因應分散型發電之配電系統設計與運轉研究---總計畫(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

因應分散型發電之配電系統設計與運轉研究--總計畫(第 2 年)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-206-MY2

執 行 期 間 ： 96 年 08 月 01 日至 97 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： 學士級-專任助理人員：林靈

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 97 年 11 月 16 日

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 因應分散型發電之配電系統設計與運轉研究-總計畫(2/2)

計畫類別：□個別型計畫  整合型計畫 計畫編號：NSC 95－2221－E－011－206－MY2 執行期間：95 年 08 月 01 日至 97 年 07 月 31 日

計畫主持人：陳在相 共同主持人：

計畫參與人員：林靈

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 九十七 年 十 月 三十一 日

I

目錄

目錄 ··· I 圖表索引 ··· II 一、中英文摘要 ··· IV

二、前言 ··· 1

三、研究目的 ··· 1

四、研究方法 ··· 1

五、研究成果 ··· 3

六、結論 ··· 22

II

圖表索引

圖1 本整合型研究計畫之整體分工合作架構圖 ··· 1

圖2 DG 併網於 A1 時之穩態電壓變動率 ··· 3

圖3 DG 併網於 A5 時之穩態電壓變動率 ··· 4

圖4 DG 併網於 A10 時之穩態電壓變動率 ··· 4

圖5 在常態運轉情況下 DG 運轉功因為 1.0 時之最大可併網量 ··· 5

圖6 在常態運轉情況下 DG 運轉功因為 0.85 落後時之最大可併網量 ··· 5

圖7 在常態運轉情況下 DG 運轉功因為 0.95 超前時之最大可併網量 ··· 5

圖8 DG 以帄均最大可併網量(5.95MW)於 A1 點併網運轉時之電壓變動率 ··· 6

圖9 DG 以帄均最大可併網量(5.1MW)於 A5 點併網運轉時之電壓變動率 ··· 6

圖10 DG 以帄均最大可併網量(3.18MW)於 A10 點併網運轉時之電壓變動率··· 7

圖11 範例系統單線圖 ··· 7

圖12 併網點於編號 4，AVd權重100%之最佳連接方式 ··· 8

圖13 併網點於編號 4，Pd權重100%之最佳連接方式 ··· 8

圖14 併網點於編號 9，AVd、Pd權重各50%之最佳連接方式 ··· 8

圖15 併網點於編號 9，AVd權重100%之最佳連接方式 ··· 8

圖16 併網點於編號 9，Pd權重100%之最佳連接方式 ··· 9

圖17 併網點於編號 9，AVd、Pd權重各50%之最佳連接方式 ··· 9

圖18 併網點於編號 15，AVd權重100%之最佳連接方式 ··· 9

圖19 併網點於編號 15，Pd權重100%之最佳連接方式 ··· 9

圖20 併網點於編號 15，AVd、Pd權重各50%之最佳連接方式 ··· 9

圖21 運轉功因於 0.85(lagging)併網點於編號 5 可得最大併網量之最佳連接方式 ··· 10

圖22 運轉功因於 0.85(lagging)併網點於編號 9 可得最大併網量之最佳連接方式 ··· 10

圖23 運轉功因於 0.85(lagging)併網點於編號 15 可得最大併網量之最佳連接方式 ··· 10

圖24 運轉功因於 1.0 併網點於編號 5 可得最大併網量之最佳連接方式 ··· 10

圖25 運轉功因於 1.0 併網點於編號 9 可得最大併網量之最佳連接方式 ··· 10

圖26 運轉功因於 1.0 併網點於編號 15 可得最大併網量之最佳連接方式 ··· 10

圖27 模擬案例之饋線座標圖 ··· 11

圖 28 考慮饋線長度在運轉功因於 0.85(lagging)併網點於編號 5 可得最大併網量之最佳連 接方式 ··· 11

圖 29 考慮饋線長度在運轉功因於 0.85(lagging)併網點於編號 9 可得最大併網量之最佳連 接方式 ··· 11

圖30 考慮饋線長度在運轉功因於 0.85(lagging)併網點於編號 15 可得最大併網量之最佳連 接方式 ··· 12

圖31 Doble 波形重現模擬器之外觀圖 ··· 13

圖32 由 TransWin 軟體所載入之欲重現波形 ··· 13

圖33 智慧型 IED 之孤島運轉時間測試圖 ··· 14

圖34 計時流程圖 ··· 14

圖35 相位跳躍電驛之 NDZ ··· 15

圖36 頻率變化率之 NDZ ··· 15

圖37 頻率變化率與相位跳躍結合之 NDZ ··· 16

圖38 分散型電源運轉功因為 1.0 時之最大併網容量評估結果 ··· 16

圖39 分散型電源運轉功因為 0.85 落後時之最大併網容量評估結果 ··· 16

III

圖40 分散型電源於運轉功因為 0.85 落後情況下併接至範例系統 A10 時之饋線電壓模擬結

果 ··· 17

圖41 分散型電源於運轉功因為 0.85 落後情況下併接至範例系統 B10 時之饋線電壓模擬結 果 ··· 17

圖42 分散型電源於運轉功因為 0.85 落後情況下併接至範例系統 C10 時之饋線電壓模擬結 果 ··· 17

圖43 分散型電源於運轉功因為 1.0 情況下併接至範例系統 A10 時之饋線短路電流模擬結 果 ··· 18

圖44 分散型電源於運轉功因為 1.0 情況下併接至範例系統 B10 時之饋線短路電流模擬結 果 ··· 18

圖45 分散型電源於運轉功因為 1.0 情況下併接至範例系統 C10 時之饋線短路電流模擬結 果 ··· 18

圖 46 三部分散型電源依序併接於 A3、A6 與 A10 處之最大可併網容量搜尋演算法結果 ··· 19

圖 47 三部分散型電源依序併接於 A3、B6 與 B10 處之最大可併網容量搜尋演算法結果 ··· 20

圖 48 三部分散型電源依序併接於 A3、B6 與 C10 處之最大可併網容量搜尋演算法結果 ··· 20

圖49 系統功率損失之收斂情況 ··· 22

表1 風力機於 100%額定輸出之孤島電驛偵測結果表 ··· 14

表2 風力機於 50%額定輸出之孤島電驛偵測結果表 ··· 14

表3 風力機於 25%額定輸出之孤島電驛偵測結果表 ··· 15

表4 初始族群之演算結果 ··· 21

表5 第五代族群之演算結果 ··· 21

表6 第四十五代族群之演算結果 ··· 21

表7 基因演算法產生之第一百族群 ··· 22

IV

一、 中英文摘要

本整合型研究計畫第三年之主要目的在探討因應分散型發電系統併網運轉之網目型配電系 統之最適設計與運轉。因應分散型發電系統併網運轉之網目型配電系統之最適規劃與設計、保 護與協調以及運轉與維護等均納入本整合型研究計畫的研究範圍。本整合型研究計畫內含3 個 子計畫。子計畫一從事因應分散型發電系統併網運轉之網目型配電系統設計研究；子計畫二探 討因應分散型發電系統併網運轉之網目型配電系統保護協調問題；子計畫三從事因應分散型發 電系統併網運轉之網目型配電系統運轉研究。本整合型研究計畫所得結果將有助於整體設備投 資額的減少、整體運轉效能的提昇及配電系統未來的擴充。

For the third year, the major purpose of this integrated research project is to examine the design and operation of mesh distribution systems for interconnection with distributed generations (DG’s).

The finest planning and design, protection and coordination, and operation and maintenance for mesh distribution system arrangements will all be taken into account. This integrated research project is composed of three individual subprojects. Subproject 1 focuses on the design issues. Subproject 2 deals with the protection and coordination issues. Subproject 3 concentrates on the operation issues.

All the three subprojects are for mesh distribution system arrangements and taken into account the interconnection of DG. The results are of value to the capital cost reduction, operating efficiency improvement and better future expansion of distribution systems.

關鍵詞(Keywords):分散型發電(Distributed generations)、配電系統(Distribution systems)、網目型 (Mesh-type)、系統設計(System design)、運轉(Operation)、保護協調(Protection and Coordination)

二、 前言

為 了 讓 地 球 不 再 持 續 「 發 燒 」， 根 據 1996 年 聯 合 國 「 政 府 間 氣 候 變 遷 研 究 小 組 」

（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）之預估，認為若要在 21 世紀末將二氧化碳 濃度穩定在工業革命前的兩倍（550 ppm），則目前全球排放量必頇削減一半。但在1992 年簽訂

「氣候變化綱要公約」後，全球二氧化碳濃度仍在不斷上升，原公約減量目標普遍認為並未被 會員國認真執行，因而在國際上引貣極大的爭議，也逐漸形成制定具有法律效力議定書的共識。

隨後，在1997 年 12 月於日本京都舉行的「第三次締約國大會」（COP3）中通過了所謂的「京 都議定書」，用以規範38 個國家及歐盟，頇以個別或共同的方式控制人為排放之溫室氣體數量，

以期減少溫室效應對全球環境所造成的影響。「議定書」中規定各簽署國應在 2008 年到 2012 年間，將二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氰氟氯碳化物、全氟碳化物及六氟化硫等6 種「溫室氣 體」排放量，降到比1990 年的帄均水準還要再減少 5.2%的程度。

因此，為抑制地球溫室效應的擴大，京都議定書與歐盟指導綱領為歐盟各國未來溫室效應 氣體排放量及再生能源發電比例，可說訂定了參考目標值，對歐盟各國未來再生能源的發展，

將產生推波助瀾的影響。一般再生能源發電裝置因容量較小，常就近於配電饋線上併網，因此，

大多屬於分散型電源。分散型電源並非可完全取代傳統集中式發電，至少在可預見的未來是如 此，但對於特定負載中心的尖峰用電需求，提供了相當有效，且符合經濟的發、供電方式。尤 其在都市化愈明顯的地區，因高樓林立，且其用電裝置的用電時段相當集中，負載曲線尖峰陡 峭，而配電及變電設施卻常因鄰近居民的反對而無法順利擴充，造成即使有發電容量也無法傳 送電力至需用負載的區域性限電問題。分散型發電設施，包含再生能源發電系統及儲能設施在 內，因之，都有極大之發展空間。

分散型電源除具有污染少、模組化程度高之優點外，且與大型集中電廠比較，有建廠前置 時間短及可鄰近負載中心設置等優勢。雖然分散型電源具有上述優點，但由於傳統配電系統於 規劃、設計時，均係假設電源為集中型，以單方向電力潮流為配電網路之規劃設計思考模式，

相關保護協調亦同，並未將分散型電源之併網運轉納入考量，雖較為單純，但隨著愈來愈多各 類分散型電源的併網運轉，勢必將對配電系統造成甚大之衝擊，故如何降低其衝擊並最大化其 整體效益是亟待研究之課題。

有鑑於此，本整合型計畫乃針對風機併網可能產生之逆送電力、孤島運轉、電壓波動、併 聯電壓突降、電壓控制、短路電流、保護裝置、保護協調、系統不帄衡、最大併聯容量、併聯 點、併聯變壓器接線方式、功因改善、接地方式等問題進行分析與研究，同時並開發所需之元 件與系統數學模型，以資瞭解風力發電與配電系統併聯時所可能造成之影響，及進一步針對配 電系統之規劃、設計、分析、保護與運轉等進行重新檢討，總體目標設定在「因應分散型發電 之配電系統設計與運轉」上。整體計畫將針對分散型電源，尤其是風力發電之快速成長，配電 系統應如何規劃、設計、保護與運轉方屬適切，進行深入的研究與探討，並提出可行的方法，

以期有助我國再生能源的發展，最大化配電系統、分散型發電系統與用戶系統之整體效益。

三、 研究目的

本研究計畫第三年之研究目標係針對因應分散型電源之網目型配電系統之設計與運轉進行 研究，並將焦點放在佔比超過90%的風力發電上，研究問題涵蓋逆送電力至輸電系統、孤島運 轉、電壓波動、併聯電壓突降、電壓控制、短路電流、保護裝置、保護協調、系統不帄衡、最 大併聯容量、併聯點、併聯變壓器接線方式、功因改善、接地方式等。研究結果可作為未來配 電系統因應分散型電源之規劃設計、保護協調及運轉維護等之參考與應用，同時亦有助於分散 型電源與配電系統併聯運轉之整體供電品質、安全性與可靠度之提升及整體成本之降低等，以 期有助我國再生能源的發展，最大化配電系統、分散型發電系統與用戶系統之整體效益。

四、 研究方法

本整合型研究計畫各子計畫所設定的研究目標均為因應分散型電源併網運轉之網目型配電 系統設計與運轉之關鍵課題，各子計畫間的關係極為密切，如圖1 所示，必頇透過團隊分工合 作方可達成，各子計畫研究方向分述如下：

總計劃：因 應分散型發 電之配電系 統設計與運

轉研究

子計畫一：因 應分散型發電 之配電系統設

計研究

子計畫三：因 應分散型發電 之配電系統運

轉研究 子計畫二：因

應分散型發電 之配電系統保 護協調研究

圖1 本整合型研究計畫之整體分工合作架構圖

A、 子計畫一—「因應分散型發電之配電系統設計研究(2/2)」：

本子計畫第三年的主要研究方法簡述如下：

(1) 持續國內外分散型電源相關技術資料與文獻之蒐集：持續蒐集分散型電源相關技術資 料與文獻，以充分掌握世界性分散型電源發展現況、未來發展趨勢、規格、運轉特性、

控制方式與維護技術等。

(2) 持續國內外配電系統相關技術資料與文獻之蒐集：持續蒐集國內外其他常見型態(如網 目型與一次選擇型)配電系統相關設計技術資料與文獻，以充分掌握世界性配電系統發 展現況。

(3) 分散型電源併聯運轉於網目型配電系統之模擬與分析：利用已建構完成之元件與系統 模型，有系統地模擬、分析與探討分散型電源併聯運轉於網目型配電系統之常態與非 常態行為模擬與分析。

(4) 分散型電源併網運轉對網目型配電系統衝擊之分析與探討：以更宏觀、整體的角度來 綜合分析與探討分散型電源併網運轉對網目型配電系統之衝擊。

(5) 因應分散型電源併網運轉之網目型配電系統最適規劃設計探討：透過慎密的模擬與分 析，就可行性、技術、效益與配套措施等做整體性分析與評估，以探求因應分散型電 源之網目型配電系統之最適規劃、設計。

(6) 綜合探討因應分散式電源之各型態配電系統最適設計原則與方法：依三年期研究計畫 模擬、分析與探討結果，綜合探討因應分散式電源之各型態配電系統最適設計原則與

方法。

(7) 第三年研究報告與論文之撰寫：撰寫研究報告與論文、分享研究成果。

B、 子計畫二：—「因應分散型發電之配電系統保護協調研究(2/2)」：

本子計畫研究目的是建立一套含分散型電源配電網路之保護電驛原型機之快速開發系統，

電驛設計者可以利用此開發系統，針對各種不同配電系統型式，輕易地設計且製作出適用於含 分散式電源配電網路之保護電驛原型機，且利用電驛測試帄台驗證其效能，並建立此原型機之 實際電驛模型，然後利用此電驛模型及模擬帄台求得電驛最佳保護協調參數，本子計畫研究目 的主要可以細分成四大目標：

(1) 藉由電力即時模擬軟體建構含分散型電源配電系統網路暫態之模擬帄台，用以模擬各種不 同型式之配電系統事故，分析電驛裝設點之電壓電流波形。

(2) 完成分散型電源電驛之各項保護演算法則，且利用 MATLAB 完成可供模擬帄台模擬之虛 擬電驛模型。

(3) 利用 NI CompactRIO 將虛擬電驛製作成電驛之原機型，且利用電驛測試帄台驗證其效能，

並建立此原型機之實際電驛模型。

(4) 利用實際電驛模型及模擬帄台，模擬且求得電驛保護協調之適當參數。

C、 子計畫三：—「因應分散型發電之配電系統運轉研究(2/2)」：

目前，國內配電系統之型態主要為放射型，其次為常開與常閉環路型，網目型則無實際運 轉案例，因此，瞭解網目型配電系統之運轉特性為本子計畫之首要工作。又且，一如放射型與 常閉環路型配電系統，分散型電源的併聯運轉必然對網目型配電系統的運轉有所影響，但影響 的範圍與程度有多大？目前學術界與產業界所知亦不多，因此，探討分散型電源併聯運轉所衍 生的運轉問題，並提出因應策略，乃為本子計畫之次要工作。本子計畫所採行之研究方法如下 所述。

(1) 資料蒐集與整理

資料蒐集包括學術研究文獻、實際運轉案例、系統參數與運轉規範等。前兩者可供本子計 畫研究人員瞭解網目型配電系統之基本運轉特性以及分散型電源所帶來得併聯運轉問題，而後 兩者則可供本子計畫研究人員用以建置模擬用範例系統，以便獲得所需之研究資料。

(2) 系統建置與模擬

範例系統係以台電典型之放射型與常閉環路型配電系統架構為基礎建置而成的。範例系統 建置完成之後，本子計畫將參考實際配電系統之運轉情況擬定網目型配電系統可能出現且具代 表性之運轉案例，然後藉由電腦模擬軟體的模擬以獲得網目型配電系統各種運轉資料，包括饋 線電壓大小、電流大小、短路電流大小以及系統功率損失等，並可評估出分散型電源之最大可 併網容量，以為後續分析與探討系統運轉問題之基礎。本子計畫所使用之模擬軟體為CYMDIST 與MATLAB/SIMULINK。前者係用以模擬網目型配電系統之穩態運轉特性，而後者則係用以開 發分散型電源最佳併網位置演算程式。

(3) 結果分析與探討

範例系統之各種運轉案例經模擬之後將產生許多數據資料，這些資料經由系統性地整理、

歸納、探討與分析之後可使本子計畫人員深入瞭解網目型配電系統在正常與非正常情況下之運 轉特性，包括饋線電壓與電流大小分佈與變動情形、饋線短路電流大小變動情形、系統功率損 失變動情形以及分散型電源併聯運轉所產生的系統運轉問題，包括饋線電壓過高或過低、饋線 電流超過熱容量限制、短路電流過大與系統功率損失增加等。

(4) 策略研究與提議

當分散型電源與網目型配電系統併聯運轉問題研究工作結束之後，本子計畫將針對較重要

的問題研究可行的因應策略，包括所需的設備、技術與方法。所提的因應策略亦將加以測試、

修正，使其具有實用可行之效果，以供電業人員參考與應用。

五、 研究成果

本整合型研究計畫各子計畫第三年的研究成果，分別摘錄如下：

A、 子計畫一—「因應分散型發電之配電系統設計研究(2/2)」：

本計畫第一與二年的研究中，已就分散型電源併網對放射型、常開環路型與常閉環路型配 電系統的衝擊進行探討。研究結果發現，前述型態配電系統在承受分散型電源併網衝擊的能力 相當有限，可容許的併網容量亦不盡理想。因此，在本子計畫第三年的研究中，為尋求較符合 分散型電源發展的配電網路型態，特別針對常閉環路型在因應分散型電源併網上的缺點進行探 究，並提出其改良型架構，較前述三種配電系統型態架構具較佳的強健性，適合風力發電等分 散型電源的發展，類屬網目型系統架構。本子計畫將分別針對(1)負載分布對 DG 併網所造成饋 線沿線穩態電壓變動的影響分析、(2)各併網點在常態運轉情況下之最大可併網量分析、(3)非常 態運轉情況下最大可併網量分析及(4)優質化電網規劃與設計探討等項目進行研究。

(一) 負載分布對DG併網所造成饋線沿線穩態電壓變動的影響分析

由前兩年的分析可知，影響配電饋線穩態電壓變動的因素甚多，饋線沿線所掛接負載的負 載量與負載分布為其主要的影響因素。是故本節亦針對各種典型的負載分布進行探討，並在分 散型電源運轉在不同功因下及分散型電源在饋線不同點(A1、A5 與 A10 三點)上併網運轉等情 況，進行交叉分析。分析結果如圖2 至圖 4 所示。

分析結果顯示負載分布對本研究所設計之兩種網目型饋線範例架構的影響並不明顯，遠不 如分散型電源的運轉功因與併網點的影響。饋線負載分布、分散型電源運轉功因與分散型電源 併網點三者中，以分散型電源運轉功因對配電饋線穩態電壓變動的影響最為明顯，分散型電源 併網點的影響次之。由此可見，配電饋線由常閉環路型改為網目型，可有效消弭負載分布的影 響。

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging)

IL v.s. IL DL v.s. DL IL v.s. DL IL v.s. IL DL v.s. DL IL v.s. DL

架構一 架構二

0.4

0.01 1.13

0.31 0.2 1.02

0.31 0.1

1.13

0.41

0.01 1.13

0.31 0.1

1.13

0.41

0.1 1.13

穩態電壓變動率(%)

電壓變動率 V.S. 負載分佈&DG功因

註: IL : 遞增型負載(Increasing Load), DL : 遞減型負載(Decreasing Load), P.F. : 功率因數(Power Factor) 圖2 DG併網於A1時之穩態電壓變動率

0.20 0.40.6 0.81 1.21.4 1.61.8

P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging)

IL v.s. IL DL v.s. DL IL v.s. DL IL v.s. IL DL v.s. DL IL v.s. DL

架構一 架構二

0.82

0.21 1.75

0.93

0.21 1.75

0.82

0.21 1.75

0.82

0.21 1.65

0.82

0.21 1.65

0.72

0.1 1.54

穩態電壓變動率(%)

電壓變動率 V.S. 負載分佈&DG功因

圖3 DG併網於A5時之穩態電壓變動率

0 0.5 1 1.5 2 2.5

P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging) P.F. 1.0 P.F. 0.95(Leading) P.F. 0.85(Lagging)

IL v.s. IL DL v.s. DL IL v.s. DL IL v.s. IL DL v.s. DL IL v.s. DL

架構一 架構二

1.13 0.41

2.17

1.24 0.41

2.16

1.14 0.41

2.17

1.24 0.41

2.17

1.24 0.41

2.16

1.14

0.41 2.17

穩態電壓變動率(%)

電壓變動率 V.S. 負載分佈&DG功因

圖4 DG併網於A10時之穩態電壓變動率

(二) 各併網點在常態運轉情況下之最大可併網量分析

圖5 至圖 7 分別為在常態運轉情況下，DG 運轉功因為 1.0、0.95 領先與 0.85 落後情況下，

饋線沿線各負載引接點之最大可併網量。

由圖5 中可看出，當 DG 運轉功因為 1.0 時，網目型架構一與網目型架構二在常態運轉情 況下的最大可併網量皆較常閉環路型者為高，在變電所饋線出口端附近之併網點尤其明顯。值 得注意的是，增設饋線兩端分接點及其附近可併網點的最大可併網量增幅較大。因此，在常態 運轉情況下，架構一在 A1 與 B3 及其鄰近之併網點之最大可併網量增幅較大，而架構二則在 A5 與 B7 及其鄰近之併網點之最大可併網量增幅較大。

由圖6 中可看出，在常態運轉情況下，當 DG 運轉功因為 0.85 落後時，網目型架構一與架 構二的最大可併網量與常閉環路型者相較並無明顯提升。惟在增設饋線兩端分接點(如架構一的 B3 與架構二的 B7)及其附近可併網點(如架構一的 B2 與架構二的 B6)的最大可併網量增幅仍較 大，此一現象並未改變。

然而，由圖7 可看出，在常態運轉情況下，當 DG 運轉功因為 0.95 領先時，網目型架構一 與架構二的最大可併網量與常閉環路型者相較有不升反降的現象，圖中的B4 與 B3 兩點尤其明

顯。除此之外，與DG 運轉功因為 1.0 及 0.85 落後時最大的不同在於最大可併網量的分佈模式 恰好相反，DG 運轉功因為 1.0 與 0.85 落後時，愈靠近變電所饋線出口端之可併網點之最大可 併網量愈大，反之則愈小。然而，當DG 運轉功因為 0.95 領先時，愈靠近變電所饋線出口端之 可併網點之最大可併網量反而愈小，愈遠離者反之愈大。其原因主要為各該點的系統等效阻抗 角與分散型電源的發電量與功因角的交互作用所致。因系統的阻抗角與 DG 的發電量與運轉功 因對併網點電壓變動的影響甚為明顯，進而影響到各該點的最大可併網容量。

0 5 10 15

A1 A3 A5 A7 A9 D1 D3 D5 B9 B7 B5 B3 B1

容量(MVA)

負載引接點 最大可併網量 V.S. 系統型態

網目型架構一 網目型架構二 常閉環路型 圖5 在常態運轉情況下DG運轉功因為1.0時之最大可併網量

0 5 10 15

A1 A3 A5 A7 A9 D1 D3 D5 B9 B7 B5 B3 B1

容量(MVA)

負載引接點 最大可併網量 V.S. 系統型態

網目型架構一 網目型架構二 常閉環路型

圖6 在常態運轉情況下DG運轉功因為0.85落後時之最大可併網量

0 20 40 60 80 100

A1 A3 A5 A7 A9 D1 D3 D5 B9 B7 B5 B3 B1

容量(MVA)

負載引接點 最大可併網量 V.S. 系統型態

網目型架構一 網目型架構二 常閉環路型

圖7 在常態運轉情況下DG運轉功因為0.95超前時之最大可併網量

(三) 非常態運轉情況下最大可併網量分析

在大多數的非常態運轉情況下，網目型饋線沿線有較常閉環路型饋線為高之短路容量，持 續供電的能力、供電品質及可靠度均較佳。本小節將針對網目型配電系統在非常態運轉情況下，

分散型電源併網運轉對穩態電壓變動率的影響進行分析與探討。首先就網目型饋線架構一與架

構二分別設定故障發生在變電所饋線出口端、兩側饋線中段與兩側饋線末端(常閉互連點左右) 共六種非常態運轉情況，以便依序進行模擬。其中，故障發生在網目型饋線架構一之變電所饋 線出口端、兩側饋線中段與兩側饋線末端者，依序定名為Case #1 至 Case #3﹔故障發生在網目 型饋線架構二者，依序定名為Case #4 至 Case #6。由模擬結果得在這六種非常態運轉情況下，

併網於 A1 點的「帄均最大可併網量」為 5.95MW、A5 的帄均最大可併網量為 5.1MW，而於 A10 點的帄均最大可併網量則僅為 3.1MW。前述帄均最大可併網量係指在 DG 運轉功因為 0.85 落後情況下，分別就六種非常態運轉情況進行 DG 併網之電壓變動率分析，在符合最大電壓變 動率為2.5%之規範下各非常態運轉情況可得之最大可併網量的帄均值。此值可做為決定網目 型配電饋線沿線DG 最大可併網量的重要參考依據。為瞭解 DG 在此一帄均最大可併網量在所 設定的六種非常態運轉情況下，滿載運轉對饋線沿線穩態電壓變動率的衝擊，因此依前述所設 定的六種非常態運轉情況依序進行電壓變動率分析，分析結果如圖8 至圖 10 所示。由圖 8 至圖 10 中可知 DG 以帄均最大可併網量於網目型配電饋線上併網運轉時，在非常態運轉情況下，所 造成之電壓變動率有超過2.5%規範限制的現象，但相較於常閉環路型或放射型配電系統，其 電壓電動率的範圍已降低許多。

因網目型配電系統具相當之運轉與規設彈性，以下將利用其彈性進行系統優化，以期降低 DG 併網運轉所造成的穩態電壓變動率衝擊，提升最大可併網量，以利再生能源政策的推展。

可行的優化方式甚多，增設多條饋線及適切選定增設饋線兩端分接點等均具可行性。

0 1 2 3 4 5 6 7

P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading)

Case #1 Case #2 Case #3 Case #4 Case #5 Case #6

2.27 4.03

0.83 0.72 1.94

0.2 0.61 1.94

0.2 4.28

6.68

2.1 0.72

1.94

0.2 0.72 1.94

0.2

電壓變動率(%)

穩態電壓變動率

圖8 DG以帄均最大可併網量(5.95MW)於A1點併網運轉時之電壓變動率

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading)

Case #1 Case #2 Case #3 Case #4 Case #5 Case #6

1.97 3.32

0.83 1.12 2.25

0.31 1.13

2.26

0.31 2.3

3.75

1.04 1.03 2.1

0.21 0.92

1.95

0.21

電壓變動率(%)

穩態電壓變動率

圖9 DG以帄均最大可併網量(5.1MW)於A5點併網運轉時之電壓變動率

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading) P.F. 1.0 P.F. 0.85(Lagging) P.F. 0.95(Leading)

Case #1 Case #2 Case #3 Case #4 Case #5 Case #6

1.25 2.2

0.52 1.88

3.02

0.94 1.34

2.16

0.62 1.57

2.61

0.83 1.66

2.7

0.83 1.13 1.95

0.41

電壓變動率(%)

穩態電壓變動率

圖10 DG以帄均最大可併網量(3.18MW)於A10點併網運轉時之電壓變動率

(四) 優質化電網規劃與設計探討

在各種常態與非常態運轉情況下，網目型配電網路較放射型、常開環路型及常閉環路型饋 線為強健，承受DG 併網運轉衝擊的能力較佳，但不同架構的網目型配電網路在各項評估指標 上的表現亦有不小出入。因此，為建構適合分散型電源發展的優質化配電網路，尚有賴最佳化 的分析、設計工具。在本小節中將使用商用套裝軟體 Matlab/Simulink，建構一套能分析全系統 各饋線沿線帄均電壓變動率、全系統損失百分率、允許 DG 最大可併網量等多項性能指標之帄 台，配合基因演算法與電力潮流，以求取在考量多目標規劃下之最佳配電系統網目架構。

(a) 以固定併網量為前提進行最佳化設計

以圖11 所示之範例系統為例，其優化結果摘要於圖 12 至 20 中。由分析結果可看出，在不 同併網位置與不同饋線數目及不同權重的選擇下，對其最佳連絡方式影響甚大。若考量更多之 因素，勢必會使系統變的更加複雜，因此使用基因演算法來決定其最佳連接方式的確有其必要 性與價值。

在併網點位於編號位置4 時，若以帄均電壓變動率為主要考慮因子時，在單一饋線與三條 饋線來最佳化設計下，其兩端分接點的一端皆會選擇短路容量較高處，如編號3(主變二次側匯 流排)及編號 14(主變出口端附近)，而另一端皆會選擇饋線末端，主要原因是靠近主變出口處具 較高的短路容量，可承受較大之分散型電源衝擊，提升饋線末端短路容量較低的現象，讓其電 壓變動不至於有太大貣伏。

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載

,

22.8 60 8.664

0.01696 0.01529

base base base line pu

v kv

s MVA

z

z j





 

  

V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27 28

圖11 範例系統單線圖

若同時考慮帄均電壓變動率與饋線功率損失率，在權重相同的情形下，在單一饋線與三條 饋線的連接方式上，在饋線兩端分接點的位置上差異並不大，其中一端位於分散型電源之併網 點，而另一端點則是往饋線末端處找尋適切連接位置，主要是因為功率損失率占較大的影響成 分，如此之連接方式，可使饋線末端之負載就近獲得電源供應，而不需要經由原回路電源長距 離供電，因此可減少饋線功率損失。

若以功率損失率為主要考慮因子時，無論是以單一饋線，或是以三條饋線來完成最佳化設 計時，其增設饋線連接方式會與同時考慮帄均電壓變動率與功率損失率時之連接方式相近，其 中之一端亦為分散型電源之併網點，惟另一端的分接點會更趨近饋線末端的負載引接點，主要 係因以功率損失為考量，利用分散型電源就近供電給負載為損失最少之連接方式。

而分散型電源併網於饋線末端時，其併網量往往受電壓變動限制，主要原因在於其短路容 量較低，容易造成電壓的大幅變動。由模擬結果可知，在併網點位於編號15 處，若以帄均電壓 變動為主要考量因子時，在以單一饋線與三條饋線來完成最佳化設計時，其分接點的一端皆會 往短路容量較高處找尋連接點，如編號3(主變二次側匯流排)、4(主變二次側出口端附近)，而另 一端點則在原饋線末端DG 併網點附近，如編號 14、26 及 15。其主要原因係 DG 併網於末端 時，系統末端之短路容量較低，藉著新增饋線將分散型電源之發電量導往短路容量較高處，便 可大幅降低在併網點的電壓衝擊。若同時考慮帄均電壓變動率與饋線功率損失率，由饋線的連 接方式可看得出來，帄均電壓變動率佔絕大部分之影響，連接方式會與僅考慮帄均電壓變動率 時之連接方式相近。若以功率損失率為主要考慮因子時，新增饋線兩端之分接點會由併網點附 近之位置，移往原饋線兩側的中後段部分，主要原因係為可快速將分散型電源發電量導入至饋 線末端附近負載點，而不用經由主變端之較長路徑輸送電力，藉此可降低功率的損耗。

DG 254.94kW

158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z zt pu,

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z zt pu, DG

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖12 併網點於編號4，AVd權重100%之最佳連接方式

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖13 併網點於編號4，Pd權重100%之最佳連接方式

254.94kW 158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z z_{t pu,}

DG 254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z zt pu,

DG

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖14 併網點於編號9，AVd、Pd權重各50%之最佳連接方

式

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖15 併網點於編號9，AVd權重100%之最佳連接方式

254.94kW 158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z z_{t pu,}

DG

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z zt pu,

DG

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖16 併網點於編號9，Pd權重100%之最佳連接方式

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖17 併網點於編號9，AVd、Pd權重各50%之最佳連接

方式

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z z_{t pu,}

DG

254.94kW 158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z z_{t pu,}

DG

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖18 併網點於編號15，AVd權重100%之最佳連接方式

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖19 併網點於編號15，Pd權重100%之最佳連接方式

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27

, 28

source pu

z z_{t pu,}

DG

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式

圖20 併網點於編號15，AVd、Pd權重各50%之最佳連接方式

(b) 以固定風場為前提進行最佳化設計

在本節主要是以固定風場位置為前提，以電壓變動率±2.5%為限制條件，利用新增饋線提高 該風場之最大可併網量。風機併網所造成的電壓變動影響，其主要的影響來自於併網的位置與 風機本身的運轉功因，次要的影響條件是負載分布的狀況，利用電壓評估公式在推估該固定風 場的最大可併網量時，僅考慮到系統的阻抗角與風機的運轉功因角，而沒有考慮到負載的分布 及負載功率因數，所以其推算值並不精確，而在本節利用電力潮流分析固定風場的電壓變動，

配合不同情況下的饋線連接方式，求出該風場的最大可併網量，最後利用基因演算法找出在符 合限制條件下，具有最大併網量之系統結構。

連接方式的示意圖如圖21 至圖 26 所示，在此可看出皆有相同規則，若要獲得最大可併網 量，頇將饋線連接至短路容量較高處，其主要原因是因為短路容量較高處，其具有較高的電壓

變動承受能力。

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27 28

, source pu

z z_{t pu,}

DG

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27 28

, source pu

z z_{t pu,}

DG

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖21 運轉功因於0.85(lagging)併網點於編號5可得最

大併網量之最佳連接方式

圖22 運轉功因於0.85(lagging)併網點於編號9可得 最大併網量之最佳連接方式

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27 28

, source pu

z z_{t pu,}

DG

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27 28

, source pu

z z_{t pu,}

DG

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖23 運轉功因於0.85(lagging)併網點於編號15可得最

大併網量之最佳連接方式

圖24 運轉功因於1.0併網點於編號5可得最大併網 量之最佳連接方式

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27 28

, source pu

z z_{t pu,}

DG

254.94kW158.13kvar

16.5MW

主變二次側其他饋線等效負載 V=1.0pu

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27 28

, source pu

z zt pu,

DG

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式

註﹕藍色線為增加一條饋線之連接方式 橙色線為增加三條饋線之連接方式 圖25 運轉功因於1.0併網點於編號9可得最大併網量

之最佳連接方式

圖26 運轉功因於1.0併網點於編號15可得最大併 網量之最佳連接方式

(c) 固定風場為前提下考慮饋線長度下的設計與規劃

前兩節的模擬分析為簡化電壓變動率之衝擊，以及方便計算饋線上之損失並未將饋線長度