研修再生能源併聯技術作業要點之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

研修再生能源併聯技術作業要點之研究 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 97-2623-7-011-004-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 ： 吳瑞南

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：曾耀毅 碩士班研究生-兼任助理人員：陳振銘 博士班研究生-兼任助理人員：張建國

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 03 月 24 日

行政院國科委員會 行政院國科委員會 行政院國科委員會

行政院國科委員會/經濟部能源局 經濟部能源局 經濟部能源局 經濟部能源局

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「能源科技學術合作研究計畫 能源科技學術合作研究計畫 能源科技學術合作研究計畫」 能源科技學術合作研究計畫 」 」成果報告 」 成果報告 成果報告 成果報告

研修再生能源併聯技術作業要點之研究 研修再生能源併聯技術作業要點之研究 研修再生能源併聯技術作業要點之研究 研修再生能源併聯技術作業要點之研究 計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 97-2623-7-011-004-ET

執行期間：97 年 01 月 01 日至 97 年 12 月 31 日

計畫主持人：吳瑞南 台灣科技大學電機工程系 副教授 計畫參與人員：張建國、陳振銘、曾耀毅

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 九十八 年 三 月 十九 日

摘要 摘要 摘要 摘要

目前我國再生能源併聯電力系統之規範為「台灣電力公司再生能 源發電系統併聯技術要點」 ，至今，國內已有許多研究報告針對該要點 規定之電氣參數做適切地調和，最為常見的參數有電壓變動、併網容 量、孤島運轉和電力逆送，這些穩態運轉分析皆為發展初期著重之要 項。隨著再生能源併網容量的急遽增加，其穿透率(penetration)已不容 小覷，當中最顯著的能源類型為風力發電。以往在電力系統發生故障 時，受影響之風機會即時跳脫，藉以得到對風機的最大保護。但是在 高穿透率下，倘若風機隨故障發生而跳脫，電力系統的暫態穩定度會 因此受到波及，甚至造成整個系統的崩潰。為此各國電力公司紛紛制 訂低電壓穿越(low voltage ride through, LVRT)規範，規定風機須於故障 發生時，維持特定時間的併網，以支持系統度過故障。

本計畫將著重在為我國併聯要點中低電壓穿越規範之電氣參數調 和，以利電力系統之穩定運轉和再生能源之產業發展。為了解風機在 低電壓時所受之影響，本計畫使用 Matlab/Simulink 模擬直接併網型鼠 籠 式 感 應 發 電 機 (directly coupled squirrel cage induction generator, DCSCIG)及雙饋式感應發電機(doubly-fed induction generator, DFIG)在 低電壓時的暫態響應。所模擬之低電壓種類分別有三相、兩相和單相，

而低電壓程度分別有 0.9pu，0.5pu 和 0.15pu。

由模擬結果可以發現 DCSCIG 在低電壓時所受之影響主要在於因

輸入輸出功率不匹配造成之轉子轉速的劇增，對風機機械結構造成負

擔。而 DFIG 因轉子側透過電力電子轉換器與定子連接，電子元件耐

壓耐流不高，容易因低電壓造成的轉子過電流而損壞。

ABSTRACT

The grid code for renewable energy used in Taiwan is “Grid Code of Renewable Energy of Taiwan Power Company”. Up today, there have been many studies on how to properly harmonize the parameters in the grid code. The most commonly parameters are voltage variation, installation capacity, islanding and reverse power flow. The analysis of the steady state operation is quite important in the early stage of developing renewable energy. With the rapidly increase of installation capacity, the penetration shouldn’t be thought little of any more. This is especially true when it comes to wind power generation. Traditionally, the wind turbine, which is influenced by system faults, will trip in order to acquire the best protection of the wind turbine, but when under a high penetration condition, a trip like that would affect the transient stability or even collapse the whole system. According to this, many power companies are requiring that the wind turbine should stay in connection with the power system in a certain period of time to see the power grid through the fault.

Such a regulation is also known as low voltage ride through.

To harmonize the parameters in the grid code of Taiwan is the main purpose of this project in order to maintain a steady operation of power grid and to promote the development of renewable energy industry.

Therefore, Matlab/Simulink is used to simulate the transient response of

the directly coupled squirrel cage induction generator and the doubly fed

induction generator when in the situation of low voltage at point of

common coupling takes place. The low voltage type is classified into three

types which are three phase low voltage, two phase low voltage and single

phase low voltage, and the voltage is decrease from 0.9pu to 0.5pu and

then to 0.15pu.

The results of the simulation tells that what happened to the directly

coupled squirrel cage induction generator is mainly on the rapidly

increased rotor speed cause by the unmatched power output and therefore

add burdens to the mechanical structure. As for the doubly-fed induction

generator, the power electronic devices, which is connected in between the

rotor and the grid, are suffer from the huge current caused by the low

voltage, while the components in such device usually don’t rated high

enough to withstand it.

一 一 一 一、 、 、緒論 、 緒論 緒論 緒論

面臨全球燃料價格上漲，及來自「京都協定書」的壓力，我國政 府積極致力於節能減碳、新能源和再生能源等相關發展，並訂定再生 能源發展目標

，如表 1-1 所示。其中修正最為顯著者為風力發電裝 置容量，例如：2010 年的裝置容量 2159MW 調整為 980MW。由此可 見，風力發電之發展，略顯遲緩，確實值得改善。睽諸風力發展息息 相關之各項因素中，尤以台灣電力系統併聯之規定為要，若能予以調 和，在鼓舞風力產業之發展，應有正面意義。為因應再生能源之併網，

台電公司於 91 年 6 月擬具「台灣電力股份有限公司再生能源發電系統 併聯技術要點」並由能源局准予備查施行

，嗣於民國 96 年 6 月底提 出修訂草案

。由於再生能源屬於分散式電源，台電基於電力系統穩 定之考量，對於逆送電力、併聯位置、躉售電力之限制均較歐美國家 保守。

表 1-1 我國政府的再生能源發展目標

國家目標(舊版) (MW) 國家目標(新版) (MW)

2006 2010 2020 2025 2006 2010 2015 2025 時程

項目

累積 容量 實績

累積 容量 目標

累積容量 目標

累積容量 目標

累積容 量實績

累積容 量目標

累積容 量目標

累積容 量目標 水力 1911 2168 2500 2500 1911 2168 2261 2500 風力 23.9 2159 2700 3000 203.7 980 1480 3000 太陽光能 0.94 21 570-900 800-1000 0.16 31 320 1000 地熱 --- 50 100 150 --- --- 1 150 生質能 561.7 741 1030-1600 1150-1650 600 741 850 1400

海潮能 --- --- 0.1 0.4

燃料電池 --- --- 100-200 400-700 --- --- 5 200

總計 2497.5 5139 7000-8000 8000-9000 2716 3910 4972 8450

相較於傳統大型發電設備，再生能源的運轉特性及對電力系統的 影響均與傳統發電設備大異其趣。因此，在併聯技術要點之擬定方面，

難免博採眾議，廣納整合各國現行規定，例如：日本 JEAG 9701、美 國加州 Rule 21 和德國 VDN 等

，然而，由於缺乏分散型發電 之實際運轉經驗，所訂定「再生能源發電系統併聯技術要點」之參數 限制是否合理妥適？是否營造良性產業環境等，確實不無疑義。

1.1 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的

本計畫旨在探討「再生能源發電系統併聯技術要點」之電氣參數 調和性，以優化再生能源之發展環境，達到節能減碳之目的。關於「再 生能源發電系統併聯技術要點」方面已有許多學者針對不同的參數規 定進行研究與探討，包括電壓變動、保護電驛、孤島效應、系統穩定 度等。本計畫將著重於風力發電系統之低電壓穿越規範參數之調和。

本計畫執行初期，蒐集各國有關低電壓穿越的規範及文獻，了解 到低電壓穿越訂定原由主要是因為風力發電的設置容量與日俱增，倘 若風場中受影響的風機在電力系統發生故障時亦隨之跳脫，會使故障 更加嚴重，甚至導致整個系統的崩潰。因此各國或各個電力公司紛紛 以電力系統之穩定為考量，增加低電壓穿越的規範，要求風力發電機 在故障發生時，依照故障程度維持併網一定時間後才能跳脫。但是，

為了維持併網甚至穿越故障，必須增加額外的電路或更改控制策略來 達到要求，勢必增加風力發電相關業者之成本。因此，在改善之前，

探討低電壓穿越對電力系統和風力發電機之電氣響應特性是得琢磨

的。本計畫採用 Matlab/Simulink 模擬 DCSCIG 和 DFIG 在責任分界點

(本文亦稱共同耦合點，PCC)發生三種程度的三相、兩相和單相低電

壓與風速分別為 6m/s 和 12m/s 時，保護裝置跳脫情形、風機轉速與風

機輸出實虛功率等，藉以了解風機所受到的影響。

1.2 研究方法流程 研究方法流程 研究方法流程 研究方法流程

資料與文獻的蒐 集

發電機模型與系 統架構的建立

模擬案例

模擬結果評估

撰寫報告 一

二

三

四

五

圖 1-1 研究方法流程圖

a. 資料與文獻的蒐集。包括風能擷取方式、風力發電機組之機械 結構和控制系統、發電機原理、各國及各電力公司規範、低電 壓穿越及實現低電壓穿越之技術等資料的蒐集。由其中了解到 風機模型的建立方式、低電壓穿越規範的訂定意義與實現上所 可能遭遇到的問題。

b. 發電機模型與系統架構的建立。本計畫使用 Matlab/Simulink 內建之感應發電機與雙饋式感應發電機模型建立風力發電機 與電力系統併網的模擬架構。

c. 模擬案例。本計畫模擬 DCSCIG 和 DFIG 在三相、二相和單相

低電壓時，風力發電機持續併網所受到的衝擊，低電壓程度分

別有 0.9pu、0.5pu 和 0.15pu 三種。

d. 模擬結果評估。觀察風力發電機轉速、輸出實虛功率、直流電 壓以及風機保護裝置之限制值，對模擬結果做一說明。

e. 撰寫報告。依照資料與模擬結果撰寫完整有系統性的報告，供 低電壓穿越規範訂定之參考。

1.3 各章節簡述 各章節簡述 各章節簡述 各章節簡述

第一章：研究目的與方法流程。

第二章：探討各國與我國相關之併聯技術要點和風力發展的情況。

第三章：介紹風力發電機運轉之基本原理與種類。

第四章：低電壓穿越之基本介紹與各式低電壓穿越技術之簡介。

第五章：風力發電機的動態模型之介紹與建立，包含直接併網型 鼠籠式感應發電機與雙饋式感應發電機。

第六章：低電壓穿越對風機之影響分析，模擬若干運轉情況下之 案例，針對模擬結果做分析與探討。

第七章：總結研究成果。

二 二 二 二、 、 、 、併聯技術要點概況 併聯技術要點概況 併聯技術要點概況 併聯技術要點概況

分散式電源併聯電力系統之技術規範，由國家或州制訂相關之標 準，例如美國 IEEE Std. 1547、加州 Rule 21 等﹔或由電力公司研訂辦 法，例如德國 E. ON Nets、丹麥 Eltra、台灣 TPC 等。將前述各國的電 氣限制參數擇要對照如表 2-1，由此可見，台灣併聯技術要點之限制，

較諸各國，似嫌偏多且嚴。若有非必要規定之存在，乃至造成業者投 入之阻礙等，確非立法之本意，故有必要予以檢討釐清，以利國家整 體利益需要。

2.1 再生能源發電系統併聯技術要點探討 再生能源發電系統併聯技術要點探討 再生能源發電系統併聯技術要點探討 再生能源發電系統併聯技術要點探討 (1) 電力逆送 電力逆送 電力逆送 電力逆送

早期因為再生能源併網容量和數目不多，除非電力系統主變之負 載十分輕微，否則發生電力逆送至輸電系統的可能性並不太大。但隨 著技術的進步與政府對再生能源的大力推廣，多個大容量的分散型電 源併接於一個主變的情形已非常普遍，增加了電力逆送的可能性。電 力逆送至輸電系統，將衝擊配電饋線電壓，其衝擊程度隨再生能源運 轉功因與併網容量而有所不同，因此適當的管制再生能源併網的運轉 功因和容量是必要的。文獻[4]的研究結果指出，分散型電源運轉功因 為 1 時，其電力逆送量最大，功因 0.95 超前(吸收無效功率)時次之，

而功因 0.85 落後時又次之。

(2) 固定電壓變動率探討短路容量對風機可併網容量的影響 固定電壓變動率探討短路容量對風機可併網容量的影響 固定電壓變動率探討短路容量對風機可併網容量的影響 固定電壓變動率探討短路容量對風機可併網容量的影響

在電壓變動率固定的情況下，負載的形態、主變百分阻抗值等因

素決定了系統短路容量的大小。系統短路容量愈大，系統愈強健，可

承受的風機併網容量愈多。就我國 11.4kV 配電系統來講，當併網點的

表 2-1 各國再生能源併聯技術要點之整理

台灣 美國 德國 丹麥 日本

限制條件 TPC 再生能

源併聯技術 要點

IEEE Std.

1547

加州 Rule 21

德州 RUCT

E.ON

Netz/VDN 配電級 JEAG 9701

電壓調整 ±5 -10~5% N.A. N.A. N.A. N.A. N.A.

電壓波動 2.5% 5% ○ ○ 0.5%/2%

5%

4%

3%

101±6V 202±20V 正常電壓 88~110% 88~110% 88~110% 90~105% ● 90~105 90~110%

電壓

低壓穿越 0.1sec

15~90% ○ ○ ○ 0.625sec

15~90%

0.1sec

25~0.75% N.A.

頻率 正常頻率 96.7~101.7% 99.7~100.

5%

98.8%~10 0.8%

98.8%

~100.8% ● 49~51Hz 49.5/59.4Hz 51.5/61.8Hz

故障電流 併聯配電系

統者<10kA ○

SCCR<0.1

<起斷 2.5%

小於饋線最 大短路電流

25%

N.A. ○ N.A.

諧波 ● ● ● ● N.A. ● N.A.

閃爍 ● ● ● ● N.A. ● N.A.

直流注入 <0.5% <0.5% <0.5% ○ N.A. N.A.

功率因數 95%落後

~95%超前 ○ 0.9 落後

~0.9 超前 ○ 95%落後

~95%超前 ● N.A.

審查程序 ○ ○ ● ● N.A. ○ N.A.

孤島運轉 ● <2 秒 <2 秒 ○ N.A. ○ ●

最大逆送輸電

電力 30% ○ ○ ○ ○ ○ N.A.

最大躉售電力 限制

11.4k/22.8kV

5M/10MW ○ ○ ○ N.A. ○ N.A.

發電設備額定 容量

<500kW 低壓 配電；

<20MW 高壓 配電；

>20MW 特高 壓輸電

○ <11kVA 免審查

非網狀系統

<500kW 或 網狀系統者

<20kW，不 須評估研

究。

N.A. ○

<50kW 低壓 配電；<2MW

高壓配電；

<10MW 重點 網路配電或特

別高壓輸電 線段累積發電

容量 ○ ○ <尖峰負

載量 15%

非網<15%

網狀<25% N.A. ○ N.A.

備註：1.德國、丹麥之正常運轉電壓和頻率須互相參考。

2.●：有限定 ○：無限定 N.A.：待查證資料

系統短路容量高於 60MVA 時，最大可併網的風力發電機容量已經超 過了饋線設計最大連續運轉電流的限制。因此對於最大可併網容量的 規範訂定，必須同時考慮電壓變動率及饋線設計最大連續運轉電流的 限制。

假設分散型電源運轉功因為 1，即不提供亦不吸收虛功率，且併 網容量依上述限制之最大可併網容量併網，當分散型電源併網位置愈 靠近系統主變時，因短路容量較大，系統較強健，可併網之分散型電 源容量上升，在併網點和系統主變二次側造成電壓變動程度愈嚴重，

其餘未併接分散型電源的饋線受到主變二次側電壓上升或下降的影 響，整體饋線電壓隨之變動。併網點電壓的上升或下降與系統等效阻 抗角以及分散型電源運轉功因角之和有關；而主變二次側電壓則與系 統阻抗角與主變輸出功率功因角之和有關。當兩角之和大於 90°時，

併網點電壓或主變二次側電壓會下降；反之則上升。當分散型電源直 接併在主變二次側時，分散型電源併網容量的主要限制為主變壓器額 定容量，而非饋線設計最大連續運轉電流。

當分散型電源運轉功因為 1 時，配電變電所主變壓器百分阻抗值 為影響主變壓器二次側併網點系統等效短路容量的關鍵因素，隨著併 網點愈遠離變電所，其影響也愈小。另外，隨著一次配電電壓等級的 提升，饋線設計最大連續運轉電流限制放宽，可併網容量也因此增加，

若能透過適當的規範，提昇分散型電源併電壓等級，對我國之再生能 源發展將頗有助益。

(3) 短路電流 短路電流 短路電流 短路電流

短路容量為反映饋線強度的重要指標，其定義為額定電壓大小與

短路電流的乘積。系統短路容量愈高其電壓愈不易受到外來的影響，

但也表示當系統發生故障時其短路電流愈大，因此若要在故障發生時 啟斷，斷路器的容量亦必須增加。

台灣 目前 22.8kV 的系統所使用的斷路器大部分啟斷電流為 12kA，因此饋線上的最大短路電流通常限制在 10kA 或以下，保留 2kA 的餘裕度

。當分散型電源併網時必須分析考慮其所提供的短路電 流，以確定系統是否有足夠的餘裕度來承受其所帶來的額外短路電流。

(4) 孤島效應 孤島效應 孤島效應(islanding) 孤島效應

如圖 2-1 所示為再生能源與電力系統併聯之示意圖，根據 IEEE Std. 1547

之定義，電力系統(electric power system, EPS)為傳輸電力至 負載的設施，區域電力系統(area electric power system, Area EPS)負責 提供電力給地方電力系統(local electric power system, Local EPS)使 用，地方電力系統為住宅區、營業區、工廠等區域內之電力系統。地 方電力系統 與區 域電力系統間 的連接點稱為 共同耦合點(point of common coupling, CPP).

負載 Load

分散型電源 Distributed Resource

分散型電源 Distributed Resource

負載 Load 區域電力系統

Area Electric Power System (Area EPS)

地方電力系統 Local EPS Local EPS

共同耦合點 Point of Common

Coupling (PCC)

圖 2-1 分散型電源與電力系統併聯示意圖

當部份區域電力系統與其餘的區域電力系統分離，且此脫離的區 域電力系統由單一或多個地方電力系統經共同耦合點單獨提供電力的 情況，稱為孤島效應。當系統中發生故障，保護設備會將故障的區域 隔離，保持系統未故障處的供電可靠度，若故障區域中含有分散型電 源，將會使得故障區域產生孤島運轉，此區域稱為孤島系統。發生孤 島運轉時，孤島系統的電壓和頻率完全依靠併網的分散型電源控制，

電力公司無法控制並確定孤島系統是否依然穩定，因此電力公司業者 在徹底了解孤島運轉對系統所造成的衝擊之前，通常不允許非計畫性 的孤島運轉發生。另外電纜作業員也會因無法得知故障部份是否仍在 運轉供電，而遭受電擊等的意外事故，因此安全因素也為一個重要的 考量。對於孤島運轉的影響整理如下：

a. 若孤島區域仍維持受電卻未檢出，有可能造成工安事故及一般 民眾觸電的意外事件。

b. 在孤島區域，電力系統無法協助調整孤島系統之電壓、頻率，

將造成孤島運轉區的電壓、頻率不穩定，用電設備容易受損及 配電系統保護電驛容易產生誤動作。

c. 市電恢復供電時，風力發電機組可能無法同步，使發電機在失 步(out-of-phase)的情形下瞬間併入系統，導致大電流流入發電 機，造成發電機的損壞。

d. 孤島運轉會擾亂鄰近饋線、用戶的正常手動或自動復原程序。

但是孤島運轉亦非全然没有益處，在某些案例中，允許孤島運轉 可以改善系統可靠度降低停電損失

。

倘若所使用之分散型電源為風力發電機，風機中發電機的選用對

於孤島效應的發生亦有所影響，使用傳統(非雙饋式)感應發電機之風 力發電機組無論負載狀況，無論饋入變電所採用的方法，只要發電機 之輸出實功率接近負載需求，且饋線功因改善電容提供充足之虛功 率，即有發生孤島運轉之可能性，但當風速變動時，由於風力發電機 組之輸出電壓和頻率與風速相關，風速愈高，電壓和頻率變動率越劇 烈，電壓或頻率保護電驛可輕易檢出，且因輸出功率無法維持穩定，

所需之無效功率亦無法自行提供、調節，因此，發生孤島運轉之可能 性甚微。

使用 DFIG 的風力發電機組在發電量與區域負載量相近時，除系 統側短路故障，造成電壓、頻率瞬間劇烈變動之情況外，只要饋線功 因補償電容能夠提供足夠的虛功率使 DFIG 維持運轉，即有發生孤島 運轉的可能性。由於 DFIG 含有電力電子電路可控制維持電壓、頻率，

因此較難藉由電壓、頻率的異常來檢測孤島運轉的發生。

國內有關孤島運轉之研究可參考文獻[4]，文獻中蒐集並比較各國 有關孤島運轉的規範，資料十分詳盡。文獻中指出世界各國對於孤島 運轉之規範主要在於非計畫性孤島運轉之防範，因此分散型設備於併 網時必需俱備防止孤島運轉之能力，並加裝符合規範之檢測設備，以 保障人員與設備的安全。各國雖然電力系統特性、架構與運轉技術不 盡相同，所使用之分散型電源也有所差異，但對於孤島運轉所規定的 檢測方法、參數設定與防止孤島運轉之保護電驛種類卻大同小異，因 此在考慮孤島運轉之規範訂定方面，各國的孤島運轉規範可供我國直 接參考使用。

孤島運轉防止方式大致可分為被動式、主動式和通信協定式，被

動式方法依據電壓、頻率或電流總諧波失真變化量，控制停止分散型

電源持續供電，達到防止孤島運轉之效果。其中最為廣泛使用的是頻 率偵測法，包括頻率大小、頻率變化率(rate of change of frequency, ROCOF)及相位跳動(vector shift)偵側法。目前市面上多數相關產品均 已整合偵測頻率變化率電驛與相位跳動電驛之功能，並廣泛使用在各 式分散型電源的孤島運轉防範。主動式方法則在系統中注入一特定的 微量諧波電流，並偵測其所造成的諧波電壓變化來決定分散型電源是 否持續供電，其方法包括滑差式頻率位移技術、主動頻率漂移技術、

電壓脈波擾動技術及間次諧波注入技術。通訊協定式的偵測方法則是 監控相關斷路器之狀態來判斷分散型電源是否應停止供電，適用於任 何分散型電源且效果顯著，但設置成本較其它偵測法高。主要方法可 分為轉移跳脫法(transfer trip)與載波傳輸信號法(power line signaling) 兩種。風力發電場主要採用被動式偵測與通信協定式偵測為主。

無論分散型電源使用何種方法做為其孤島運轉之防止措施，當分 散型電源發電量與負載需求量相當接近時，孤島系統中的電壓、頻率 變化不明顯，因此存在一個保護電驛無法偵測出來的區域，稱為偵測 不感帶(non-detection zone, NDZ)，此區域的大小與饋線負載電壓、頻 率與功率因數等有關。

逆送電力對於電壓、頻率和頻率變化率電驛偵測不感帶的影響直 接改變了檢測孤島運轉的成功率。偵側不感帶的形成是因為分散型電 源發電量很接近負載需求量，造成孤島運轉區域的電壓和頻率變動不 明顯，不易即時被偵測出來。這三種電驛的偵測不感帶在低電力逆送 時差異不大，當逆送電力增加時，電壓、頻率之偵測不感帶隨之擴大，

而 ROCOF 的偵測不感帶則隨之減小，敏感度提升，彌補電壓和頻率

電驛的不足。

(5) 直流注入 直流注入 直流注入 直流注入

直流注入(DC injection)是由於不良的電力電力轉換器架構所造成 的威脅。而交流電流和直流電流的混合通常是經由變頻器(inverter)所 造成。

(6) 諧波 諧波 諧波 諧波

電力系統中有關諧波的來源，除了開關切換與雷擊造成的突波 外，大多來自於非線性負載，包括電力電子轉換器、電弧設備和鐵磁 性設備等。

電力電子設備為電力系統中造成諧波汙染的主要來源，常見的電 力電子設備有整流器(rectifier)、截波器(chopper)、變頻器(inverter)等切 換設備，其開關切換是造成諧波的主因。而如點焊機、交流電弧爐和 切割機等電弧設備，因其負載特性具有不對稱性也是造成諧波的元兇 之一。鐵磁性設備造成諧波主要是因為鐵芯的飽和，但因電力系統中 鐵芯飽和現象並不嚴重，此類負載造成之諧波影響較小。鐵磁性設備 包括變壓器、比流器、保護電驛和馬達等。

諧波電流會造成用戶端的電氣設備異常或燒毀，影響供電品質。

對電力系統而言，回流至電力系統的諧波其諧波失真功率會造成熱效 應，造成絶緣的破壞與增加線路的損失，亦有可能引起電力系統串、

並聯共振造成設備過載，以及干擾通訊線路，影響設備正常運轉。有 鑑於此，各國積極研究諧波之改善方法並制訂諧波管制標準，一方面 維持送電端的電源能有穩定且正常之供電品質，另一方面，防止諧波 所引起的電壓電流畸變干擾用戶與系統。

目 前 廣 範 為 各 國 使 用 之 諧 波 管 制 標 準 為 IEEE/Std 519-1992,

Recommended Practices and Requirement for Harmonic Control in

Electrical Power System，其主旨在於限制用戶注入電力系統中的諧波 電流，如表 2-2 所示。目前台灣所使用的「電力系統諧波管制暫行標 準」，如表 2-3，即參考此標準，僅在電壓等級的劃分有所差異。

表 2-2 IEEE/Std 519-1992

系統諧波電流管制標準限制值(適用 120V 至 69,000V) 諧波電流失真率(%)限制值(IL 為基底)

各級諧波個別值(奇次)

Isc/IL

<11 11≦n≦17 17≦n≦23 23≦n≦35 35≦n

*<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20~50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50~100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100~1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0

>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

備註：

a. 偶次諧波之限制值為奇次諧波的 25%。

b. 不允許電流失真所產生的直流偏壓。

*：所有發電設備一律依照 I

/I

<20 之諧波限制。

I

：共同耦合點之最大短路電流。

I

：共同耦合點之最大負載需求電流(基頻成分)。

c. 69,001V~161kV 之系統諧波電流限制值為上述值之 50%。

表 2-3 電力系統諧波管制暫行標準

用戶注入責任分界點之諧波電流管制標準(適用 3.3-22.8kV 系統) 諧波電流失真率(%)限制值(IL 為基底)

各級諧波個別值(奇次)

Isc/IL

<11 11≦n≦17 17≦n≦23 23≦n≦35 35≦n

*<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20~50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50~100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 100~1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0

>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

備註：

a. 偶次諧波之限制值為奇次諧波的 25%。

*：用戶自備發電機一律依照 I

/I

<20 之諧波限制。

I

：用戶責任分界點短路電流。

I

：對既設用戶取 12 個月最大負載電流平均值。對新設或增 設用戶，取主變額定電流值。

b. 對於 34.5~161kV 系統之諧波限制為上述限制值之 50%。

c. 本管制暫行標準得定期及視需要檢討修訂。

(7) 閃爍 閃爍 閃爍 閃爍

當電力系統中負載急劇變動時，其電壓會受其影響產生電壓閃爍 的現象，造成日光燈或白熾燈等燈具的光度閃爍不穩，對使用者的眼 睛產生視覺上的不舒適。國內對電壓閃爍的管制標準仍根據日本系統 來設計。電壓閃爍的振幅可表示為下列的複合振幅調變方程式

) 60 2 cos(

] ) 2 2 cos(

1 1 [ 2 )

(

V

=

+ ∑ ∆

^π

^π × ×

其中

(t ) 為電壓閃爍振幅，

為電壓之各項振幅調變頻率，一般均考 慮 30Hz 以內的成份。電壓閃爍發生過程中，各個頻率下的電壓變動 成分

並不相同，為了能夠統一表示各個頻率下之電壓變動量，將各 頻率之電壓變動量換算為頻率 10Hz 的等效值， ∆

，其表示式如下

∑ ^{× ∆}

=

∆

(

)

其中，

為頻率

Hz 的電壓調變量等效於 10Hz 電壓調變量的相對視 感度係數， ∆

為對應頻率

Hz 的電壓振幅調變量。

2.2 台灣風力發展 台灣風力發展 台灣風力發展 台灣風力發展情 情 情況 情 況 況 況

台灣地處大型陸塊與大型海洋交界，有明顯的東北亞季風和西南 季風，加上台灣海峽、中央山脈與福建武夷山系等地形因素，冬季風 力相當強勁，風力資源相當豐富。風能蘊含區域主要分佈在西部沿海 及澎湖外島等陸海域，年平均風速可達 5~6m/s 以上，風能密度在 250W/m

以上。其中西部沿海年平均風速可達 7m/s 以上，而澎湖島嶼 年 平 均 風 速更 超過 8m/s 。 台北縣往南至彰 化，陸域滿 發時 數為 2800-3200 小時；雲林、嘉義和台南陸域滿發時數為 2400-3000 小時；

高 雄 沿 海 因 受 地 形 影 響 ， 風 力 没 有 中 北 部 大 ， 陸 域 滿 發 時 數 為 1800-2400 小時；屏東縣至墾丁一帶因落山風影響，陸域滿發時數超 出 2500 小時；澎湖陸域滿發時數為 3300-3900 小時，相當具開發潛力。

其中風機年發電量為年滿發時數與風機額定容量之乘積。有關台灣西 半部風能蘊含區域如表 2-4 所示。而台灣東半部因颱風與地震因素，

目前風電投資業者仍在觀望中。

表 2-4 台灣西半部沿海風能蘊含區域

台灣西半部 風能蘊含區域

北部

桃園大園至新屋沿海 新竹新豐至香山 苗栗後龍至苑裡

中部 自通宵、大甲、經梧棲、大肚直到彰濱、麥寮沿

海一帶

南部 嘉南沿海、屏東墾丁等地

在民國 50 年代，台電公司在澎湖白沙鄉設置了一台 50kW 級的風 力發電機進行試驗，開啟了我國風能研發應用的第一頁。之後又隨著 兩次能源危機的發生以及考慮到我國能源仰賴進口等因素，政府開始 促進能源多元化。在經濟部能源局的資助下，工研院能資所開始了長 期且系統性的風能研究，一面逐年分區完成我國風能潛力評估，一面 累積風力發電機研製技術，但因發電成本過高且油價偏低而宣告終止。

經過了近十年的光陰，環境保護議題抬頭，各國紛紛主張 CO

減 量，再生能源因而蓬勃發展，成為各國發展重點之一，也吸引了許了 投資者的投資，但我國卻遲遲未能展開替代能源的發展，因此參考國 外成功的經驗，由政府獎勵，帶動風能設置的風潮。在工研院能資所 的輔導協助下，陸續完成雲林麥寮、澎湖中屯及竹北春風三座示範系 統。為風能發展跨出一步。

(1) 麥寮風力發電示範系統 麥寮風力發電示範系統 麥寮風力發電示範系統 麥寮風力發電示範系統

麥寮風力發電示範系統是我國第一座商業化運轉的風力發電廠，

啟用於民國 89 年 12 月，由台塑重工機械設置，位於雲林台塑六輕工 業區內。採用的風力發電機為丹麥 Vestas 公司所出產，型號為 V47，

單機容量 0.66MW，共四部風機，產出的電力提供給台塑重工機械自

用。除了風力發電機和控制系統為國外進口外，其餘如塔架、電纜埋

設與系統整合等，皆由台塑重工自行研製施工，規劃完善，建立迅速。

於廠內設置有展覧室，提供四部風力發電機即時運轉狀況、簡報短片、

文宣書報等，充分發揮其示範功用。

(2) 中屯風力發電示範系統 中屯風力發電示範系統 中屯風力發電示範系統 中屯風力發電示範系統

中屯風力發電示範系統由台灣電力公司設置，位於澎湖白沙鄉中 屯村東北隅，於民國 90 年 10 月完成啟用。採用德國 Enercon 出產，

型號為 E40，單機容量 0.6MW 之風機四部。輸出電力由尖山電廠監督 調度。結合當地觀光資源，不僅提供電力，還為澎湖帶來觀光效益，

一舉兩得。

(3) 春風風力發電示範系統 春風風力發電示範系統 春風風力發電示範系統 春風風力發電示範系統

位於竹北鳯山溪旁之造紙廠區。考慮到當地電力不足，柴油發電 成本高不適合廠區使用以及落實天隆造紙廠之環保政策，由正隆集團 之天隆造紙廠公司承建春風風力發電示範系統，於民國 91 年 10 月下 旬完成。採用 Vestas 出產之風力發電機，型號為 V66，單機容量 1.75MW 之風機兩部，為我國第一個由百萬瓦等級風機所構成之風力發電系 統，其所產出之電力完全提供天隆紙廠竹北廠做為輔助電力之用。因 位於西濱快速道路上，十分醒目，更成為北部學校再生能源教育示範 之最徍場所，充分顯現其教育功能。

三座風場各展現出其價值，並為台灣後續之風能發展奠定了良好

基礎，表 2-5 顯示台灣已開發之風場、開發單位、風機廠牌及風機數

量。目前台灣風力發電裝置累積容量為 281.6MW，陸域上的規劃分別

有台灣電力公司規劃的 340MW、英華威規劃的 350MW 及其它 96MW

的規劃；離岸規劃方面則有台灣電力公司於彰化外海和澎湖外海各別

規劃了 180MW 及 200MW，預計在 2011-2013 年完成。政策上由陸地

到海洋，由淺海到深海往離岸型風力發電發展，先發展水深 20m 以內 之離岸型風力發電，再往水深大於 20m 的海域發展。

表 2-5 台灣風場

風場 開發單位 廠牌機型

總裝置 容量 (MW)

台數

麥寮(示範) 台塑重工 Vestas V47 2.64 4 澎湖中屯一期

(示範) 台電 Enercon E40 2.4 4 竹北春風

(示範) 天隆造紙 Vestas V66 3.5 2 石門風場

(核一廠) 台電 Vestas V47 3.96 6

核三廠 台電 GE 4.5 3

澎湖中屯二期 台電 Enercon E40 2.4 4

桃園大潭 台電 GE 4.5 3

桃園大園 台電 GE 7.5 5

桃園觀音 台電 GE 22.5 15

Enercon E70 3

苗栗竹南 英華威

Enercon

7.8

1 苗栗大鵬 英華威 Enercon E70 42 21 台中電廠 台電 Harakosan Z72 8 4

台中港 台電 Harakosan 36 18

新竹香山 台電 Gamesa 12 6

彰化彰濱 台電 Vestas V80 46 23 彰化彰濱 英華威 Enercon 41.4 18 彰化鹿港 英華威 Enercon 34.5 15

於技術近、中程發展策略方面，由元件到系統，由關鍵元件技術

著手，發展控制系統、電力電子轉換器、齒輪箱和葉片主要元件，再

整會各元件廠商，促成國內風機系統廠成立，協助國內系統整合技術 之發展，並推動國際間合作，藉以切入國際市場。於技術發展遠程目 標方面則為國際間合作研發離岸技術，並推動我國有關產業與研究機 構間的跨領域合作關係。

2.3 各國風力發展 各國風力發展 各國風力發展 各國風力發展情 情 情況 情 況 況 況

(1) 丹麥 丹麥 丹麥 丹麥

丹麥可以說是世界風機的生產基地，不僅擁有世界級的先進風力 發電技術，還有世界領先的生產能力，其所生產的風機遍及全世界，

在 2002 年時，全世界所銷售的風力發電機更有一半以上產自丹麥。

丹麥位於歐洲大陸北部，風力資源豐富，由東向西逐漸增強，陸 域高度 50m 處之風速可達 6.5m/s。除了豐富的陸上風力資源外，還擁 有充裕的離岸風力資源。淺海地區平均水深 5~15m，海域高度 50m 處 之平均風速更達到 8.5~9m/s。

丹麥對風力資源的開發能有今日這般巨大的成就，與丹麥政府對 風力發電產業的支持有著密不可分的關係。丹麥政府成立專門部門，

負責評估風力資源並繪製風力資源分佈圖，做為制定發展策略與風場 選址之高品質數據支持力量，為了得到精確的風力資源分佈數據，使 用了包括氣候資料庫、風機性能資料庫等多個原始資料庫來支持其數 據的可靠性，最後輸入地理資訊系統(geographic information system, GIS)，做為鄉村或城市風力發電規劃的決策支持，並發展出成熟的商 業化軟體預測未來風力和風力發電產量，對於風力發電發展規劃有著 極大的益處。

多年來的風機發展經驗不僅實現能源多元化與節能減碳的目標，

更為丹麥帶來大量的就業機會，並培育出如：Bonus 能源公司、NEG Micon 公司、Vestas 風力系統公司、Wincon 公司等具有國際競爭力的 專業風力發電廠商、企業。此外，丹麥亦有專門提供風機技術諮詢的 公司如：B&M 資訊公司、Elsam、WEA、Tripod 和 BTM 諮詢公司等。

丹麥風力資源豐富，技術經驗全球數一數二，但風力發電的生產 成本高於市場價格，市場資源無法有效配置，若非政府積極扶持，風 力發電開發將因而受阻。有關丹麥的政策環境將簡述於表 2-6 中。

表 2-6 丹麥的政策環境

政策 政策描述

電價政策

政府使用強制力直接干預風力發電之市場價格。雖然會造成市 場效率降低，風力發電企業對技術創新、成本降低態度消極以 對等負面影響，但於風力發電發展初期有激勵再生能源推廣之 效力，因此許多國家皆採用價格管制，促使產業的投入，並隨 著技術的發展情況，隨時調整管制的電價，以防止風力發電發 展腳步的滯留。

丹麥政府規定，市電運轉業者有義務按固定電價全額收購風力 發電，並於風力發電市場能力增強時，調整固定電價。此政策 於 2000 年因風力技術的改善、風力發電成本的下降而終止，

風力發電開始參與到自由競爭的電力市場中，但風力發電業者 依然可以得到 0.013 歐元/度的碳排放稅補助。

併網成本分攤

丹麥政府規定，風力發電設備併網所需費用由電力公司和風機 業者共同分擔。

對於陸上之風機本體、低壓線路、風廠內之變電所與輸電線路 等建設費用由風機業者負擔。

經丹麥風力資源開發計畫核可之離岸風力發電專案，風機與陸 上市電連接之費用由電力公司負擔；未納入該計畫中之專案，

其所併接之市電建設維護費用由業者自行負擔。

技術標準和產 為了優化資源配置，建立風機市場的優質規範，提升風力發電

品規範 業者在世界風力發電場的核心競爭力，丹麥政府制定了風力發 電產業的技術標準，通過標準化規範條例，對風機機械裝置、

電力安全、結構設計、可靠度等做出具體要求，並由丹麥能源 局所屬之再生能源實驗室執行。

為了保證風力發電產品之安全性與促進技術發展，在 Riso 國 家實驗室中建立風力發電機組試驗站，對試驗合格之風力發電 機組頒發認證書，唯有獲得認證之風力發電機組才予以補助。

試驗站除了檢驗外，對於測試時所遇到的問題，亦提供解決方 案，幫助廠商改進，並累積豐富的現場運轉經驗。

(2) 德國 德國 德國 德國

德國位於歐洲大陸的北部，由 16 個州組成，其中包括柏林、布萊 梅和漢堡三個市。首都柏林除外，各州均有風力發電場的設置，如：

薩克森、北萊茵－威斯特法倫、布蘭登堡等。風能資源由南到北逐漸 增強，其中北部沿海地區更是適合風力開發的場所。由於風能資源之 分佈有北方豐富、南方貧乏；沿海豐富，內陸貧乏之特點，因此呈現 北部沿海之風力發展快速，而南部內陸發展則趨於緩慢的現象。

一直到 2006 年，德國是全球擁有最多風機的國家，巨大的市場為 德國培養了成熟的風力發電產業，因此，德國風力發電技術在一定程 度上足以代表全球風力發電技術的發展趨勢，由 1993 年和 2003 年德 國使用不同輸出功率調節技術的風機市佔率可發現，使用變槳距技術 的風機逐漸取代了以往市佔率最高的定槳距風機，而全球亦往同樣的 趨勢在發展。

如同丹麥等國，風力發展之初若無政府政策上的支持，將難以進

行，有關德國之政策簡述於表 2-7。

表 2-7 德國的政策環境

政策 政策描述

保護性的固定 電價

第一階段的固定電價以「電力購電法」為依據，於 1990 年 由德國議會批淮有效期至 2004 年 4 月。規定電力公司須允 許符合技術標準的再生能源發電併網；電力公司須以其售 電價格的 90%當做併網電價；再生能源發電成本與一般發 電成本間之價差由市電業者承擔。該項政策促進了德國風 力發電的快速開發，但由於超出一般電力購買電價之價差 需由電力業者自行吸收，導致收購風力發電的電力業者提 高零售電價的價格來補足保護性電價，使得收購的風力發 電愈多，電力公司的財務負擔愈重，在自由競爭的電力市 場中處於劣勢。此外，電力公司自身所發展的風力發電並 不能享有保護性電價的優惠，導致電力公司對風力發電發 展態度消極。再者，風力發電成本對於燃料市場價格波動 的敏感度低，發電成本相對穩定，當保護性電價因零售電 價下降而下降時，將導致風力發電廠商不能得到充分的資 金回饋。於是德國議會在 2000 年通過「再生能源法」，對 不同的再生能源技術採用不用的優惠電價，反映不同技術 的成本差異，並同時引入電價優惠逐年調降的機制，反映 技術成本的降低。與第一階段的保護性固定電價相比，最 大的差異在於保護性電價不再要求電力公司自行吸收，電 力公司仍有義務收購再生能源發電，但保護性電價可改由 電力消費者自行負擔。

投資補貼

德國政府於 1989~2006 年，投入 4.6 億歐元的預算開始補 貼 250MW 的風力發電裝置的建設。獲得補貼的風力發電 業者必須提供政府要求之各項數據。

政府亦提供每度電 0.04 歐元的額外營運補貼

(3) 美國 美國 美國 美國

在幾個世紀之前美國人即利用風車將風轉化為機械能作為輾米、

提水之用。1888 年，Charles F. Brush 所發明 12kW 的直流風機為美國 發展風力發電立下一個重要的里程碑。但由於大型併網電力技術快速 發展，化石燃料成本低廉，導致風力發電於 70 年代之前的發展速度甚 為緩慢。20 世紀 70 年代，化石能源枯竭，OPEC 成員國的石油產量 減少並實行石油禁運，美國經濟成長面臨巨大的挑戰，替代能源的發 展成為美國及許多國家的能源戰略重點，風力發展開始備受矚目，美 國風能發展進入快速發展階段。除積極鼓勵再生能源技術研發外，亦 頒佈了許多經濟激勵政策和產業規劃來支持風力發電的推廣，如表 2-8 所示。

表 2-8 美國的政策環境

政策 政策描述

稅收減免

凡是超過 12,000 美元、非用戶型風力發電系統可得到 25%

的稅收減免，且可與聯邦訂定的稅收減免政策結合，因此 風機運行第一年獲得的稅收減免可達到 50%。另外，對於 風力發電投資者在財務上實行快速折舊，藉此吸引投資者 進入風力發電產業。但有些投機業者只安裝風機，不做運 轉，為的只是享受稅收減免所附帶的稅收優惠，造成只激 勵投資而不激勵能源生產的問題。

公用電力事業 管制政策

「公用電力事業管制政策」中，第 210 條款規定，電力公 司必須無條件收購符合 210 條款的獨立電廠發電，且不允 許價格歧視，收購價格依照可避免成本來核算。所謂的＂

可避免成本＂指的是燃料、運行和維修成本以及固定的資 產投資。該法案的最大貢獻在於為非電力公司之獨立發電 企業確保併網價格的合理化與開創獨立發電電力交易市 場。

生產課稅扣除 生產稅收減免政策之主要內容為提供 1993 年 12 月以後設

置之風機所生產的每度電 1.5 美分的優惠，為期 10 年，至 2003 年底期滿。

於美國風力發電發展早期，美國加州曾是風力發電應用的中心，

更曾是世界技術的領導者。加州風力發電成功的經驗增加了許多國家

對風力發電開發的信心，進而相繼大力發展。加州的主要成功因素還

是在於國家和地方政府大力的推廣與政策的支持。可惜的是加州風力

發電的發展未能跟上世界開發的腳步，近年來已漸漸緩慢下來。加上

投資稅收減免政策的廢止，從此風力發電發展重心由美國轉移到歐洲。

三 三 三、 三 、 、風能 、 風能 風能 風能與風機 與風機 與風機 與風機種類 種類 種類 種類

3.1 風 風 風 風

地球表面為空氣所包覆著，其中最接近地表的氣層稱為對流層，

由於地球上各緯度所接受的太陽輻射强度不同，造成地表大氣溫度差 異，空氣熱漲冷縮，引起大氣壓力分布不均，空氣因而沿水平方向運 動形成風。實際上，風可以視為太陽能經轉換後的一種形式。

在赤道等低緯度地區因日照角度大、時間長，太陽輻射强度大，

地表和大氣接受熱量較多，溫度較高；反之，高緯度地區因日照角度 小、時間短，地表和大氣接受熱量較少，溫度較低。高低緯度間的溫 度差異使得空氣因熱脹冷縮而產生南北間的氣壓梯度，使空氣做水平 運動形成風，風垂直等壓線由高壓往低壓的方向移動。此外，風與地 表之間所存在的摩擦力造成風因地球自轉偏向力的作用而發生偏向。

此偏向力使北半球氣流向右偏轉，南半球氣流向左偏轉。對流層的空 氣運動主要是受壓力梯度和自轉偏向力的影響，而靠近地表的風還受 海洋、地形等的影響。

3.2 風能的捕獲 風能的捕獲 風能的捕獲 風能的捕獲

藉由葉片的特殊造型，可使風通過葉片時產生升力，將風的動能 轉變為帶動葉片轉動的能量，進而轉動發電機轉子而產生電能。

圖 3-1 所示為風機葉片示意圖，其中連接葉片前端(leading edge)

與尾端(trailing edge)的直線稱為弦線(chord line)，相對風速與弦線所夾

角度 α 稱為攻角(angle of attack)，而旋轉平面與弦線的夾角 β 稱為槳距

角(pitch angle)。當風通過靜止葉片時會在葉片上產生與風向垂直的升

力(lifting force)和與風向平行的拉力(dragging force)，若風機此時開始 轉動，則風速和葉片轉速會形成相對風速。此時所產生的升力和拉力 分別改與相對風速呈垂直和水平，其可拆解為平行風機旋轉平面的力 F

和垂直風機旋轉平面的力 F

。F

用於帶動葉片旋轉，而 F

則作用在 支撐風機的塔架上，造成塔架的負擔。假設拉力固定時，升力提高固 然可以提高 F

，但是 F

亦會隨之增加，因此在控制葉片時必須考慮到 升力與拉力之間的比例。

α β 葉片轉向

相對風速 風向

風機旋轉平面

弦線(chord line) 升力

拉力

F1

F2

轉速

風速

圖 3-1 風機葉片示意圖

z

x

u

x A

y

圖 3-2 以速度 u (m/s)移動的風塊

風機轉動後，可以由風中獲取多少能量呢？如圖 3-2 所示，假設

一矩形風塊(a parcel of wind)質量為

(kg)，以風速

(m/s)往

軸單一方

向移動，其所含有的動能為

( ) (J) 2

1 2

1

u Ax mu

E_k

= = ρ (3.1)

其中

ρ ：為空氣密度(kg/m

)

A

：為矩形風塊截面積(m

)

藉由對(3.1)式微分可得到此風塊通過風機時所能提供的最大功率為

( W )

2 1 2

1

dt Au Au dx dt

P_w

=

= ρ = ρ (3.2)

當風機從風中擷取的動能愈多時，風離開風機時的風速就會愈 慢，如果風機從風中擷取所有能量，則風通過風機後立即呈現靜止的 狀態，表示風完全被風機擋住，風機猶如不透風的迎風平面般，風中 的能量轉為推動風機，而非轉動葉片；若風機不擷取任何風的動能，

則風通過風機後速度將不產生任何改變，風機猶如不存在般，毫無作 用。因此風機在擷取風能時，必定存在一個最徍風能轉換效率。

Betz’ limit

圖 3-3 所示為一環形管狀氣流流經風機時所產生的一連串變化，

此氣流吹向風機時，部分動能轉換為機械能帶動風機旋轉，風速逐漸 降低至 u

後，由大氣提供動能使速度恢復至原始風速 u

。假設氣體無 法壓縮，根據質量守恆(conservation of mass)，則

dm

= & = ρ = ρ = ρ (3.3)

當風通過風機速度減慢時，為了符合質量守恆，截面積勢必加大，

且風吹向風機迎風面時，壓力逐漸增加，而背風面則低於一大氣壓力。

u2

u

Wind u1

u1

(2/3)u1

(1/3)u1

u

p

p1

p3

p2

A1

A

A2

圖 3-3 環形管狀之氣流流經理想風機

根據貝茲定律，假設氣流為連續不可壓縮、風機旋轉平面上的氣 流是均勻的且流經風機前後之氣流方向均垂直於風機旋轉平面，理想 風機從風中擷取動能並轉換為機械能的最徍效率為 16/27 。所謂的理想 風機是指風機能全部受風(即没有輪轂)、葉片無限多、對空氣不造成 阻力。由質量守恆可以推出風作用在風機上的力為

) (

u m F

−

=

∆

= ρ

&

此力所作的功為

=

對時間微分可得風機由風擷取的功率為

Fu A ( u

u

) u

dt

F dx dt

P

= dE = = = ρ − (3.4)

另外，由風通過風機時的動能改變可知風機所擷取到的功率為

) 2 (

1

) 2 (

1

2 1 2

1

2 2 2 1

2 2 2 1

2 2 2

1

u u Au

u u m

t mu mu

t E dt

P_m dE^{k k}

−

=

−

=

∆

−

∆ =

≅ ∆

=

ρ

& (3.5)

比較(3.4)式和(3.5)式，可得

) 2 (

1

) 2 (

) 1 (

2 1

2 2 2 1 2

2 1

u u u

u u Au u

u u A

−

⇒ =

−

=

− ρ

ρ

(3.6)

將(3.6)式代入(3.5)式，再與原始風速中所含的動能

相除可得

) ) ( ) ( 1

2 ( 1

2 1

) )(

4 ( 1

3 1 2 2 1 2 1 2

3 1

2 2 2 1 2 1

0

u u u

u u u

Au u u u u A P

P_m

+

−

−

=

−

−

=

ρ ρ

(3.7)

其中

3 1

0

2

1

= ρ

將(3.7)式對

1 2

u

u

微分，並令其為零，可得最大值 0.593 27

16 = 發生在

3 1

1

2

=

u

u

時，此即為貝茲極限。其說明了理想風機所能擷取的最徍風能。

實際上，由於流體的黏度、擴散性和通過葉片時的風阻等因素，

風機從風中擷取到的能量將低於貝茲極限。這些影響風機擷取風能的 因素可以合併至一函數值中，並將風機實際擷取到的風能表示為

) W

2 ( 1 ) ,

(

p

m C Au C P

P

= β λ ρ = (3.8)

其中

為效能係數(performance coefficient)，不同的風機會有不同的效 能係數曲線，表示風機從風實際擷取到的能量與風所提供的能量間的 比值。效能係數與槳距角 β 和尖速比(tip speed ratio, λ )有關，如圖 3-4 所示。尖速比為葉片末端速度與風速的比值。一個旋轉半徑為

，轉 速為 ω 之風機，在風速為

時的尖速比為

uwind

R

ω λ =

0 5 10 15

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

performance_coefficient

λ

Cp

β =1^o

β =6^o

β =11^o

β =16^o β =21^o β =26^o β =31^o β =36^o β =41^o

圖 3-4 不同槳距角時，效能係數與尖速比之關係圖

(3.8)式是單純風能轉換為機械能的轉換關係，其中間還需經過齒輪箱增速及發電 機轉換才傳送至負載使用，如

η

η

Pw P_m

ω

Pt

ω

Pe

ω

Cp

圖 3-5 所示為風力發電系統的功率轉換圖，風機將風能轉換為機 械能

的效率為

，再經效率為 η

的齒輪箱轉換供給發電效率為 η

的 發電機產生電能

。而齒輪箱兩側傳動軸上所受的力矩

、

可表示 如下

t t t

m m m

P T

P T

ω ω /

/

=

=

由(3.8)式，可將機械力矩

改寫為

ρ

/ ω

2

1

= (3.9)

η

η

Pw P_m

ω

Pt

ω

Pe

ω

Cp

圖 3-5 風力發電系統功率轉換

3.3 風 風 風 風力發電機基本架構 力發電機基本架構 力發電機基本架構 力發電機基本架構介紹 介紹 介紹 介紹

風機的分類可依旋轉軸分為水平軸式和垂直軸式，垂直軸式由於 效率低、需啟動裝置等缺點，不如水平軸式風力發電機普及。水平軸 式風力發電機主要由風輪、風輪軸、齒輪箱、發電機、調速裝置和塔 架等所組成，如圖 3-6 所示。

圖 3-6 風力發電機基本架構示意圖

(1) 風輪 風輪 風輪 風輪

由葉片與輪轂連接構成，其葉片數目與用途有關。風力機擷取風

能的效率除了跟葉片的型狀、尖速比及槳距角有關外，也受葉片的密

度比影響。葉片密度比為葉片面積與葉片掃掠平面面積之比值。密度

比愈高的風力機，葉片愈多，風機轉速也愈低，啟動性能較好，適合

抽水、碾米和壓縮空氣等用途。而密度比低的風力機，其轉速較快，

葉片數目少，適合風力發電之用途。現代風力發電機的葉片數大多為 2 枚和 3 枚葉片最為常用。

葉片形狀方面基本上可分為平板型和扭曲型兩種，平板型葉片之 攻角不隨葉片長度變化，即整枚葉片的攻角一致。效率雖然較低，但 結構簡單，成本低，常用於低速風力機。而所謂的扭曲型葉片，是指 其攻角隨葉片位置改變，角度由葉片根部往葉尖處逐漸減少，使葉片 上各處的攻角處於最佳角度，得到最佳升力，藉以獲得較佳的風能擷 取效率。現代風力機大多採用扭曲型葉片，雖然其構造複雜，但其所 帶來的效率提升程度受到葉片製造業者的青睞。

為了使葉片能將動力平均分配，葉片不僅需要扭曲，其弦線長度 還必須隨葉片長度，由根部往葉尖方向減少，達到葉片各處之升力與 阻力比值均勻，提高風能擷取效率。

輪轂方面，使用變槳距控制技術之風力發電機，其輪轂因包含變 槳距機械結構，在設計上較定槳距技術來得複雜。

(2) 傳動機構 傳動機構 傳動機構 傳動機構

傳動機構一般由低速軸、高速軸、增速齒輪箱和制動器(剎車)所 構成。有些風力發電機之輪轂會省去低速軸而直接連接到齒輪箱，節 省空間與重量。特別是在小型風機中，齒輪箱也一併省去，來達到風 機的輕量化。

齒輪箱的功用在於使風力機與發電機轉速匹配，其增速比即為發 電機額定轉速與風輪額定轉速的比值。大致上可分為定軸線齒輪箱與 行星齒輪箱兩類。定軸線齒輪箱的構造簡單，維護方便且成本低廉；

行星齒輪箱的傳動比大、體積小、重量輕且承載能力大，效率較高，

但造價亦高，結構複雜。