種最為常見。目前，我國主要住宅
低壓配電系統採行的供電方式即為單相三線與單相二線式兩種，美國
與加拿大也大抵如此；中國大陸、香港、南韓、泰國則以單相二線式
為主；歐洲各國裡，法國、德國、俄羅斯、義大利、荷蘭、瑞典、西
班牙與葡萄牙採用三相四線與單相二線兩種方式來供應住宅低壓電 力，而英國、奧地利、捷克、芬蘭、希臘、匈牙利、愛爾蘭、波蘭則 僅採用單相二線式。表 2 為世界各國住宅低壓配電系統之供電方式與 電壓等級一覽表[25]。
(a)三相四線 Y 連接 (b)三相三線 Y 連接 (c)三相三線 Y 連接
中性點接地 中性點不接地 中性點接地
(d)三相三線連接 (e)三相四線連接 (f)三相四線開連接
中性點不接地 中間抽頭接地 中間抽頭接地
(g)單相三線繞組中間抽頭接地 (h)單相二線繞組一端接地 (i) 單相二線繞組不接地
圖 8 低壓配電系統主要供電方式之示意圖
表2 世界各國住宅低壓配電系統之供電方式與電壓等級
洲
別 國家 供電方式 標稱電壓
(V) 洲
別 國家 供電方式 標稱電壓
(V)
美 洲
美國 (紐約、邁阿密、
底特律)
三相四線 單相三線
208/120 240/120
歐 洲
法國、德國、荷 蘭、丹麥、義大
利、瑞典
三相四線 單相二線
400/230 230
墨西哥 三相四線
單相二線 220/127 220
俄羅斯、西班牙、
葡萄牙、羅馬尼亞
三相四線
單相二線 380/220 220
阿根廷 三相四線
單相二線
380/220
220 瑞士、挪威 三相四線 400/230
加拿大、美國 (洛杉磯、匹茲 堡、波特蘭、舊
金山)
單相三線 240/120 盧森堡 三相四線 380/220
巴西、巴拉圭、
烏拉圭 單相二線 220
英國、波蘭、奧地 利、芬蘭、冰島、
愛爾蘭
單相二線 230
印度 三相四線
單相二線
440/250 230
希臘、保加利亞、
匈牙利 單相二線 220
亞 洲
新加坡 三相四線
單相二線
400/230 230
非 洲
南非 三相四線
單相二線
433/250 400/230 380/220
220
台灣 單相三線
單相二線
220/110
110 埃及 三相四線
單相二線
380/220 220
土而其 三相四線 380/220 甘比亞、盧安達、
尚比亞 單相二線 220
日本 單相三線 200/100 大 洋 洲
紐西蘭 三相四線
單相二線
400/230 230 中國、香港、南
韓、泰國、伊拉 克、越南
單相二線 220 澳大利亞 三相四線
單相二線
415/240 240
5.1.5 電壓等級
在電壓等級方面，歐洲各國低壓配電系統無論是採用三相四線或 單相二線供電方式，其電壓等級普遍都比我國高。從表 1 可知，歐洲 各國住宅低壓配電系統之標稱電壓大都為 220/380V、230/400V 或 240/415V，而我國與美國、加拿大則大都為 110/220V 或 120/240V，
明顯地低許多。低壓配電系統供電電壓的高低影響其供電能力與運轉 效率甚大。一般而言，電壓越高，在相同的負載下，線路電流與電壓 降也就越小。正因如此，歐洲各國住宅低壓配電系統饋線的長度普遍
3 所示。
表3 義大利、西班牙與波蘭低壓配電饋線長度之統計值 國家
饋線 長度(m)
義大利 西班牙 波蘭
鄉村 都市 鄉村 都市 鄉村 都市 最小 100 10 100 10 100 50 平均 300 50 300 50 300 100 最大 500 150 500 150 1000 200
5.1.6 電壓變動限制
在電壓變動限制方面，美國 ANSI C84.1 訂有詳細的規範。ANSI C84.1 將其配電系統電壓容許限度分成 A 與 B 兩個等級，其中 A 級係 用來規範電力系統正常運轉時之長時間電壓變動容許範圍，而 B 級則 是用來規範電力系統正常運轉時短時間之電壓變動容許範圍。A 級電 壓變動容許範圍最高為 126V，最低為 108V，各線段之電壓降分配量 如圖 9 所示；而 B 級電壓變動容許範圍最高為 127V，最低為 108V。
另外，IEEE Std 141 亦有電壓容許限度之規範，其內容大致與 ANSI C84.1 相同，其中 A 級電壓變動容許範圍最高為 125V，最低為 108V，
而 B 級電壓變動容許範圍最高為 127V，最低為 106V。我國亦有低壓 配電系統電壓變動限制之規範。台電「架空配電線路設計手冊」規定，
從一次配電饋線第一用戶開始至二次配電系統接戶線末端之間的電壓 降不得超過 12%，其中各線段之電壓降分配量如圖 10 所示。比較台 電與 ANSI 之規範可知，台電之電壓變動限制僅考慮電壓降之情況，
而 ANSI 則同時包含電壓降與電壓升兩種情況。另外，合理的電壓變
動限制有助於維持用戶電壓品質。美國 ANSI 所規範之電壓變動率為
+5%至-10%，而我國台電之電壓降規範為 0 至-12%，限制似乎較為寬
鬆。
115 120
110 125
最大電壓限制-RANGE A
120~600V之用 戶容許範圍
配電變壓器與低壓 線可允許之電壓降
460 (117)
456 (114)
440 (110) 432 (108)
照明設備之外 可允許之電壓 容許範圍 以
120V 為 基 準
500 (125)
照明設備可允許 之電壓容許範圍 配電饋線所允許之電壓降
超過600V之用戶容許範圍
屋內照明設備配線可允許之電壓降 屋內照明設備之外配
線可允許之電壓降
504 (126)
圖 9 美國 ANSI C84.1 所規範之 A 級電壓變動容許範圍
107 105
100
95 基 準 電 壓
%
標 準 供 電 範 圍
配電變壓器可 允許之壓降2%
配電變壓器可 允許之壓降2%
低壓線與接戶線 可允許之壓降2%
高壓線可允許之壓降5%
(第一用戶至市內負荷重心) 高壓線可允許之壓降8%
(第一用戶至市郊末端用戶)
低壓線可允許之壓降4%
接戶線可允許 之壓降1%
圖 10 台電「架空配電線路設計手冊」所規範之電壓降限制
5.2.國內外小型風力發電機組發展趨勢與併網規範 5.2.1 前言
小型風力發電機組係指容量小、電壓低，且可將風能轉換為電能
之能量轉換裝置。小型風力發電機組的定義在世界各國並不一致，例
如， IEEE Std 1021 定義「發電容量在 100kW 以下，且輸出電壓在 600V
以下者為小型風力發電機組」，而 IEC61400-2 則定義「葉片掃掠面積
在 200m
2以下，且輸出電壓低於交流 1000V 或直流 1500V 者為小型
風力發電機組」 。由於以發電容量作為風力發電機組大小之界定較易為
人理解與使用，所以許多國家之風能協會乃以此方法定義其風力發電 機組之大小，表 4 為美、日、中等國與歐洲風能協會之小型風力發電 機組定義比較。
表4 美國、日本、中國與歐洲風能協會之小型風力發電機組定義
國家 美國 日本 中國 歐洲
單機容量 100 kW 以下 20 kW 以下 10 kW 以下 50 kW 以下
資料來源：金屬工業研究中心
5.2.2 發展趨勢
小型風力發電機組雖然發電容量小，但因價格相對地也較低廉，
且安裝、運轉與維護也都十分簡易與方便，因此，近年來已在全球各 地被廣為採用。圖 11 與 12 分別為美國 AWEA 與英國 BWEA 近年來 小型風力發電機組之成長趨勢統計圖，圖中資料顯示，小型風力發電 機組裝置容量之成長的確十分迅速，不下於大型風力發電機組。
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 2000 4000 6000 8000 10000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
裝置容量(kW)
裝置數量(部)
西元(年)
裝置數量 裝置容量
圖 11 美國國內小型風力發電機組年裝置量與裝置總容量統計圖
0 5000 10000 15000 20000
0 2000 4000 6000 8000 10000
2005 2006 2007 2008
裝置容量(kW)
裝置數量(部)
西元(年)
裝置數量 裝置容量
圖 12 英國國內小型風力發電機組年裝置量與裝置總容量統計圖
以下為美國風能協會(AWEA)針對美國國內小型風力發電機組市 場之發展情況進行調查所得之結果，由此可知，小型風力發電機組之 發展潛力十足，其中併網型之機種將是未來市場之主流[1]。
1. 2007 年美國國內小型風力發電機組市場較 2006 年成長 14%，
機組銷售數量達 9092 部，新增裝置容量達 9.7MW，累積裝置 總容量達 55 至 60MW；
2. 2001 至 2007 年美國國內小型風力發電機組市場年銷售與裝置 總容量成長率分別為 32%與 40%，如圖 13 所示；
3. 目前市場成長率最快者為容量 10kW 之住宅用併網型小型風 力發電機組；
4. 2006 與 2007 年併網型小型風力發電機組之裝置容量均超越離 網型，如圖 14 所示。
小型風力發電機組依其機構可分為水平軸式與垂直軸式兩類，如
圖 15 與 16 所示。葉片數大都為三片，發電機種類則以繞線式感應機
或無刷永磁式同步機為主，啟動風速大約介於 2.5 至 3m/s 之間。
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 2000 4000 6000 8000 10000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
裝置容量(kW)
機組數(部)
西 元(年)
機組 容量
圖 13 2001 至 2007 年美國國內小型風力發電機組年銷售量與裝置總容量統計圖
資料來源：AWEA
2006 2007 2006 2007
離網型 7876 7800 4043 4017
併網型 453 1292 4522 5720
(部 ) (部) (kW) (kW)
圖 14 2006 與 2007 年美國國內併網型與離網型小型風力發電機組年銷售量與裝置 總容量統計圖
資料來源：AWEA
小型風力發電機組的結構大約可分為內轉子輻射氣流式(inner
rotor radial-flux)、外轉子輻射氣流式(outer rotor radial-flux)、雙定子槽
狀軸向氣流式(double stator slotted axial-flux)、雙轉子槽狀軸向氣流式
(double rotor slotted axial-flux)、具有定子平衡板之單側軸向氣流式
(single sided axial-flux machine with stator balance)、具有轉子平衡板之
單側軸向氣流式(single sided axial-flux machine with rotor balance)與具 有環狀繞組之軸向氣流式(axial-flux machine with toroidal winding)等 數種，其中輻射氣流式為傳統之機種，而軸向氣流式為較新式之機種，
圖 17 為輻射氣流式與軸向氣流式之結構示意圖[26]。根據研究資料顯 示，上述七個機種裡以雙轉子槽狀軸向氣流式具有之效率最高，因此 可能成為未來小型風力發電機組之主流機種。
近年來，小型風力發電機組的應用日益普遍，其製造技術之發展 亦甚快速。2007 年美國 MegLev 公司發表一款新型的風力發電機組，
稱之為 Super-powered Magnetic Wind Turbine。其特點在於利用磁浮效 應取代傳統滾珠軸承，以減少磨擦損失，提升整體系統之發電效率。
根據資料顯示，該型風力發電機組在風速約為 1.5m/s 即可啟動葉片旋 轉，其發電量比目前一般者多出 20%，維護成本卻減少一半，宣稱使 用壽命可長達 500 年。目前中國大陸與我國均有部分廠商宣稱使用類 似原理製造出 100W 至 2kW 之小型風力發電機組，稱之為「全永磁懸 浮風力發電機組」 。另外，世界各國之風力發電機組專家亦不斷地研發 出新式的小型風力發電機組，期使小型風力發電機組之效能更高。圖 18 為 Super-powered Magnetic Wind Turbine 與其他特殊型式之小型風 力發電機組外觀圖。
由於風能屬於間歇性能源，小型風力發電機組的發電情形並無法
十分穩定，因此實務上，是無法直接供電給負載使用。基於此，小型
風力發電機組需結合電能轉換、儲能與開關等設備構成風力發電系統
方能加以應用。目前小型風力發電系統之運轉模式可分為獨立型、混
合型與併網型三種，如圖 19 所示。獨立型小型風力發電系統之發電容
量通常不大，適用於偏遠地區且用電量不大之負載；混合型小型風力
發電系統之發電情況通常較穩定，因此可作為公共電網不易到達之偏
遠地區用戶之經常電力來源；併網型小型風力發電系統因與公共電網 併聯之故，用戶較不會受到風能不穩定之影響，因此頗適用在公共電 網有到達之一般用戶。
圖 15 水平軸式小型風力發電機組
圖 16 垂直軸式小型風力發電機組
(a) 內轉子 (b) 外轉子 (c) 雙定子槽狀 (d) 具有定子平衡板之
輻射氣流式 輻射氣流式 軸向氣流式 單側軸向氣流式
圖 17 輻射氣流式與軸向氣流式之結構示意圖
資料來源：IEEE
圖 18 特殊型式之小型風力發電機組
Rectifier Charger Inverter
Battery AC DC DC
DC DC AC
Load
Rectifier Charger Inverter
Battery ACDC DC
DC DC AC
Load
(a)獨立型 (b)混合型
Utility Rectifier Charger Inverter
Battery ACDC DC
DC DC AC
Load
(c)併網型
圖 19 各種運轉模式之小型風力發電系統圖
5.2.3 併網規範
前文曾述及，小型風力發電機組已朝向市電併網型發展，未來小 型風力發電機組與低壓配電系統併網運轉之問題將逐一浮現，因此，
世界各國亦已開始訂立相關的併網規範，以為因應。在我國、日本與 美國方面，分別訂有「再生能源發電系統併聯技術要點」 、「分散型電 源系統連系技術指針」與 IEEE Std 1021「Recommended practice for utility interconnection of small wind energy conversion systems」、IEEE Std 1547 「 Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems」等規範[19-21,27]，其中較重要者摘錄於表 5 至 8 之中。至於歐洲各國與澳洲方面，其在風力發電政策上較偏重大 型風力發電機組，尤其是離岸式風場，因此有關小型風力發電機組之 併網規範較為少見，表 9 為歐洲 5 國與澳洲之小型風力發電機組於低 壓配電系統之併網量規範。
5.3.台灣地區典型住宅低壓配電系統等效模型建置 5.3.1 前言
低壓配電系統為整體電力系統之最下游，同人體之微血管，遍佈
各地，用以提供低壓電力給廣大的住宅、郊區、商業以及小型工廠用
戶。為滿足各類型用戶之電力需求以及因應各地環境之要求，各地區
低壓配電系統需因地制宜，採行不同的系統架構、供電方式以及電壓
等級，也因此之故，各地區低壓配電系統之供電能力以及運轉特性也
不一樣。小型風力發電機組併聯運轉時，所產生的併聯運轉問題到底
如何？衝擊的程度又如何？實應深入探討。
表5 我國、日本與美國之小型風力發電系統併網規範
國家 類別 相關規範
台灣
規範名稱 再生能源發電系統併聯技術要點 併網容量
限制 100kW 以下 保護協調
規範
需具有過/低電壓、高/低頻率、過電流與逆送電力之保護設備；
保護設備頇與台灣電力公司保護設備相互協調。
日本
規範名稱 分散型電源系統連系技術指針 併網容量
限制 50 kW 以下
電壓變動 規範
分散型電源因逆送電力導致低壓家庭用電電壓變動幅度超過 容許範圍時，頇採用具有進相虛功控制之設備來達成自動電壓 調整；
分散型電源若因其輸出電力之變動或頻繁地併解聯導致其他 用戶電壓變動程度受到影響，則應裝設抑制電壓變動的設備或 減少併解聯的次數；
若裝設抑制電壓變動設備或減少併解聯次數後仍無法改善，則 應增加配電線路容量或者採用專線來併網。
美國
規範名稱 IEEE Std 1021 併網容量
限制 100kW，600V 以下 電壓變動
規範
不可導致公共電網之電力品質，包括電壓大小、電壓閃爍、頻 率、諧波與功率因數受到影響而超過容許範圍。
保護協調 規範
需裝設過/低電壓、高/低頻率、過電流、過電力、同步檢定等 保護電驛以及專用變壓器與隔離開關設備。
規範名稱 IEEE Std 1547 併網容量
限制 10MVA 以下 電壓變動
規範
共同耦合點之電壓變動超過表 5 之規定，頇於規定時間內停止 向所併接之電力系統供電。
頻率變動 規範
共同耦合點之頻率變動超過表 6 之規定，頇於規定時間內停止 向所併接之電力系統供電。
電力品質 規範
注入併接電網之直流電流成分不可超過其額定輸出電流之 0.5%；
不可產生使併接電網其他用戶可察覺之電壓閃爍；
經由共同耦合點注入併接電網之諧波電流成分不可超過表 7
之規定。
保護協調 規範
併接之電網發生故障時，需停止供電 併接之電網復閉期間，需停止供電
發生非預期性的孤島情況時，需於接收到孤島訊息後 2 秒內停
止供電。
表6 IEEE Std 1547之「分散型電源併網對異常電壓之響應」規範 電壓範圍
(基準電壓之百分率) 清除時間(s) V < 50 0.16 50 V< 88 2.00 110 < V < 120 1.00 V 120 0.16
註：基準電壓係指ANSI C84.1-1995 所規定之系統標稱電壓
表7 IEEE Std 1547之「分散型電源併網對異常頻率之響應」規範 分散型電源之
規模
頻率範圍
(Hz) 清除時間(s)
≤ 30 kW > 60.5 0.16
< 59.3 0.16
> 30 kW
> 60.5 0.16
< 59.8 ~ 57.0 0.16 ~ 300
< 57.0 0.16
表8 IEEE Std 1547之「最大諧波電流失真限制」規範
個別的諧波級數 h
(奇次諧波) h < 11 11 ≤ h < 17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 35 ≤ h 總諧波失真 (TDD)
百分率 (%) 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0
偶次諧波限制為上述奇次諧波限制值之 25%
表9 歐洲5國與澳洲之小型風力發電機組於低壓配電系統之併網量規範
國家 併網電壓等級 最大可併網量
澳洲 415V 290kVA
法國 400V 250kVA
比利時 低壓系統 200kVA
捷克 低壓系統 60kW
義大利 低壓系統 5kVA
西班牙 低壓系統 線路容量 50%以下
要瞭解小型風力發電機組與台灣地區典型住宅低壓配電系統之併
聯運轉問題以及對系統運轉衝擊情形，首要之務便是藉由電腦模擬來
獲得相關資訊，方能進一步分析與探討因應策略。而要能順利地進行
模型，並蒐集完整且正確之相關參數，如此方能成功。在本節裡，本 計畫將先陳述台灣地區典型住宅低壓配電系統之架構與參數，其次，
於模擬軟體 SIMULINK 之中建置一典型住宅低壓配電系統之等效模 型，以使後續模擬分析工作得以順利進行。
5.3.2 系統架構與參數
目前，除了偏遠地區之外，台灣地區住宅低壓配電系統之型態大 都為二次輻射型，亦即一台配電變壓器之低壓側同時引接出多條接戶 線以饋供電力給多用戶。此外，我國住宅低壓配電系統之供電方式以 單相二線式與單相三線式兩種為主，其供電電壓等級分別為 110V 與 110/220V。但實務上，單相三線式之供電彈性要比單相二線式為佳，
線路壓降也較小，因此是目前住宅低壓配電系統之典型供電方式。又 且，目前住宅低壓配電系統裡所採用之配變壓器額定容量以 25、50 及 100kVA 為主，這些變壓器所搭配使用之導線規格分別為 22mm
2、 60mm
2與 125mm
2銅導線。低壓線與接戶線之規格大體一致，低壓線 之長度並無明文限制，但依經驗法則最長以不超過 90m 為原則；接戶 線之長度在「屋外線路裝置規則」中則有規定，其中單獨接戶線之長 度不得超過 35m，共同接戶線與連接接戶線總長則不得超過 95m。表 10 與 11 為台灣地區典型住宅低壓配電系統所採行之配電變壓器與導 線參數。
表10 台灣地區住宅低壓配電系統配電變壓器之參數 額定容量
(kVA)
電壓等級 (V)
繞組阻抗
(%)
25 110/220 2.510
50 110/220 2.696
100 110/220 2.801
表11 台灣地區住宅低壓配電系統導線之參數 截面積
(mm
2)
線材 類別
阻抗 (/km) 22 銅絞線 0.970 60 銅絞線 0.539 125 銅絞線 0.340
5.3.3 系統等效模型
本計畫依前述之台灣地區典型住宅低壓配電系統架構與參數，以 模擬軟體 SIMULINK 建置一範例系統等效電路模型，以供後續相關研 究分析與探討之用。圖 20 為本計畫所建置之範例系統單線圖，其中配 電變壓器之額定以及導線之線徑，可視研究需要依前一小節所述之原 則設定，但接戶線與進屋線之長度則分別固定為 95m 與 1m，俾使後 續研究能夠探討與瞭解系統最嚴苛之運轉情況。範例系統中之供電方 式為單相三線式，範例配電變壓器低壓側同時引接出多條接戶線，但 除了範例饋線外之其餘接戶線上之負載均以一集總等效負載表示之，
以簡化分析工量。配電變壓器之電壓降限制為 2%，低壓線與接戶線 之電壓降限制亦為 2%。用戶在重載與輕載情況時之用電量分別設定 為 3.5kW 與 350W。
圖 21 為範例系統之 SIMULINK 等效電路模型，其中導線之等效
模型為一解耦合型等效電路，負載則採定功率模型，導線與負載之
等效模型均以 SIMULINK/SIMPOWERSYSTEM 所提供之電力系統元
件模型方塊直接表示之。配電變壓器高壓側之一次配電系統以一戴維
寧等效電源表示之，此一等效電源亦由 SIMULINK/SIMPOWERS
YSTEM 所提供之交流電源與串連阻抗模型方塊直接組合而成。配電
壓變壓器依其繞組結構可分為交錯式與非交錯式兩種[28]。配電壓變
壓器之繞組結構不同，其等效模型必然也必需有所不同，如此，方能 正確地表現出低壓配電系統之運轉特性以及小型風力發電機組之併網 運轉影響。由於 SIMULINK 並無適切之單相三線式配電變壓器模型方 塊可供使用，因此本計畫乃自行推導出交錯式與非交錯式配電壓變壓 之解耦合等效模型，如圖 22 所示，並藉由 SIMULINK/SIMPOWER 所 提供之電力系統元件模型方塊加以建構，以供後續模擬分析工作使 用。另外，圖 23 為小型風力發電機組之 SIMULINK 等效了電路模型，
其亦係利用 SIMULINK/SIMPOWER SYSTEM 之電力系統元件模型方 塊建構而成的，具有定功率特性，使用者可以很容易地控制其實功率 與虛功率輸出量，也就是小型風力發電機組之併網量及運轉功因。
一次配電系統
配電變壓器 低壓線
連接 接戶線 共同
接戶線
進屋線 12 12 12
等效負載
用戶 連接 接戶線
圖 20 範例系統單線圖
圖 21 範例系統之 SIMULINK 等效電路模型
H1
H2
X1
X2
X3
z
Hz
X123 X2
z
H1
V
H2
V
H1
I
H2
I
X1
I
1
X2
I
2
X2
I
X3
I
+
H
- v
2 X1
v +
-
3 X2
v
+
-
(a) 繞組電壓電流關係圖
yt1 2 yt 2
yt 2 4 yt 2
yt3
2 yt3
H1
H2
X1
X2
X3
2 yt 2
2 yt 2
2 yt 2
2 yt3
2 yt3
2 yt3
4 yt3
(b) 等效模型，yt為變壓器漏磁導納
圖 22 單相三線式單相配電變壓器之繞組電壓電流關係圖與等效電路模型
3 2 1
PQ m A B C -K-
-K- [P2]
[Q2]
圖 23 小型風力發電機組之 SIMULINK 等效電路模型
5.4.台灣地區住宅低壓配電系統短路容量評估 5.4.1 前言
小型風力發電機組的最大可併網量與其所併接之低壓配電系統短 路容量有很密切的關係，一般而言，低壓配電系統短路容量越大，小 型風力發電機組的併網衝擊就越小，相對地，其最大可併網量就較大；
反之，低壓配電系統短路容量越小，小型風力發電機組的併網衝擊就 越大，因此，最大可併網量隨之降低。由於目前電力界對於低壓配電 系統的研究較少，對於住宅低壓配電系統短路容量大小的掌握度亦較 差，因此，本計畫特予深入評估，以供各界參考，並做為本計畫相關 研究之基礎。
5.4.2 低壓配電系統短路容量之影響因子
根據電學原理可知，某一節點(node)之短路容量與該節點至電源 間的阻抗大小成反比關係，阻抗越大，短路容量就越小。低壓配電系 統之短路容量除受其本身元件阻抗大小之影響外，亦與其所連接之一 次配電系統有關。低壓配電系統係藉由配電變壓器併接在一次配電饋 線上，被併接之一次配電系統可以一等效電源表示之，此一等效電源 包含一個戴維寧等效電壓源以及一個戴維寧等效阻抗。低壓配電系統 配電變壓器高壓側端子之短路容量與此一戴維寧等效阻抗之大小有 關，而整個低壓配電系統之短路容量大小又與配電變壓器高壓側端子 之短路容量有關。故在評估低壓配電系統之短路容量時，配電變壓器 高壓側端子短路容量之大小為一重要因子，需列入考慮。除此之外，
低壓配電系統本身之主要元件有配電變壓器、導線、開關與保護設備
等，其中前二者之阻抗相對於其他元件大，故其對低壓配電系統短路
容量之影響也較具關鍵性。因此，綜而言之，本計畫歸納低壓配電系 統短路容量大小之主要影響因子共有三個，即配電變壓器高壓側端子 短路容量以及配電變壓器與導線之阻抗。
5.4.3 配電變壓器高/低壓側端子之短路容量評估
低壓配電系統配電變壓器高壓側所連接者為一次配電系統，因 此，其短路容量必然受到一次配電系統各個元件阻抗之影響。由於一 次配電系統各項元件之規格並非一成不變，故其阻抗亦非一固定值，
由於如此，各個低壓配電系統配電變壓器高壓側端子之短路容量就可 能不一樣。為此，有必要完整地蒐集一次配電系統各項元件阻抗之變 化範圍，然後深入地探討低壓配電系統配電變壓器高/低壓側端子短路 容量受影響之情況。
一次配電系統中影響低壓配電系統短路容量之主要因子可歸納為
主變壓器高壓側等效電源短路容量、主變壓器阻抗以及一次配電饋線
阻抗三者，其中主變壓器高壓側之等效電源即是指該主變壓器所連接
的輸電系統。一次配電系統依其線路架設方式可分為架空與地下配電
系統兩種。就台電配電系統而言，架空與地下配電系統之主變壓器高
壓側所連接的輸電系統之電壓等級並不一樣，所以相對地其短路容量
也不一樣。目前，台電架空系統之電壓等級為 11.4kV，主變壓器高壓
側短路容量約介於 400 至 800MVA 之間；地下配電系統之電壓等級為
22.8kV，主變壓器高壓側短路容量約介於 2000 至 8000MVA 之間。另
外，架空配電系統所採用之主變壓器額定容量為 25MVA，阻抗為
j9.06%；地下配電系統所採用之主變壓器額定容量則有 60 與 30MVA
兩種，阻抗分別為 j15.32%與 j10.08%。在一次配電饋線方面，架空配
地下配電系統則是 500MCM XPLE 纜線，阻抗 0.1978/km 。 架空配電 導線與地下配電電纜兩者之長度均假設最長為 20km。
表 12 與 13 為本計畫考量一次配電系統主要影響因子之參數變化 與各種規格之配電變壓器後，利用 MVA 短路容量計算法所計算出之 配電變壓器高、低壓側短路容量值[29]。表中資料顯示，住宅低壓配 電系統配電變壓器高壓側端子之短路容量受到一次配電系統高壓側等 效短路容量、主變容量與饋線長度等參數之影響而有甚大的變化，但 在經過配電變壓器之後，受到後者繞組阻抗之限制，其低壓側端子之 短路容量變化甚小。由此可知，一次配電系統各項元件之參數變化對 於住宅低壓配電系統短路容量之影響甚小，遠不如配電變壓器繞組之 阻抗。因此之故，本計畫後續相關研究工作不再考慮低壓配電系統配 電變壓器高壓側之短路容量變化問題，而直接取其平均值做為代表，
以簡化研究工作。
表12 連接於11.4kV配電系統之配電變壓器高低壓側等效短路容量
主變壓器 一次配電饋線 配電變壓器
高壓側 短路容量
(MVA)
額定 容量 (MVA)
線 徑 (MCM)
長 度 (km)
高壓側 短路容量
(MVA)
額定 容量 (kVA)
繞組 阻抗 (%)
低壓側短路容量 (MVA) 110V 220V 400 25 477 1 111.0 25 2.511 0.791 0.988 800 25 477 1 128.9 25 2.511 0.791 0.988 400 25 477 10 28.4 25 2.511 0.786 0.962 800 25 477 10 29.5 25 2.511 0.787 0.963 400 25 477 20 15.5 25 2.511 0.781 0.936 800 25 477 20 15.8 25 2.511 0.781 0.937 400 25 477 1 111.0 50 2.696 1.436 1.821 800 25 477 1 128.9 50 2.696 1.437 1.825 400 25 477 10 28.4 50 2.696 1.430 1.738 800 25 477 10 29.5 50 2.696 1.430 1.742 400 25 477 20 15.5 50 2.696 1.420 1.655 800 25 477 20 15.8 50 2.696 1.420 1.858 400 25 477 1 111.0 100 2.801 2.888 3.460 800 25 477 1 128.9 100 2.801 2.891 3.475 400 25 477 10 28.4 100 2.801 2.822 3.173 800 25 477 10 29.5 100 2.801 2.825 3.185 400 25 477 20 15.5 100 2.801 2.750 2.905 800 25 477 20 15.8 100 2.801 2.752 2.916
註：25MVA 主變繞組阻抗值為 j9.06%，主幹線阻抗值為 0.3774/km。
