整合多種分散型資源之微型電網研究---子計畫三：整合多種分散型資源之微型電網規劃設計研究

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

整合多種分散型資源之微型電網研究--子計畫三：整合多種分散型資源之微型電網規劃設計研究(第 3 年)

研究成果報告(完整版)

計畫類別：整合型

計畫編號： NSC 97-2221-E-011-150-MY3

執行期間： 99 年 08 月 01 日至 100 年 07 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

計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：蔡孟霖碩士班研究生-兼任助理人員：吳金龍碩士班研究生-兼任助理人員：丁肇勤碩士班研究生-兼任助理人員：吳孟原碩士班研究生-兼任助理人員：巴賈義碩士班研究生-兼任助理人員：林穎碩士班研究生-兼任助理人員：楊凱平碩士班研究生-兼任助理人員：黃呈欣碩士班研究生-兼任助理人員：康嘉興碩士班研究生-兼任助理人員：王啟安博士班研究生-兼任助理人員：楊念哲博士班研究生-兼任助理人員：廖日能博士班研究生-兼任助理人員：謝廷彥

公開資訊：本計畫可公開查詢

中華民國 100 年 11 月 14 日

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中文摘要：本研究計畫的主要目標是在探究整合多種分散型資源之微型電網規劃、設計技術及準則，期透過嚴謹的工程與經濟分析提出最適合於台灣地區配電系統發展之微型電網架構。第一年進行微型電網基礎研究，各類型分散型能源資源之數學模型開發。第二年則進行微型電網實務研究，以資深入瞭解微型電網在併網運轉模式及孤島運轉模式下之控制與運轉技術，輻射型配電網路之微型電網全尺度模型同時於第二年度規劃完成並提出。第三年則為微型電網進階研究，整合第一、二年度的數學模型以及控制運轉技術於輻射型微型電網系統，進行微型電網運轉於孤島運轉模式、併網運轉模式以及兩種運轉模式轉換過程中的穩態與暫態分析，即對微型電網系統頻率與各母線電壓所造成之影響，以及最適規劃與設計準則亦於此一階段提出。研究結果均符預期，應有助於我國設計出最合適之微型電網架構，達成我國整體發供電系統品質、安全性與經濟效益提升之目的。

中文關鍵詞：輻射型配電系統、微型電網、併聯運轉模式、孤島運轉模式、分散型資源

英文摘要： The primary goal of this research project is to

explore the layout and design technologies, and

principles required for a microgrid with various

distributed energy resources (DERs). And, a suitable

microgrid configuration will be proposed for the most

common power distribution system in Taiwan by means

of series of rigorous engineering and economic

analyses. The essential research of a microgrid-

related skills and technologies will be done in the

first year, and the mathematical models of various

DERs will be developed as well. In the second year, a

practical research about full-scale microgrid model

will be conducted for better understanding the

operation and control technologies of a microgrid

whatever the microgrid is under parallel operation

mode or islanding mode. In this year, a suitable

microgrid will be arranged and proposed for a

practical radial distribution feeder in Taiwan. In

the final year, advanced research about microgrid

will be accomplished. The steady-state and transient

performances during the transfer period between the

parallel operation mode and islanding mode will be

simulated and analyzed in this year. A suitable

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planning and design criteria will be concluded in this stage as well. The results obtained are just as expected when the project was proposed and would contribute to the development of a suitable microgrid for common power distribution systems in Taiwan, and thereby improve the power quality, security and economic benefits of the entire power generation and delivery systems.

英文關鍵詞： Radial distribution system, microgrid, grid-

connective mode, islanding mode

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■成果報告

□期中進度報告

整合多種分散型資源之微型電網研究(Ⅲ) -子計畫三：

整合多種分散型資源之微型電網規劃設計研究

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫計畫編號：NSC 97－2221－E－011－150－MY3 執行期間： 97 年 08 月 01 日至 100 年 07 月 31 日執行機構及系所：台灣科技大學電機系

計畫主持人：陳在相共同主持人：

計畫參與人員：楊念哲、謝廷彥、吳孟原、蔡孟霖、楊凱帄

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二份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除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

中華民國一百年九月二十五日

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I

中英文摘要

本研究計畫的主要目標是在探究整合多種分散型資源之微型電網規劃、設計技術及準則，期透過嚴謹的工程與經濟分析提出最適合於台灣地區配電系統發展之微型電網架構。

第一年進行微型電網基礎研究，各類型分散型能源資源之數學模型開發。第二年則進行微型電網實務研究，以資深入瞭解微型電網在併網運轉模式及孤島運轉模式下之控制與運轉技術，輻射型配電網路之微型電網全尺度模型同時於第二年度規劃完成並提出。第三年則為微型電網進階研究，整合第一、二年度的數學模型以及控制運轉技術於輻射型微型電網系統，進行微型電網運轉於孤島運轉模式、併網運轉模式以及兩種運轉模式轉換過程中的穩態與暫態分析，即對微型電網系統頻率與各母線電壓所造成之影響，以及最適規劃與設計準則亦於此一階段提出。研究結果均符預期，應有助於我國設計出最合適之微型電網架構，達成我國整體發供電系統品質、安全性與經濟效益提升之目的。

關鍵詞: 輻射型配電系統、微型電網、併聯運轉模式、孤島運轉模式、分散型資源

The primary goal of this research project is to explore the layout and design technologies, and principles required for a microgrid with various distributed energy resources (DERs). And, a suitable microgrid configuration will be proposed for the most common power distribution system in Taiwan by means of series of rigorous engineering and economic analyses. The essential research of a microgrid-related skills and technologies will be done in the first year, and the mathematical models of various DERs will be developed as well. In the second year, a practical research about full-scale microgrid model will be conducted for better understanding the operation and control technologies of a microgrid whatever the microgrid is under parallel operation mode or islanding mode. In this year, a suitable microgrid will be arranged and proposed for a practical radial distribution feeder in Taiwan. In the final year, advanced research about microgrid will be accomplished. The steady-state and transient performances during the transfer period between the parallel operation mode and islanding mode will be simulated and analyzed in this year. A suitable planning and design criteria will be concluded in this stage as well. The results obtained are just as expected when the project was proposed and would contribute to the development of a suitable microgrid for common power distribution systems in Taiwan, and thereby improve the power quality, security and economic benefits of the entire power generation and delivery systems.

keywords: Radial distribution system, microgrid, grid-connective mode, islanding mode

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圖表索引

圖3-1 CERTS 微型電網系統架構圖 ... 3

圖3-2 曼特斯特大學實驗型微電網 ... 4

圖3-3 京丹後市微型電網系統架構 ... 5

圖3-4 中國合肥科技大學微電網實驗帄台 ... 6

圖3-5 中國合肥科技大學微電網實驗帄台兩階層控制 ... 6

圖3-6 太陽能、風機、沼氣之虛功曲線與負載虛功量 ... 7

圖3-7 DOMOTEC 量測之虛功(QMEAS)與負載虛功(QLOAD) ... 7

圖3-8 KERI 第一階段系統架構圖 ... 8

圖5-1 不同照度下對太陽能模組的 I-V 特性曲線的影響圖 ... 10

圖5-2 不同溫度下對太陽能模組的 I-V 特性曲線的影響圖 ... 10

圖5-3 太陽光電陣列模擬結果與 SOLAR PRO 模擬結果比較圖 ... 11

圖5-4 太陽能光電模組最大功率點追蹤模擬結果 ... 11

圖5-5 不同風速下之 ΩM-PWIND 曲線圖 ... 12

圖5-6 永磁式發電機的感應電勢波形圖 ... 12

圖5-7 風力發電機輸出整流後的電壓與電流圖 ... 13

圖5-8 風力發電機的最大功率追蹤圖 ... 13

圖5-9 風力發電機有無裝設最大功率追蹤器的結果比較圖 ... 13

圖5-10 燃料電池特性曲線圖 ... 14

圖5-11 燃料電池工作溫度對於輸出功率之影響圖 ... 15

圖5-12 燃料電池電壓之動態波形圖 ... 15

圖5-13 同步發電機之輸出實功率對頻率曲線 ... 16

圖5-14 小型柴油發電系統自動發電控制之模擬系統 ... 16

圖5-15 含與不含 AGC 功能之小型柴油發電系統頻率變化比較 ... 17

圖5-16 含與不含 AGC 功能之小型柴油發電系統端電壓變化比較 ... 17

圖5-17 脈波寬度調變方塊圖 ... 19

圖5-18 三相交流-直流功率轉換器之電路圖 ... 19

圖5-19 三相交流-直流功率轉換器之開關等效電路圖 ... 20

圖5-20 交流-直流功率轉換器直流電壓及交-直軸電流閉回路控制方塊圖 ... 22

圖5-21 交流-直流功率轉換器模擬架構電路圖 ... 22

圖5-22 交流-直流功率轉換器輸出電壓 ... 23

圖5-23 交流-直流功率轉換器輸出功率 ... 23

圖5-24 交流-直流功率轉換器市電側 A 相電壓與電流波形 ... 23

圖5-25 單臂型直流-直流功率轉換器電路圖 ... 24

圖5-26 單臂型直流-直流功率轉換器降壓模式之開關等效電路圖 ... 24

圖5-27 單臂型直流-直流功率轉換器之降壓模式控制方塊圖 ... 25

圖5-28 直流-直流功率轉換器電流控制模式之模擬架構電路圖 ... 26

圖5-29 直流-直流功率轉換器之充電 SOC ... 26

圖5-30 直流-直流功率轉換器之充電電壓 ... 26

圖5-31 直流-直流功率轉換器之充電電流 ... 27

圖5-32 單臂型直流-直流功率轉換器升壓模式之開關等效電路圖 ... 27

圖5-33 單臂型直流-直流功率轉換器之升壓模式控制方塊圖 ... 28

(10)

V

圖5-34 直流-直流功率轉換器電壓控制模式之模擬架構電路圖 ... 29

圖5-35 直流-直流功率轉換器放電之 SOC ... 29

圖5-36 直流-直流功率轉換器之電池放電電壓 ... 29

圖5-37 直流-直流功率轉換器之電池輸出功率 ... 30

圖5-38 直流-直流功率轉換器放電之輸出電壓 ... 30

圖5-39 直流-交流功率轉換器電流控制模式之電路圖 ... 31

圖5-40 直流-交流功率轉換器市電並之交、直軸電流閉迴路控制 ... 33

圖5-41 直流-交流功率轉換器電流控制模式電路圖 ... 33

圖5-42 直流-交流功率轉換器電流控制型三相電壓波形 ... 34

圖5-43 直流-交流功率轉換器電流控制型三相電流波形 ... 34

圖5-44 直流-交流功率轉換器電流控制型輸出功率 ... 34

圖5-45 直流-交流功率轉換器電壓控制模式之電路圖 ... 35

圖5-46 電壓/電流閉回路控制方塊圖 ... 37

圖5-47 直流-交流功率轉換器電壓控制模式電路圖 ... 37

圖5-48 直流-交流功率轉換器電壓控制型三相電壓波形 ... 38

圖5-49 直流-交流功率轉換器電壓控制型三相電流波形 ... 38

圖5-50 輻射型微型電網範例系統 ... 39

圖5-51 太陽光電發電系統輸出功率變動情形 ... 41

圖5-52 (A)風速變動情形 (B)小型風力發電系統輸出功率變動情形 ... 42

圖5-53 案例 1 併網運轉模式下之系統頻率 ... 42

圖5-57 案例 1 併網運轉模式下之母線相電壓 ... 44

圖5-61 案例 1 孤島運轉模式下之系統頻率 ... 45

圖5-65 案例 1 孤島運轉模式下之母線相電壓 ... 47

圖5-69 併網運轉模式轉換為孤島運轉模式之模擬規劃 ... 49

圖5-70 孤島運轉模式轉換為併網運轉模式之模擬規劃 ... 50

圖5-71 案例一之微型電網母線電壓變化 ... 51

圖5-72 案例一之微型電網系統頻率變化 ... 51

圖5-73 案例一之各分散型電源與市電之實功率變化 ... 52

圖5-74 案例一之各分散型電源與市電之虛功率變化 ... 52

圖5-75 案例二之微型電網母線電壓變化 ... 53

圖5-76 案例二之微型電網系統頻率變化 ... 53

(11)

圖5-77 案例二之各分散型電源與市電之實功率變化 ... 54

圖5-78 案例二之各分散型電源與市電之虛功率變化 ... 54

圖5-79 案例三之微型電網母線電壓變化 ... 55

圖5-80 案例三之微型電網系統頻率變化 ... 55

圖5-81 案例三之各分散型電源與市電之實功率變化 ... 56

圖5-82 案例三之各分散型電源與市電之虛功率變化 ... 56

圖5-83 案例三之不斷電系統電池(A)輸出功率、(B)SOC 與(C)電流變化 ... 57

圖5-84 案例三之敏感性負載電壓變化 ... 57

圖5-85 改善後之微型電網母線電壓變化 ... 58

圖5-86 改善後之微型電網系統頻率變化 ... 59

圖5-87 改善後之各分散型電源與市電之實功率變化 ... 59

圖5-88 改善後之各分散型電源與市電之虛功率變化 ... 60

圖5-89 案例四之微型電網母線電壓變化 ... 61

圖5-90 案例四之微型電網系統頻率變化 ... 61

圖5-91 案例四之各分散型電源與市電之實功率變化 ... 62

圖5-92 案例四之各分散型電源與市電之虛功率變化 ... 62

圖5-93 案例四之不斷電系統電池(A)輸出功率、(B)SOC 與(C)電流變化 ... 63

圖5-94 案例五之微型電網母線電壓變化 ... 64

圖5-95 案例五之微型電網系統頻率變化 ... 64

圖5-96 案例五之各分散型電源與市電之實功率變化 ... 65

圖5-97 案例五之各分散型電源與市電之虛功率變化 ... 65

圖5-98 案例五之不斷電系統電池(A)輸出功率、(B)SOC 與(C)電流變化 ... 66

圖5-99 微電網系統概念圖 ... 67

圖5-100 併網型微電網系統之模擬系統示意圖 ... 69

圖 5-101 併網型微電網系統於饋線負載帄均分布之饋線電壓圖(1) ... 70

圖 5-110 併網型微電網系統於饋線負載遞增分布之饋線電壓圖(1) ... 74

圖 5-119 併網型微電網系統於饋線負載遞減分布之饋線電壓圖(1) ... 77

(12)

VII

圖 5-128 分散式放置靜態電容器對負載均勻分布併網型微電網系統之饋線電壓圖 ... 82

圖 5-129 分散式放置靜態電容器對負載遞增分布併網型微電網系統之饋線電壓圖 ... 82

圖 5-130 分散式放置靜態電容器對負載遞減分布併網型微電網系統之饋線電壓圖 ... 82

圖 5-131 孤島型微電網系統之模擬系統示意圖 ... 83

圖 5-132 孤島型微電網系統於饋線負載帄均分布之饋線電壓圖(1) ... 84

圖 5-141 孤島型微電網系統於饋線負載遞增分布之饋線電壓圖(1) ... 88

圖 5-150 孤島型微電網系統於饋線負載遞減分布之饋線電壓圖(1) ... 91

圖 5-159 分散式放置靜態電容器對負載均勻分布孤島型微電網系統之饋線電壓圖(1) ... 96

圖5-160 分散式放置靜態電容器對負載均勻分布孤島型微電網系統之饋線電壓圖(2) ... 96

圖5-161 分散式放置靜態電容器對負載均勻分布孤島型微電網系統之饋線電壓圖(3) ... 96

圖 5-162 分散式放置靜態電容器對負載遞增分布孤島型微電網系統之饋線電壓圖(1) ... 97

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圖 5-165 分散式放置靜態電容器對負載遞減分布孤島型微電網系統之饋線電壓圖(1) ... 98

表5-1 同步發電機參數設定 ... 16

表5-2 範例系統參數 ... 39

表5-3 範例系統之分散型電源 ... 39

表5-5 微型電網運轉分析案例內容 ... 40

表5-6 微型電網於市電因故停電轉換成孤島運轉模式之案例描述 ... 50

表5-7 微型電網於市電源復電後轉換成市電併聯模式之案例描述 ... 60

表5-8 併網型微電網系統模擬案例(一) ... 69

表5-9 併網型微電網系統模擬案例(二) ... 73

表5-10 併網型微電網系統模擬案例(三) ... 77

表5-11 分散式放置靜態電容器對於併網型微電網系統之模擬案例 ... 81

表5-12 孤島型微電網系統模擬案例(一) ... 84

表5-13 孤島型微電網系統模擬案例(二) ... 87

表5-14 孤島型微電網系統模擬案例(三) ... 91

表5-15 分散式放置靜態電容器對於孤島型微電網系統之模擬案例 ... 95

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第一章前言

長久以來，台灣的經濟發展與能源需求息息相關。然而，台灣地區缺乏自產能源，近 99 %能源仰賴進口。近年來隨著政府的大力推動再生能源發展，時至今日，台灣電力公司及一些民間業者已在全台各地廣設大型風力發電機組，離島澎湖的部分用電來源亦逐漸為風力發電所取代。除此之外，經濟部能源局曾正大力推廣的「太陽光電發電系統申請設置補助計畫」以及近期擬定的「綠色能源產業旭升方案」，將太陽光電、 LED 照明、風力發電、

生質燃料、氫能與燃料電池、能源資通訊、電動車輛定義成為當前發展的重點能源產業，

再再都為台灣自產能源的擴展提供助益。然因，風能與太陽能皆屬間歇性能源，欲獨立發電並穩定供電給負載，除機組容量頇大幅度提高外，尚需大容量的儲能與虛功補償裝置，

截至目前為止，此一作法尚非經濟、可行。因此，提高能源轉換、輸送與使用效率以及節約能源仍為全球能源機構與學者所極度關切的議題。

近年來，由於經濟與科技的蓬勃發展，因而提高住宅用戶、商業大樓、工廠等對能源的需求，迄今，更要求提升供電的可靠度，因此，電力系統必頇要做最適當的規劃、設計、

安裝、運轉、維護與管理，以提高用戶的供電品質。然而，石化能源的大量開採，導致現今已所剩無幾，對環境亦會造成嚴重的傷害。為了解決能源供應的危機並兼顧對環境衝擊等議題，世界各國的研究團隊已於西元 2002 年左右，相繼的投入可觀的研究經費及訂定獎勵與補助措施，大力開發微型電網系統。微型電網的基本理念是將數台小型石化燃料發電機組結合再生能源發電機組與儲能系統，以形成一區域性、分散型之發電系統，使其能在大型公共電網因故停電後，仍能由獨立發電與供電的分散型電源持續供電給特定的負載，

而不虞匱乏。微型電網的規劃與設計所涉及之層面甚廣，亦需依各地天候、用電習慣、系統型式、用電需求等之不同而有別。因此，各國對微型電網的架構、發展重點、控制方式等均略有不同，亦各有偏重。因此，如何規劃與設計出適合台灣地區配電系統發展的微型電網，乃為本子計畫的主要研究目標。

第二章研究目的

近年來，能源危機與溫室效應等環境議題，迫使世界各國無不戮力以赴，設法解決此一問題，微型電網的概念也因此應運而生。目前，台灣所使用的能源大多是倚賴國外進口，

在京都議定書已然生效，環保議題不斷的發燒下，台灣再生能源發電容量的目標值實有再

提升的必要。本研究計畫的主要目的在探究適合台灣地區發展微型電網之規劃、設計理念

與技術。世界各先進國家所開發的微型電網系統，大都依據當地可利用之能源資源、負載

特性、天候條件等因素作綜合考量，以規劃、設計出最適於當地配電系統發展的微型電網

系統。另外，微型電網之運轉衝擊除了可以藉由適當之設備改善外，更可透過配電系統之

適當規劃與設計達到減輕衝擊、降低損失及提升整體系統運轉效率之效益。因此，本計畫

透過慎密的模擬與分析，分別針對輻射型微型電網於併網運轉模式、孤島運轉模式以及兩

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運轉模式間轉換過程下，分析其暫態過程及穩態變動對微型電網可靠度、品質與安全等所可能產生之不良影響，以探求輻射型配電系統最適微型電網結構之規劃與設計。

第三章文獻探討

本研究計畫已陸陸續續蒐集了世界各國針對微型電網的目標、方向、近期發展現況、

實驗型微型電網的模擬，以及建構微型電網實體等相關資料。本文所探討的內容將以研究單位所提出之實驗型微型電網與實際微電網運轉架構，並更進一步探究其運轉、控制等相關內容，進而提升微型電網運轉效率與特性。由於，目前微型電網沒有既定的標準測詴系統，因此，各個研究機構皆有不同的測詴地點與微型電網拓璞結構。本文將探討研究單位包含美國 Consortium for Electric Reliability Technology Solutions(CERTS)微型電網、曼特斯特大學實驗型微電網(University of Manchester)、日本 New Energy and Industrial Technology Development Organization(NEDO)、中國合肥科技大學微型電網實驗帄台、歐洲與韓國。

美國 CERTS 微型電網：CERTS 微型電網設置地點位於近俄亥俄州之哥倫比亞，為一大型的測詴系統，並由美國電力公司(American Electric Power, AEP)共同運轉。CERTS 測詴系統含有三條饋線，其中一條饋線連接一台由天然氣帶動之 60 kW 發電機，另一條饋線則是連接兩台與上述饋線相同型式與容量的發電機，第三條則直接與市電連接，可經由靜態開關(static switch)來控制分散型電源的電能供應。在每一條饋線的發電機組中，也可利用電池儲存裝置連接於直流匯流排上，或經由變流器(inverter)供電。其 CERTS 微電網系統單線圖如圖 3-1 所示。

在 CERTS 微電網系統信息傳送上，利用以太網路(ethernet)作為中央通訊系統，其連接能源管理系統(energy management system, EMS)與各發電機組，作為各分散型電源間調度的使用。然而，此通訊網路不是在微型電網動態控制下使用，因此，電源皆能夠以隨插即用 (plug-and-play)的方式自動地做控制。此系統亦沒有中央控制器也能夠讓各分散型電源運轉於點對點(pear-to-pear)的方式(考慮 N+1 個電源運轉方式，可在其中一個電源損壞時，亦不會影響到整體微電網的功能)。其 CERTS 微電網的控制包含：

1. 利用實功率對頻率下降(active power versus frequency droop)曲線來控制各分散型電源。因此，每部發電機皆可由頻率來做協調。

2. 利用虛功率對電壓下降(reactive power versus voltage droop)曲線來控制分散型電源的電壓。因此，可穩定市電且確保電源間不會有虛功率環流存在。

3. 閘流體型靜態開關可在系統不明之擾動下，例如：故障、IEEE 1547 事件、電力品質問題，能夠自動地將微型電網切換成孤島運轉，以防止擾動損壞系統。

4. 利用微型電網孤島運轉下與市電間的相位差，來達到與市電同步運轉。

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圖3-1 CERTS 微型電網系統架構圖

英國曼特斯特大學實驗型微電：圖 3-2 所示為曼特斯特大學實驗型微型電網系統架構圖，整系統以電壓 0.4 kV 供應，並利用同步型與感應式發電機作為微型電網的電能來源。

能源儲存設備則是 100 kW 的飛輪(flywheel)儲能系統，此系統經由兩個智慧型功率模組 (intelligent power module, IPM)連接至微型電網，分別為耦合電抗與耦合變壓器，在孤島模式下，可設定其參考電壓與頻率，以維持微型電網整系統的電壓與頻率之穩定，控制方法是利用實功率對頻率下降與虛功率對頻率下降，同時可在系統受到擾動時提供足夠的故障電流致使保護設備啟動。當飛輪無法運轉時，利用 variac 連接至 600 V 的直流整流器，作為整流器之直流鏈電壓，並同時供給直流電壓給 IPM，IPM 可根據不同的啟動程序，提供飛輪系統不同的直流電壓值。利用大小為 12 kW 的集總電阻，可消除過多能量，但通訊系統等相關的議題，此實驗型微型電網並未討論。

CB CB

CB Static

Switch CB

CB

Converter Based Source

Driven by Natural gas

60 kW Converter

Based Source

Converter Based Source

CB CB

Load Bank 6 and Fault Load Driven by Natural gas

60 kW

Driven by Natural gas

60 kW

Load Bank 5 and Fault Load Load Bank 3

and Fault Load

Load Bank 4 and Fault Load

Fault Load 2

15MVA 13.2 kV/480 V

500kVA 480 V/480 V

112 kVA 480 V/480 V

Utility

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圖3-2 曼特斯特大學實驗型微電網

日本 NEDO 微型電網：日本地區在微型電網的研究上，以研究機構 NEDO 為主。NEDO 的微型電網概念是將分散型電源與用電負載放置於同一區域內，進行整合並有效率的控制，

因此，可以視為一個小型的市電系統。微型電網在與市電系統併聯運轉的情況下，會利用電力潮流的估測結果來控制輸出功率的流向。日本的微型電網系統係以再生能源發電為主，

因此，太陽光電發電與風力發電等設備，為日本地區建構微型電網的熱門選項。然因風能與太陽能等再生能源皆為間歇性能源，因此，必頇搭配較穩定的電源，例如：燃料電池發電或沼氣(biogas)發電等非石化燃料型發電機組之配合。目前，台灣地區再生能源的發展方向，與日本地區廣設太陽光電發電與風力發電的措施甚為雷同。

日本 NEDO 技術單位也於近年發表出微型電網的測詴，於愛知縣(Aichi)、京丹後市 (Kyotango)、八戶(Hachinohe)、以台(Sendai)等地區設置測詴場。近期所提出的目標“測詴新式電網系統(Demonstrative Project on New Power Network Systems)”中，針對電壓與電力潮流的改善與電力品質的議題進行討論。在既有的硬體設備中，增加靜態虛功補償(static var vompensator, SVC)、步級電壓調整(step voltage regulator, SVR)與迴路帄衡控制器(loop balance controller, LBC)，其中 SVC 與 SVR 作為饋線電壓的控制，LBC 則是可控制兩條饋線間的電力潮流。

NEDO 主要的大規模測詴地位於愛知縣、京丹後市與八戶，其中愛知縣是利用燃料電池、太陽能板與電池作為電能的來源，且皆設有變流器做為電能的轉換。在 2004 年至 2005 年的測詴期間中，總共提供 3,716 MWh 的電力於兩大型的展覽館。京丹後市的主要設備則是沼氣(biogas)發電，另外，在可調整控制的地方裝設兩 PV 系統與一個 50 kW 的小型風機，

發電設備與終端用戶的電能需量皆由遠端監控來達成，後續將做詳細的介紹。八戶的測詴

CB

Fly wheel system CB

Coupling

Reactance Inverter

Synchronous Machine Induction

Machine

AC Motor Drive 22 kW

CB

Resistive CB Load 12 kW

Fly Wheel Rectifier

CB CB

Rectifier 600 V DC Variac CB

Coupling Transformer

CB Dump R

DC Link 0.4 kV, 3 phase

Laboratory mains supply

Contactor 1 (For a fault on the network)

Contactor 2 (For the microgrid) Utility

(18)

包含氣渦輪機與太陽能，並利用變流器作為 PV 系統不帄衡三相的補償。

圖3-3 京丹後市微型電網系統架構

京都能源計畫為 NEDO 計畫裡的其中之一，其微型電網設置於京丹後市。圖 3-3 所示為京丹後市的微型電網架構，其分散型電源包含氣渦輪機(400 kW)、MCFC(250 kW)與鉛蓄電池(100 kW)、兩組太陽能發電系統與 50 kW 的小型風力發電機，每個分散型能源與負載皆與市電做連接，且皆由單一控制器控制整系統的分散型電源與負載，發電設備與用戶電能需量皆由遠端監控來達成，且為了能夠在較偏遠的地區做通信，則利用傳統的綜合服務數碼網絡 (integrated services digital network, ISDN)或非對稱數位用戶線 (asymmetric digital subscriber line, ADSL)來做為通訊傳輸設備。

中國合肥科技大學微電網測詴帄台：中國合肥科技大學微電網測詴帄台之分散型電源包含太陽能發電(單相 10 kW 與三相 30 kVA)、風力發電模擬器(30 kW×2)、燃料電池(5 kW)、

電池組(300 Ah)、超級電容(1800 F×100)、傳統發電裝置(15 kW×2)，傳統發電裝置包含小型水力與石油發電機組，負載方面包含電阻、電抗、電容、交直流馬達與其他電子裝置負載。

交流電壓等級有 400 V 與 800 V，圖 3-4 為合肥科技大學微型電網示意圖。其控制包含兩階層，局部控制與集中控制，如圖 3-5 所示，局部控制是與分散型電源的變流器整合，以控制匯流排上的功率潮流、電壓與頻率，且變流器可自動的切換運轉模式，對電力品質與保護系統也有所控管。集中控制則是可控制微型電網運轉的啟斷，根據分散型電源的能源輸出變動、天候因素，提供分散型電源與及時控制決策的最佳排程。另外，能源管理也符合 IEC 61970 CIM 的標準，並設置監控與資訊擷取(SCADA)系統、自動電壓控制(AGC)與電力

Utility Network

592 kW

100 kW PV 20 kW

178 kW

100 kW PV 20 kW

7.5 kW

9.4 kW

100 kW Gas engine 80 kWx5

MCFC 250 kW Battery 100 kW

100 kW Wind Turbine

20 kW

Internet-based Control System

(19)

系統應用軟體(PAS)。

圖3-4 中國合肥科技大學微電網實驗帄台

圖3-5 中國合肥科技大學微電網實驗帄台兩階層控制

歐洲：歐洲地區微型電網的發展不同於美洲、亞洲，或澳洲。歐洲地區是採取分工合作的方式來建構一套適合於歐洲地區發展的完整微型電網系統架構。研究團隊成員遍及歐洲地區內的研究機構與學校，統稱為DERlab。DERlab內的各研究機構分工合作，針對微型電網內的各主發展項目進行個別研究，DERlab中較著名的實驗室及工作項目如下：NTUA 設計單相系統並發展微型機組間的協調控制軟體(MAS)、ISET的DeMoTec是DER等微型電網裝置的測詴場所、曼側斯特大學設計微型電網儲能裝置(飛輪)、LABEIN-Tecnalia則負責建構微型電網系統等。

近年在微型電網相關研究中，FENIX團隊除了提高群聚式分散型電源於實際測詴系統之併網量，並直接對分散型電源的實功與虛功率做控制，利用最佳的虛功率控制來改善電

CB CB CB

CB CB

Load

Inv PV

Battery CB

Conventional Generator CB

Load CB

CB

CB CB

CB

Load

CB

CB CB

Load Inv

Fuel Cell

CB

Load

Inv Inv Inv

Battery CB

· Isolation temperature

· Wind speed Measurement

Wind/Solar energy prediction

· DG voltage/current

· Feeder flow

· Bus voltage/current Measurement

Load prediction

Economic dispatching

schedule

Local Controller 1 Local Controller 2 Local Controller 3

P/Q setting

Droop setting Central Controller

Local Controller

(20)

並利用ISET所提供之DeMoTec(Design Centre of Modular Supply Technologies)技術來進行分析與比較。另外，分散型電源的實功率與虛功率潮流控制則是由 ICCT(Information, Communication, and Control Technology)設備來完成。測詴系統中包含20 kW沼氣發電、8 kW 風力發電與16 kW太陽能發電，其實功率分佈曲線如圖3-6所示，需補償之設備為30 kVA的負載。由圖3-7可知，DeMoTec量測到之虛功率與負載虛功率十分的接近，故可得到最佳之補償效果，進而減少其運轉上之成本與電力潮流的擁塞。此外，若沼氣發電不使用STACOM 時，則可減少10%的成本，效率上可達到98%；而若加入風力發電與太陽能發電則可減少46%

的成本。

圖3-6 太陽能、風機、沼氣之虛功曲線與負載虛功量圖3-7 DoMoTec 量測之虛功(Qmeas)與負載虛功(Qload)

韓國：近幾年韓國對分散型電源與儲能系統投入相關的研究，許多的財團、大學、研究機構、KERI(Korea Electrotechnology Research Institute)與韓國電力公司 KEPCO(Korea Electric Power Corporation)也紛紛投入微型電網的相關研究中，其中 KERI 為主要的研究團隊。此計畫分兩階段進行。第一階段(2007.09~2009.08)建立 100 kW 微型電網系統並評估其運轉特性，其系統架構如圖 3-8 所示，首先，決定其發電型式、容量、模擬微型電網與其保護設備的動態與靜態特性，並建立 100 kW 詴驗場且評估其運轉效率。結構上包含分散型電源、靜態開關(static transfer switch ,STS)、智慧型電子設備(intelligent electronic device , IED) 、功率調整系統 (power conditioning system ,PCS) 與微電網管理系統 (microgrid management system, MMS)。

其中，分散型電源包含太陽能、風力、電池儲能系統與柴油發電，另外，軟體與模擬方面則則包括 RTDS(Real Time Digital Simulator)與配電線路阻抗模擬、故障分析、中型風機模擬、太陽能和電池混合模擬及不同負載下之特性模擬。並針對三種不同的運轉模式進行測詴，其中，包含電網連接模式、孤島運轉模式及由電網連接切換至孤島運轉模式。電網連接模式主要目標在於 PCC(Point of Common Coupling)點上的潮流控制，另外兩種模式則在控制頻率與電壓的變動。在 KERI 詴驗系統上也總括出幾項特性，不同負載下的特性、

混合可控與不可控之分散型電源特性、分析實際的分散型電源和負載下的結構特性。第二

階段(2009.09~2010.08)則建立 MW 等級的微型電網詴驗場並分析其標準、商業化與微電網

(21)

工程上的相關技術，且能夠利用能源儲存裝置來改善轉換至孤島下的電力品質。

圖3-8 KERI 第一階段系統架構圖

第四章研究方法

本研究計畫的主要目的是在探究整合多種分散型資源微型電網之規劃與設計。主要研究工作為依據第一年與第二年所蒐集到之微型電網相關技術資料與文獻，建立分散型資源數學模型並整合輻射型配電網路，建構出微型電網全尺度模型(full-scale model)，探討在併網運轉模式、孤島運轉模式以及兩模式間轉換過程中，對當地配電系統與設備之影響與衝擊，進而提出可行之規劃設計方案與技術，使當地配電系統結構更為強健，以便提升層級至建構微型電網測詴場，達到提高供電穩定性並兼顧供電品質、降低整體投資與運轉成本之效益，進而提高相關產業的競爭力。以下將針對本計畫簡述其主要研究內容：

第一年為基礎研究：將針對整合多種分散型資源之微型電網架構內構成元件(發電機組、

儲能裝置、負載)之特性進行研究，建立其數學模型，並進行整合測詴與應用。

第二年為實務研究：針對微型電網中所有已建構之數學模型加以整合應用，建立輻射型配電網路之微型電網全尺度模型，並進行微型電網於併網運轉模式與孤島運轉模式下，

暫態與穩態之模擬與分析。

第三年為進階研究：將針對微型電網進行進階研究，分析典型輻射型配電系統微型電網之併、解聯衝擊，即微型電網於市電因故停電而轉換成孤島運轉模式，及微型電網於市電源復電後轉換成併網運轉模式之過程模擬與分析，並依三年期研究計畫模擬、分析與探討結果，綜合探討微型電網之最適規劃設計原則與方法。

以上三年期的研究結果將有助於規劃設計出最適合台灣地區的微型電網，並達到提升

整體供電品質、安全性與經濟效益之目的，以及可提供未來對舊有市電系統以及偏遠地區

用電升級及擴充時之參考與應用。

(22)

第五章結果與討論

5.1 分散型資源數學模型

本研究計畫所開發的數學模型範圍涵蓋：太陽能光電板數學模型、風力發電機數學模型、燃料電池數學模型，以及柴油發電機自動發電控制(automatic generation control, AGC) 模型。其中，太陽能光電板數學模型包含：高精準度的規畫出電壓-電流特性曲線、可模擬任意串並列的光電板組合、可模擬遭受遮陰現象的電壓-電流特性曲線、最大功率追蹤的設計等。風力發電機數學模型的功能包含：高精準度的規畫出電壓-電流特性曲線功率-角速度特性曲線、永磁式同步發電機模型、濾波電路，以及最大功率追蹤的設計等。燃料電池數學模型的功能包含：高精準度的規畫出電壓-電流密度特性曲線，以及運轉中動態模型的呈現。柴油發電機自動發電控制模型包含：自動電壓調整(automatic voltage regulator, AVR)以及負載頻率控制(load frequency control, LFC)，作為孤島運轉下穩定電壓與頻率之用。詳細的模型建構方式與模擬結果將概述如下。

5.1.1 太陽能光電板

太陽光電陣列是由許多的太陽能電池串、並聯所組成，連接方式和數目會因製造廠商所生產的模板而有所不同，通常，廠商所提供的太陽光電模組詳細規格包含：(1)最大輸出功率 (2)最大功率點電壓 (3)最大功率點電流 (4)開路電壓 (5)短路電流 (6)開路電壓溫度係數 (7)短路電流溫度係數，以及(8)太陽能模組的 I-V 特性曲線圖。本研究計畫為了模擬出與廠商所提供 I-V 曲線圖相近的結果，因此採用[32]的參數模型，其模擬出之 I-V 曲線結果，

與廠商所提供的非常相近，其所需要的參數可以經由廠商所提供的資料獲得。圖 5-1 與 5-2 分別為太陽能模組在不同照度與溫度下的模擬結果，由結果可看出照度對模板輸出電流的影響較大；模板溫度則對電壓的影響較大。

太陽光電陣列的遮蔭現象可能是由白雲、建築物、樹木等因素所造成，遮蔭現象發生時，太陽光電模組會因為逆壓過熱，進而導致太陽光電模組損壞，所以一般太陽光電模組都會並聯旁路二極體，當逆壓產生時，旁路二極體會導通，並讓逆壓所產生之電流流過二極體，而不會對太陽光電模組造成破壞。換句話說，要考慮太陽能光電陣列的遮蔭現象影響，必頇考慮太陽光電模組等效模型內旁路二極體的特性。此模擬的範例背景之太陽能光電電池串聯個數為八、並聯個數為二，進行三種不同遮陰情況的測詴模擬，本計畫所使用的對照軟體為市售商用程式 Solar Pro。圖 5-3 所示為其模擬結果，由上而下分別表示所有太陽光電模組日照強度皆為 1000 W/m

²

；太陽光電模組皆受到遮蔭影響，日照強度降為 500 W/m

²

；太陽光電模組皆受到遮蔭影響，日照強度降為 200 W/m

²

等三種情形，由模擬結果可以確認本計畫所開發的太陽能光電陣列等效模型之正確性，其中，實線表示本計畫所開發太陽能模型之模擬結果、虛線為市售商用軟體 Solar Pro 的模擬結果。

天氣瞬息萬變，照射在太陽光電模板上的日照強度及表面溫度不斷的隨著時間在變化，

為了讓太陽光電的輸出功率一直維持在最大輸出功率，必頇使用最大功率點追蹤控制器，

(23)

來達到最大輸出功率的目的，提高太陽能源的使用效率。最大功率點追蹤控制器是由硬體和軟體所組成。硬體方面包括：(1)降壓型直流/直流轉換器 (2)升壓型直流/直流轉換器 (3) 升降壓型直流/直流轉換器，需要依照系統需求來決定使用何種硬體。軟體方面的太陽能最大功率點追蹤演算法有很多種，本計畫將使用擾動觀察法來達成。擾動觀察法主要有三項優點，原理簡單、容易實現及所需要量測的參數較少，所以被廣泛的使用在太陽能最大功率點追蹤。圖 5-4 所示為最大功率點追蹤的模擬結果，圖中 0~0.05 秒為照度 600 W/m

²

時，

最大功率點爬升的情形，圖中 0.05~0.1 秒為照度 100 W/m

²

的最大功率追蹤結果，圖中 0.1~0.15 秒為照度 1000 W/m

²

的最大功率追蹤結果。

圖5-1 不同照度下對太陽能模組的 I-V 特性曲線的影響圖

圖5-2 不同溫度下對太陽能模組的 I-V 特性曲線的影響圖

(24)

圖5-3 太陽光電陣列模擬結果與 Solar Pro 模擬結果比較圖

圖5-4 太陽能光電模組最大功率點追蹤模擬結果

5.1.2 風力發電機

依照風機軸承方向與葉片迎風面之間的關係，可以將風力發電機分為垂直型與水帄型兩種。垂直型風機不受風向影響、噪音小、適用於市區，一般用於較小容量之發電系統。

水帄型風機的使用效率較高，其輸出功率亦較大，因此，本計畫所建立的風力發電機模型將以水帄型為主。風力渦輪機自風中取得之功率與葉片旋轉面積(A)成正比，和風速(v)之三次方成正比，且與當時環境之空氣密度(ρ)成正比。當 λ 尖端速度比(tip speed ratio, TSR)為 1/3 時，渦輪機轉換係數 C

p

達到最大值 0.593，此稱為貝茲極限(Betz limit)。由此可知，在理想情況下，風力機最多只能獲得約 59.3%的風能。

另外，轉換係數與葉片外型以及葉片角度有關，可利用模擬軟體或經由實測來取得 λ-C

p

的關係曲線，可由葉片半徑及當時之轉速和風速得知，即可對照 λ-C

p

關係曲線來求得當時之 C

p

值。若採用水帄型且無葉片角度控制之渦輪機，λ-C

p

關係曲線則為固定。如圖 5-5 所示為在不同風速下之 ω

m

-P

wind

曲線，不同的風速將對應至不同的最大功率與轉速，故可利用控制轉速來取得最大功率之輸出。

本計劃所建構的永磁式發電機模型，屬於無凸極效應的永磁式同步發電機，即直軸電

感 L

d

與交軸電感 L

q

相等。永磁式發電機模型主要是依據運動方程式及感應電壓方程式推

(25)

導而來，首先，利用渦輪機自風中取得之轉矩 T

wind

及發電機之電磁轉矩 T

g

計算出轉速 ω

m

，再代入感應電壓方程式，即可取得感應電勢 e

abcs

，其感應電勢波形如圖 5-6 所示。

目前風力發電用永磁式同步發電機(PMSG)大部分將輸出之三相交流電經由二極體整流為直流電，其缺點為整流器輸入側之功率因數較低，電流諧波含量較大，但皆發生於發電機側，因此，對負載影響較小。整流後的電壓經過電容 C

dc

穩壓後，再接至負載 R

o

，其輸出 V

dc

及 I

o

波形如圖 5-7 所示。風力發電機之輸出功率與葉片轉速呈現非線性關係，且不同風速下之 ω

m

-P

wind

曲線皆不同，為了使風力發電機處於最大功率輸出的狀態，故需要利用最大功率追蹤。

最大功率追蹤包含硬體及軟體兩部份，硬體部分可使用直流/直流升壓、降壓及升降壓轉換器等方式，而軟體部分則分為觀察擾動、比較斜率、三點權位及固定 TSR 等方法。本研究計畫的風力發電機模型將採用觀察擾動法，及直流/直流升壓轉換器作為最大功率追蹤的控制方法。擾動觀察法是利用即時回授風力發電機的輸出功率，並與上一週期的輸入功率進行比較，以決定命令電流，再透過比例-積分控制器產生轉換器所需之下一個開關責任週期，使實際電流追隨命令電流，完成最大功率追蹤。假設風速固定為 10m/s 且後端經電容 C

dc

穩壓，再接至負載 R

o

，其輸入直流/直流升壓轉換器之電流 I

dc

、命令電流 I

^*dc

及輸出直流/直流升壓轉換器之電壓 V

dc

、電流 I

o

波形如圖 5-8 所示。圖 5-9 所示為風力發電機模型，

有、無裝設最大功率追蹤器的結果比較圖。

圖5-5 不同風速下之 ωm-Pwind曲線圖

圖5-6 永磁式發電機的感應電勢波形圖

(26)

圖5-7 風力發電機輸出整流後的電壓與電流圖

圖5-8 風力發電機的最大功率追蹤圖

圖5-9 風力發電機有無裝設最大功率追蹤器的結果比較圖

5.1.3 燃料電池

燃料電池是將化學能轉換成電能輸出的一種能源轉換裝置，與一般電池不同的是其結構屬於開放式系統，本身並不儲存能源，只要持續供給反應燃料，燃料電池就能不斷地產生電力，並且釋放出熱能，所以在效率上比起一般傳統的發電方式要高出許多。本研究計畫主要是針對質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)作探討，當燃料電池在開路狀態時之電壓約為 1.23 V，故要得到高電壓輸出可透過單電池串接來達成，

而燃料電池之輸出電流容量可由增加電池面積方式提高。此研究將利用 MATLAB/Simulink

^®

作為質子交換膜燃料電池系統之模擬工具，模擬過程所需要的相關參數則採用 Ballard Mark V 此款電池的相關規格。

本研究計畫將根據能斯特(Nernst)方程，及相關公式建構出質子交換膜燃料電池單電池

(27)

模型，並且模擬燃料電池操作溫度變化時，對系統輸出功率之影響，最後模擬當燃料電池內部電流瞬間變化之動態響應。一般而言，燃料電池的效能可以利用電池電壓與電流密度之間的關係式來表示，圖 5-10 所示即為質子交換膜燃料電池之特性曲線圖，當電池的電流密度逐漸增大時，電池輸出電壓會逐漸降低，造成電壓在反應過程下降的原因，包含為活性極化(activation polarization)反應所造成之電壓降、歐姆極化(ohmic polarization)反應所造成之電壓降，以及反應濃度極化(concentration polarization)反應所造成之電壓降。燃料電池工作溫度變化對於輸出功率之影響，如圖 5-11 為電池操作溫度為 323 K、333 K、343 K 及 353 K 下電流密度對功率之模擬曲線，結果顯示溫度逐漸提升時，燃料電池之輸出功率亦隨之提高。

當燃料電池之輸出電流瞬間改變時之動態模擬結果，如圖 5-12 所示。此範例於時間 3.5 秒時電池電流由 50 安培增至 150 安培，直到 6.5 秒後回復至 50 安培，由模擬結果可以觀察出燃料電池電壓會隨電流成反比之變化，當電流上升時電壓即會下降，且電壓會有暫態之現象。綜合以上的模擬結果，可以得出當電流密度增大時，電池電壓會因為各種極化反應而降低，但電池功率在高電流密度時，反而可以維持較高的功率輸出，因此對於一個系統設計者而言，燃料電池的操作溫度和電池電流密度對於電池輸出電壓以及輸出功率之影響，都是必頇針對所需要的系統需求而去詳加考慮的。

圖5-10 燃料電池特性曲線圖

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0.2

0.4 0.6 0.8 1 1.2

電流密度 (A/cm²)

電池電壓 (V)

(28)

圖5-11 燃料電池工作溫度對於輸出功率之影響圖

圖5-12 燃料電池電壓之動態波形圖

5.1.4 柴油發電機自動發電控制

因所規劃的標的微型電網，網內之小型柴油發系統容量足以供應網內所有負載之需，

故網內其他再生能源發電系統若有電力輸出，將對微型電網之系統頻率與電壓會有影響，

其影響程度端視其所發電量，即所發實功率與虛功率而定，故標的微型電網網內之小型柴油發電系統應該具備負載頻率控制(load frequency control, LFC)與自動電壓調整(automatic voltage regulation, AVR)功能，使能隨機控制，維持系統之穩定。標的微型電網網內之小型柴油發電系統係採用同步型發電機，其參數如表 5-1 所示。在定子端電壓維持固定之模式下，此同步發電機輸出功率對頻率之曲線如圖 5-13 所示，由此圖可知，當同步發電機輸出功率逐漸增大時，其輸出頻率將隨之逐漸下降。因此，為了使小型柴油發電系統輸出頻率穩定，即不隨網內負載大小或再生能源發電系統發電量之變動而有明顯之改變，此小型柴油發電系統尚需有自動發電控制(automatic generation control, AGC)功能。

本研究建立一簡易之小型柴油發電系統之自動發電控制模擬系統，如圖 5-14 所示，其

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

50 100 150 200 250

電流密度 (A/cm²)

電流功率 (W)

323K 333K 343K 353K

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

時間 (s)

電池電壓 (V)

整合多種分散型資源之微型電網研究---子計畫三：整合多種分散型資源之微型電網規劃設計研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告