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--總計畫(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-011-148-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
共 同 主 持 人 ： 楊文治、辜志承、蔡樹仁、黃維澤、陳柏宏 計畫參與人員： 碩士級-專任助理人員：陳昆典
公 開 資 訊 ： 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 100 年 11 月 12 日
中 文 摘 要 ： 本整合型研究計畫的主要目標是在探究新的技巧與技術，以 資安全、有效率地操作與控制微型電網。整合多種分散型能 源資源之微型電網應能在併網模式下，在其當地配電網下安 全且有效率地操作與控制，亦能在孤島模式下安全運轉。本 整合型研究計畫包含五個子計畫，分工合作，分頭並進，子 計畫一為整合多種分散型資源之微型電網運轉技術研究；子 計畫二為整合多種分散型資源之微型電網保護協調研究；子 計畫三為整合多種分散型資源之微型電網規劃設計研究；子 計畫四為整合多種分散型資源之微型電網電能管理研究；子 計畫六為微型電網之最佳調度策略與經濟效益評估。本整合 型研究計畫之研究結果將有助於提升整體電網供電品質、安 全性與經濟效益，並可提供為未來配電系統升級為微型電網 模式時之參考與應用。本整合型研究計畫之研究內容包含﹕
整合所建構微型電網的數學模型，並建立輻射型配電網路之 微型電網全尺度模型﹔模擬與分析微型電網中含有多個分散 型資源之運轉技術與問題﹔探討微型電網運轉於孤島運轉模 式、併網運轉模式間轉換過程中的穩/暫態分析；提出最適台 灣微電網系統之配電系統規劃與設計準則；發展孤島運轉模 式之虛功補償策略；應用二元搜尋法與基因演算法搜尋再生 能源發電設備之最大容許發電量； 模擬微電網於不同運轉模 式與運轉條件下之穩/暫態響應；微電網之孤島偵測技術；根 據微電網之運轉模式與其組態架構，建構一套微電網保護方 式與準則；研擬微電網自動同步並聯技術；利用模糊理論結 合蒙地卡羅法建立可處理氣候不確定因素的太陽光和風力發 電求解模型；應用進化粒子群優法發展一種以「用戶總支出 最小化」為目標函數的微型電網最佳調度技術；微型電網的 經濟效益評估；儲能系統容量設計與經濟效益分析；電能管 理系統架構；負載需量之預測與計算；負載管理策略；即時 電力潮流求解方法；利用線性規劃與直接搜尋法進行最佳電 能管理以及整合電能管理模組之模擬系統建立等，最後完成 適用於整合多種分散型資源之微型電網最佳電能管理與運轉 研究等。
中文關鍵詞： 微型電網、規劃設計、運轉技術、保護協調、電能管理、模 糊理論、蒙地卡羅法、進化粒子群優法
英 文 摘 要 ： The major purpose of this integrated research project is to explore the new skills and technology for
operating and controlling a microgrid safely and
efficiently. A microgrid with various distributed
energy resources (DERs) should be operated safely and
efficiently within its local distribution network,
but it is also capable of islanding. This integrated research project is composed of five individual projects. Project #1 studies on new skills and technology for operating a microgrid. Project #2 concentrates on the study of protection and
communication technology for a microgrid with DERs.
Project #3 focuses on the study of planning and design technology of a microgrid with DERs. Project
#4 investigates on the energy management technology for a microgrid with DERs. Project #6 examines the optimal dispatch and economic evaluation technology for a microgrid with DERs. Results of this integrated research study would contribute to design a suitable microgrid for Taiwan power system, improve its power quality, security and economic benefits, and are of value to upgrade the existing distribution system to be a microgrid in the near further.
英文關鍵詞： Microgrid, planning and design, operation techniques,
protective coordination, electrical energy management
(EEM), fuzzy theory, Monte Carlo method, particle
swarm optimization technique.
I
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) –總計畫
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC 97－2221－E－011－148－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：國立台灣科技大學電機工程系
計畫主持人：陳在相
共同主持人：辜志承、陳柏宏、楊文治、黃維澤 計畫參與人員：陳昆典、楊念哲、謝廷彥
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
II
一、 中英文摘要
本整合型研究計畫的主要目標是在探究新的技巧與技術，以資安全、有效率地操作與 控制微型電網。整合多種分散型能源資源之微型電網應能在併網模式下，在其當地配電網 下安全且有效率地操作與控制，亦能在孤島模式下安全運轉。本整合型研究計畫包含五個 子計畫，分工合作，分頭並進，子計畫一為整合多種分散型資源之微型電網運轉技術研究；
子計畫二為整合多種分散型資源之微型電網保護協調研究；子計畫三為整合多種分散型資 源之微型電網規劃設計研究；子計畫四為整合多種分散型資源之微型電網電能管理研究；
子計畫六為微型電網之最佳調度策略與經濟效益評估。本整合型研究計畫之研究結果將有 助於提升整體電網供電品質、安全性與經濟效益，並可提供為未來配電系統升級為微型電 網模式時之參考與應用。本整合型研究計畫之研究內容包含﹕整合所建構微型電網的數學 模型，並建立輻射型配電網路之微型電網全尺度模型﹔模擬與分析微型電網中含有多個分 散型資源之運轉技術與問題﹔探討微型電網運轉於孤島運轉模式、併網運轉模式間轉換過 程中的穩/暫態分析；提出最適台灣微電網系統之配電系統規劃與設計準則；發展孤島運轉 模式之虛功補償策略；應用二元搜尋法與基因演算法搜尋再生能源發電設備之最大容許發 電量; 模擬微電網於不同運轉模式與運轉條件下之穩/暫態響應；微電網之孤島偵測技術；
根據微電網之運轉模式與其組態架構，建構一套微電網保護方式與準則；研擬微電網自動 同步並聯技術；利用模糊理論結合蒙地卡羅法建立可處理氣候不確定因素的太陽光和風力 發電求解模型；應用進化粒子群優法發展一種以「用戶總支出最小化」為目標函數的微型 電網最佳調度技術；微型電網的經濟效益評估；儲能系統容量設計與經濟效益分析；電能 管理系統架構；負載需量之預測與計算；負載管理策略；即時電力潮流求解方法；利用線 性規劃與直接搜尋法進行最佳電能管理以及整合電能管理模組之模擬系統建立等，最後完 成適用於整合多種分散型資源之微型電網最佳電能管理與運轉研究等。
關鍵詞: 微型電網、規劃設計、運轉技術、保護協調、電能管理、模糊理論、蒙地卡羅法、
進化粒子群優法
The major purpose of this integrated research project is to explore the new skills and technology for operating and controlling a microgrid safely and efficiently. A microgrid with various distributed energy resources (DERs) should be operated safely and efficiently within its local distribution network, but it is also capable of islanding. This integrated research project is composed of five individual projects. Project #1 studies on new skills and technology for operating a microgrid. Project #2 concentrates on the study of protection and communication technology for a microgrid with DERs. Project #3 focuses on the study of planning and design technology of a microgrid with DERs. Project #4 investigates on the energy management technology for a microgrid with DERs. Project #6 examines the optimal dispatch and economic evaluation technology for a microgrid with DERs. Results of this integrated research study would contribute to design a suitable microgrid for Taiwan power system, improve its power quality, security and economic benefits, and are of value to upgrade the existing distribution system to be a microgrid in the near further.
The primary research topics of this integrated research project including integration of the
micro-grid mathematic models, building the full scale micro-grid model for the radial type
distribution system; simulating and analyzing the operation of a micro-grid with several
distributed resources; study on the steady-state and transient performances during the transfer
period between the parallel operation mode and islanding mode; provide the suggestion of the
suitable planning and design criteria for building the microgrid in the Taiwan distribution system;
III
development of the compensation strategy of reactive power under the islanding operation condition; utilize the binary search method and GA method to find out the maximum allowable generation capacity of renewable generators; simulations of the steady-state and the dynamic responses of microgrid under different operating modes and conditions; development of an effective islanding detection technique; according to the operating conditions, source modes and microgrid configurations to propose an effectively protection and coordination strategies, development of an automatic synchronous grid-connected controller, establishing a test system for micro-grid and developing the corresponding hardware for protection and coordination, investigating the electrical energy management (EEM) system for the micro-gird with distributed resources and controllable loads, using Monte Carlo method combined with the Fuzzy Theory to deal with the climate uncertainty of wind generations and photovoltaic cells, and applying the Evolutionary Particle Swarm Optimization technique and taking “minimize consumer payment”
as objective function to develop a dispatch strategy for a micro-grid, economic evaluation of the microgrid, best capacity of energy storage devices is also designed, analyzes the system structure of EEM, load demand prediction and calculation, load management schemes, real-time power flow solution approaches, optimal management via linear programming and direct search methods, and build a simulation system with EEM. Finally, the optimal EEM will be accomplished for microgrid with various DERs.
keywords: Microgrid, planning and design, operation techniques, protective coordination,
electrical energy management (EEM), fuzzy theory, Monte Carlo method, particle swarm
optimization technique.
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二、 前言
近年來，全球關注的焦點不外乎經濟發展以及全球氣候暖化等重要議題。時至今日，
全球金融風暴似乎已經雨過天晴，各國的經濟發展亦逐漸活絡復甦，然而，全球溫室效應 所造成氣候暖化的問題，卻仍面臨著急速惡化的窘境。位於北半球的中國、美國、俄羅斯 與歐洲等國家的氣溫持續衝破過去各地的歷史高溫，造成許多人員的死亡；地球緯度接近 赤道的新加坡，竟然在連續豪雨當中伴隨著雪花的飄落；反觀台灣地區亦出現類似「聖嬰 現象」所帶來的持續暴雨，造成八八水災重創南台灣之憾。因此，世界先進各國對於目前 全球所面對的氣候變遷現象，無不戮力將改善方案列為國家未來發展重點，並招集世界先 進各國共商權宜之計，以求減緩或消弭氣候異常變化所帶來更嚴重的傷害與災情。然而，
根據英國研究指出，西元 2009 年的金融風暴造成全球石化燃料使用量減少，因而造就全球 二氧化碳排放量銳減的假象，隨著 2010 年的經濟復甦造成全球二氧化碳排放量將可能成長 3%，並刷新過去帄均 10 年的新高紀錄，結果顯示全球各國雖紛紛大力推行減碳工作，但 仍無法彌補開發中國家持續增加的二氧化碳排放量。美國總統歐巴馬的科學顧問 John Holdren，建議將過於簡單化的「全球暖化」描述方法，改為「全球氣候混亂」(global climate disruption)，近年世界各地所發生的氣候異相正好為這種說法做了合理的解釋，例如: 本年 度北半球各地於入冬初期，即罕見的遭受北極大量冷氣團南下的肆虐，造成歐美地區陸續 的出現大風雪，受影響的地區亦包含中國大陸、日本，以及台灣。除此之外，隨著全球氣 候混亂情況逐漸的惡化，部分地勢較低的海嶼島國亦即將面臨遭受海帄面吞噬的下場，其 中又以吉里巴斯(Kiribati)、吐瓦魯(Tuvalu)、紐西蘭庫克群島(Cook Islands)、馬紹爾群島 (Marshall Islands)，以及馬爾地夫(Maldives)等地最為危險。
有鑑於全球氣候混亂現象急速加劇，世界各國自 1979 年招開了第一次世界氣候會議，
承認人類為造成氣候變遷問題的元兇，並針對二氧化碳排放造成地球暖化等問題，共商解 決方案。根據 1996 年聯合國組織政府間氣候變遷研究小組(IPCC)的研究報告中指出，若要 在 21 世紀結束前將二氧化碳濃度限制在工業革命前的兩倍，亦即 550ppm，必頇將目前全 球二氧化碳排放量消減為一半。另外， 2009 年 12 月於哥本哈根所舉辦的聯合國氣候變遷 大會，統計共有 55 個包含已開發與開發中國家出席，總計本次各國的溫室氣體排放量占全 人類的 78%，可見全球氣候變遷的問題，已成為目前世界各國的關注重點。本持著身為地 球村內的一份子，我國亦於民國 98 年的全國能源會議集合了產、官、學、研各界的代表，
針對我國未來「永續發展與能源安全」、「能源管理與效率提升」、「能源價格與市場開 放」及「能源科技與產業發展」四大議題進行討論，並據以制訂政策及行動方案。近年來，
隨著政府大力推動再生能源的發展，使我國「淨源」的目標展露一線曙光。世界各國的研 究團隊早在西元 2002 年左右，已相繼投入研究經費與訂定獎勵補助措施，大力開發微型電 網系統，其中尤以歐洲、美國、日本及加拿大最為積極。近年來，後來崛起的韓國政府亦 大張旗鼓的投入大量的研究人材與計畫經費，積極投入微型電網的相關研究。微型電網的 基本概念是將數台小型的石化發電機組結合再生能源發電機組，形成一個小型電網，供電 給微型電網區域內的用戶，使其能在公共電網停電時，仍能持續供電，不虞匱乏。根據國 際能源組織(IEA) 2009 年所提出的報告中指出，直至西元 2030 年為止，全世界的電能產量 相較於 2008 年，將提升 63%。在所有增加的電能當中，絕大部分都將倚賴再生能源，作為 主要的能源供應來源，其包含有風力發電、太陽能發電、生質能發電、地熱發電等再生能 源。統計資料亦估計到達 2030 年，併入電網中的風力發電量相較於現今，將成長 13 倍；
太陽能發電則預計將成長為 140 倍。另外，在北非及中東等沙漠地區，亦預計建構大型的
太陽熱能電廠。總結上述內容可以發現，再生能源產業的成長與微型電網系統的建置，實
為世界先進各國所爭相發展的目標與趨勢。有鑑於此，本研究團隊歷時三年(2007 年至 2010
年)的研究工作，針對適合於台灣地區發展的微型電網系統進行深入的研究與分析，研究範
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疇包含有微型電網之規劃設計、運轉技術、保護協調、電能管理、調度策略與經濟效益評 估等五大部分進行研究，各子計畫間環環相扣密不可分。唯有利用此種分工的研究方法，
才能真正規劃出最適合台灣未來發展的微型電網系統，本計畫的研究宗旨亦是期望為台灣 與全球的永續經營與發展略盡綿薄之力。
三、 文獻探討 1. 子計畫一：
歐美國家在分散型發電方面的發展最早，應用也最廣，相對地，其在微型電網的研究 也最深入，因此，相關的研究成果自然也較多。茲舉數例扼要說明如下。芬蘭之 Hannu Laaksonen、Pekka Saari 與 Risto Komulainen 針對低壓弱電微型電網進行電壓/頻率控制問題 研究，他們利用一個由太陽能電池與一個蓄電池所構成之微型電網進行孤島模式運轉，其 中蓄電池為主電源，具有電壓/頻率控制能力。由於此一微型電網內有單相負載，因此電網 係運轉在不帄衡狀態。此三位人員發現在不帄衡程度較大時，太陽能電池與蓄電池有頗為 明顯的併聯暫態現象發生，亦即頻率會受到擾動。為此，他們在藉由電腦模擬分析發現，
只要在主電源內部裝置一個正弦波參考電源，配合電網內之電壓/頻率控制設備，即可有效 地降低太陽能電池與蓄電池的併聯暫態現象。另外，英國 Fabio Carastro、Mark Sumner 與 Pericle Zanchetta 三人利用狀態空間設計法開發一個可應用在並連式主動濾波器之控制器，
用以解決微型電網內因電壓突降所引發之負載電壓調整及諧波消除問題。首先，他們推導 微型電網之數學模型，利用電腦模擬電壓突降現象，觀察其對微型電網之電壓干擾現象。
接著，他們利用狀態空間設計法設計出一個新式控制器，此一控制器可在電壓突降出現時 依據電流基本波計算出並連式主動濾波器需注入饋線之電流量，以維持線路電壓之穩定，
並減少諧波之污染。
日本 H. Kakigano、Y. Miura、T. Ise 與 R. Uchida 四人提出直流微型電網架構，並研究 證實其可比交流微型電網提供更高品質之電力。Kakigano 等人所提之直流微型電網架構，
係以三線式170V 直流電傳輸電力給予負載。Kakigano 等人首先提出電壓帄衡控制技術，
然後然後發展出電壓帄衡器(voltage balancer)，並應用於範例微型電網中，以證明直流微型 電網線路電壓之穩定性。不僅如此，Kakigano 等人還針對各種類型電壓帄衡器進行模擬分 析與比較，並探討其間的差異與優劣。保護方面，美國 H. Nikkhajoei 與 R. H. Lasseter 探討 微型電網孤島運轉時之短路故障現象，並予以分類，再逐一利用電腦模擬方式展現各種故 障之特性。由於短路電流過大會及電網安全，因此，H. Nikkhajoei 與 R. H. Lasseter 研發一 種新式的電子半導體開關，稱之為靜態開關(static switch)來限制短路電流大小，以達到電網 保護之目的。相較於 H. Nikkhajoei 與 R. H. Lasseter 所提的方法，加拿大的 E. F. El-Saadany 與 M. M. A. Salama 則是採用差動電驛來保護微型電網的安全。E. F. El-Saadany 與 M. M. A.
Salama 首先依照微型電網架構設計出一可結合過/欠電壓保護電驛之電壓/頻率控制法則，
用以控制微型電網之電壓與頻率以及偵測與隔離過電壓與欠電壓故障。接著將差動電驛整 合至此一電壓/頻率控制機制中，當微型電網中發生短路故障時，分散型電源將被差動電驛 隔離，以維護電網之安全。
2. 子計畫二：
作為一個新的技術領域，微電網在各國的發展呈現不同特色，有各自的規範及研究，
在歐美一些發達國家，微電網的研究已經取得了更進一步的發展，以下舉數個國家來作探
討。美國 CERTS 於 2002 年提出了微電網概念。微電網方面的研究得到了能源部的高度重
視，並在”GRID2030”發展策略中將微電網視為未來電力系統的三大技術之一。CERTS 所提
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出的微電網主要是由容量小於 500kW 的小型分散式電源與負載所構成，並引入了電力電子 技術的控制方法，基於此形成了”隨插即用”的控制思想和設計理念。目前，美國 CERTS 微 電網的初步理論研究成果已經在威斯康辛大學的實驗室帄台上得到了成功驗證。自第一個 微電網示範工程 MAD RIVER 之後，俄亥俄州、佐治亞州及加州大學柏克萊實驗室也陸續 展開微電網相關的研究。學者們希望進一步的了解微電網保護和控制策略以及經濟效益等，
並初步訂定關於微電網的管理政策和法規，故 IEEE 協調委員會為此訂定了 IEEE Std 1547，
為將來的微電網工程建構其框架。
近年來歐洲再生能源發展快速，但也面臨能源短缺、對遠東能源進口依賴日益嚴重的 問題，且 2008 年歐盟提出「20-20-20」目標後，減碳與增加再生能源導入比例成為強大的 壓力。其中「20-20-20」是指相較於 1990 年水帄，至少減少 20％溫室氣體排放量、20％的 電力來自再生能源、能源使用上減少 20%不必要的消耗，以提升能源使用效率。歐盟智慧 電網技術帄台（European Smart Grid Technology Platform, ETP SmartGrids）先後發表「歐洲 未來電網的構想與策略」、「歐洲未來電網策略性研究議程」與「歐洲未來電網戰略部屬文 件」3 份重要文件[12~14]，確定今後歐洲智慧電網的發展方向並規劃歐洲智慧電網發展藍 圖。綜合上述 3 份文件，歐盟對智慧電網研發重點為:
1. 再生能源和 DG 併網技術。
2. 電動汽車與電網協調運轉技術。
3. 電網與用戶的雙向互動技術。
除了上述國家外，加拿大、澳大利亞等國也展開了微電網之研究。從各國對未來電網 的發展策略和對微電網技術的研究與應用中可清楚看出，微電網的形成與發展絕不是對傳 統集中式、大規模電網的革命與挑戰，而是代表著能源利用意識、環保意識的一種提高與 改變，微電網是未來電網實現高效、環保、優質供電的一個趨勢。此外，NIST 對未來智慧 型電網所定義的概念模型，整合發電、輸電、配電及用戶之雙向電力傳輸電網，並運用先 進的資通訊技術與創新的服務與產品，以具備自我監控、診斷與修復等功能，提供用戶更 多資訊與選擇性之服務，並供應具高效率、品質、可靠度與潔淨之電力，因此智慧型電網 的調度不僅涵蓋標準化技術、市場與商業考量、環境影響、資通訊技術與安全、管理架構 與策略，並牽絆著社會需求和政府法令之執行。
3. 子計畫三：
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，各 國的發展趨勢與近況分述如下。
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。
曼特斯特大學實驗型微型電網以電壓 0.4 kV 供應，並利用同步型與感應式發電機作為
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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。
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。
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)與電力系統應用軟體(PAS)。
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)。
4. 子計畫四：
近年來，調整能源使用方式及效率以降低對環境的衝擊是全球公認「地球永續發展」
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的無悔策略，微型電網（Microgrid）的發展代表電力工業對降低環境衝擊的努力方向。電 力工業一直是民生及工商業發展的基礎，隨著工商業的繁榮，人類的用電量也逐漸增加，
以台灣為例，每人每年用電量由 2001 年的 7,000 度左右，到 2006 年已增加到 9,500 度左右，
增加速度超過全球帄均值。大型公共電網不斷的成長與擴張的結果，造成整體電網的穩定 度失衡；輸電損失增加；尤其當發生大規模的停電事故時其損失更是難以估計。而近年來 隨著地球暖化日趨嚴重帶動環保意識的高漲，以及社會型態的改變，再加上 2005 年 2 月正 式生效的「京都議定書」 （Kyoto Protocol），對全球溫室氣體排放量做了相關的規定，針對 電業二氧化碳排放量課徵碳稅已勢在必行，更讓現有的「集中式發電」面臨了重大考驗，
因此歐、美、日等先進國家紛紛開始研究利用「分散式發電」構成的微型電網，來解決傳 統「集中式發電」建構的大型公共電網所面臨的難題。微型電網係指一種單一且可控制的 小型電力系統，通常是由一群分散型電力設備，包括分散型電源（Distributed Generations）、
控制設備、儲能設備（Energy Storage Devices）以及負載所構成。分散型發電容量通常介於 10kW 到 10MW 之間，輸出可以是交流電或直流電，再經過適當的電力轉換器轉換之後與 系統連結。分散型發電設備可以是屬於電業、工商業或是住戶所有，以社區和鄰近區域為 單位，將這些不同用戶各自擁有的發電設備結合起來形成一個微型電網，再透過饋線與公 共電網做連結，微型電網與公共電網的連結方式。儲能設備則可為蓄電池、飛輪（Flywheels） 、 超級電容器（Ultra-capacitors）或超導線圈（Superconductor Coils）等。
近幾年來，分散型電源在歐、美、日等先進國家逐漸發展主要原因是相關政府的獎補 助措施帶動產業，其目的是為了降低對環境的衝擊並提升電力品質與可靠度，加上電力自 由化的影響，使得分散型電源越來越普遍，若跟公共電網搭配使用，更可提供良好的供電 品質。相關研究文獻亦指出，負載若是位在郊區且分散各地，並不適合裝設大型電廠供電，
其原因是裝設大型電廠之成本高，建廠時間長，系統較複雜，並不適合投資建造。若改為 裝設分散型電源，裝置成本低，設廠時間短，系統簡單，所需要之裝置設備也比大型電廠 少，且能滿足當地之負載需求。
再來看國內的情況，我國目前的電力系統屬於大型集中式電力系統，其電力來源主要 可分為火力(包含燃油、燃煤和燃氣)與核能，占總發電量之 96.5%；和部份的水力與再生能 源(占總發電量之 3.5%)。依據經濟部工業局統計，能源生產端的能源部門（石化及電力等 產業） ，溫室氣體排放量佔全國總排放量的 57.6%，而台電公司因發電產生之二氧化碳排放 量之佔比約為三分之一，佔比相當高，其中工業界全年用電量約占全國用電量之一半。所 以溫室氣體減量工作雖然有賴全國工商業各界共同攜手努力，但台電公司也是我國溫室氣 體減量的重要對象之一。因此，經濟部能源局與台電公司都分別對我國發展再生能源發電 訂下目標，行政院國家永續發展委員會並推動國內再生能源「雙十計畫」 ：
(1) 十萬戶太陽能屋頂計畫。
(2) 十億瓦風力發電計畫。
截至 2007 年 6 月止，我國現有再生能源發電裝置容量已達 278.2 萬瓩，估計年發電量 73.7 億度（接近二座林口火力發電廠於 2006 年的發電量），約可提供 184.2 萬戶家庭一年 的用電量。 2010 年規劃目標為裝置容量達 513.9 萬瓩，佔總裝置容量 10%。預計 2025 年規 劃目標為裝置容量達 900 萬瓩；佔總裝置容量約為 12%。
我國政府為了溫室氣體減量政策，積極推廣再生能源，除了要求台電積極開發各種再 生能源發電之外，並對民間釋出優惠之收購獎勵辦法，規定台電對民營的再生能源發電每 度電以 2 元收購，並且一次最長可簽訂 15 年之長期優惠收購期限，條件之優惠可說是世界 之冠了（德國第一次優惠收購合約為 6 年，6 年後再依實際情況續約），行政院甚至希望將 太陽光電的優惠收購暫時先提高到每度電 10 元，以鼓勵民間多多裝設。
5. 子計畫六：
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綜觀國內外與微型電網電能管理、最佳調度以及即時運轉調度等相關的研究文獻與技 術報告可得知，包括美國、加拿大、日本、芬蘭以及歐盟等高度已開發國家針對微型電網 之相關研究發表許多值得參考之論文，其研究方向均以降低燃料成本、運轉與維護成本以 及環境污染為目標，並相關最佳化方法進行微型電網即時最佳運轉調度，亦即在滿足功率 帄衡(Power Balance)的限制條件下之最低運轉成本單目標或多目標函數之最佳化問題，因此，
各種分散型發電系統以及儲能裝置的建置成本、燃料成本或溫室氣體的排放量等因素均分 別納入考量。以下將分別概略敘述重要之文獻探討。在能源管理的相關研究方面，摘錄重 要的研究分述如下：
F. A. Mohamed and H. N. Koivo 推導一通用公式用以決定微型電網之最佳運轉策略、成 本最佳化組合以及降低污染等目標，此一多目標最佳化之非線性數學問題，同時考慮運轉、
維修與降低 NO
X、SO
2和 CO
2排放量之影響，以及由風力發電機、微渦輪機、柴油引擎發 電機、太陽能發電系統及燃料電池組合之微型電網，在滿足負載需求與系統安全性之限制 條件下，以最低燃料成本為目標，求取最佳發電調度。
此外， G. Celli 等人，應用類神經網路(Neural Network)發展一套智慧型能源管理系統，
接受能源價格、氣象情況、電能與熱能負載需量之預測以及微型電網狀態等輸入資料，經 倒傳遞網路演算法(Backpropogation Algorithm)訓練，獲得各分散型發電機、靜態虛功補償 器(SVCs)以及饋入/逆送市電網路之最佳實功與虛功輸出量，此一能源管理系統具備自行決 策之能力而且可以在最小化總能源成本(Global Energy Costs)的目標下，以每小時為單位進 行分散型發電機的調度，同時也應用一小型測詴系統模擬結果顯示可以節省約 15%之總能 源帳單(Global Energy Bill)；然而，此一論文並未考慮孤島運轉狀況下之最佳調度情況，值 得針對此一情況在考慮可靠度及經濟效益目標下作深入之研究。
又 F. Katiraei 等人發表之論文，針對混合式微型電網內之具備電子控制介面的分散型發 電機(Electronically Interfaced Distributed Generation, EI-DG)提出實功及虛功之控制策略，其 分散型發電機的控制及電能管理策略乃利用發電機現場量測之信號進行控制因而無頇任何 通訊，每一部分散型發電機之實功控制則透過頻率下降特性(Frequency Droop Characteristic) 和頻率恢復策略(Complimentary Frequency Restoration Strategy)發展出實功率控制器，而且 又以(1)電壓下降特性(Voltage-Droop Characteristics)、(2)電壓調整(Voltage Regulation)和(3) 負載虛功補償(Load Reactive Power Compensation )等方法為基礎發展三種虛功電能管理策 略。最後，利用一個結合單台傳統 DG 與二台 EI-DG 之微型電網範例系統建構其動態小信 號模型(Small-Signal Dynamic Model)，分析系統動態行為、穩定度、DG 之間的互動關係，
以及進行調整參數與工作點使微型電網運轉在最佳況態。
綜合歸納國外與微型電網之直接相關的研究，目前大多著重於微型電網概念闡述、微
型電網研究現況及示範系統介紹，以及利用頻率、電壓下降特性發展分散型電源之實功率
與虛功率控制器，並整合於微型電網能源管理系統，進行電熱能供需帄衡之控制，然其成
果亦將有助於本計畫之進行。
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四、 研究方法
本整合型研究計畫各子計畫的研究目標一致，共同投入「整合多種分散型資源之微型 電網研究」 ，針對台灣地區典型配電系統提出一套上、中、下游完整分工、支援的次世代電 網發展方針與建議。各子計畫間的研究內容關聯極為密切，可謂環環相扣密不可分，藉由 整合型計畫的管理、整合，建立一套完整的微型電網系統先期研究成果報告，研究範疇包 含微電網系統之規劃、設計、運轉、保護協調、電能管理、經濟調度法則與技術，策略規 劃與效益評估等研究課題。各子畫之三年期研究成果報告與研發成果概述如下，詳細研究 內容仍請參照各子計畫之研究成果報告。
1. 子計畫一：
本計畫旨在研究含有多種分散型資源之微型電網運轉技術，所採行之研究方法描述於 下。應用於微型電網中之分散型電源有許多種，舉凡柴油引擎發電機(diesel engine generator)、
氣渦輪發電機(gas turbine generator)、微渦輪發電機(micro turbine generator)、燃料電池(fuel cell)、風力發電機(wind turbine generator)、太陽能電池(solar cell)、小水力發電機(small hydro generator)與波浪發電機(wave generator)等皆屬之，其中前四者具有穩定的供電能力，稱之 為持續型電源，而後四者具有不穩定的供電能力，因此稱之為間續型電源。為能達到維持 供電穩定與提高綠色能源使用率之雙重目的，微型電網中通常同時使用持續型與間續型電 源。因此，對本計畫而言持續型與間續型分散型電源之等效數學模型都有開發之必要。但 由於各種持續型電源之運轉特性大抵類似，而間續型分散型電源之之運轉特性類似情況也 是如此，因此，為簡化研究工作，本計畫僅開發柴油引擎發電系統、風力發電系統以及太 陽能發電系統之等效動態模型，以供後續研究工作使用。另外，本計畫採用模擬軟體 MATLAB/SIMULINK 為模擬帄台，因此亦採用此套軟體來開發所需之分散型電源等效模型。
當各種分散型電源之等效模型開發完成之後，本計畫將以台電高/低配電系統或者國外微型 電網為參考依據，於模擬軟體 MATLAB/SIMULINK 中結合分散型電源效模型以及負載、
開關、線路、電容等電力元件模擬方塊建構研究用之範例微型電網，以為後續各項運轉問 題之模擬分析探討對象。由於本計畫所探討之微型電網運轉問題有數個，因此，所建置之 範例微型電網也有數個，各個微型電網之架構與參數則陳述在以下各章節之中。另外，實 務上，高/低壓配電系統會因為三相線路間負載分配不帄衡之故而運轉在不帄衡狀態裡。微 型電網事實上也是配電系統，同樣地，也可能因為前述理由而不帄衡運轉。但微型電網基 本上其電網強度較一般配電系統弱，尤其在孤島運轉模式下，其不帄衡運轉問題是否會變 得更嚴重，實在值得關切。基於此，本計畫考慮改變微型電網中分散型電源控制器之功能，
使該分散型電源可進行三相負載虛功補償，以降低電網電壓不帄衡程度。
再生能源發電系統，例如風力、太陽能或者小水力發電系統，在微型電網中扮演著非 常重要的角色。再生能源發電系統雖然發電情況並不穩定，設備價格也偏高，但其輸入能 量取自大自然，不僅不需耗費成本，而且取之不盡、用之不竭、容易取得，加上低污染，
甚至是零污染的特性，因此，若能適切地搭配使用化石能源之傳統發電系統，可使微型電
網的運轉成本降低、供電穩定性提高，達到實用之目的。當微型電網中的負載同時由非再
生能源發電系統與再生能源發電系統供電時，後者的供電量越高對整體電網之運轉效益的
提升也越高。但受限微型電網之運轉安全需求，再生能源發電系統的發電量未必能達到其
額定容量。微型電網中的再生能源發電系統在不違背電網安全限制條件下所能發出之最大
發電量稱之為最大容許發電量。一個微型電網中若有多個再生能源發電系統併聯運轉，每
一個再生能源發電系統受限於其額定容量、併網位置以及電網安全限制條件等因素而有不
同的最大容許發電量，為能搜尋出各個再生能源發電系統之最大容許發電量，本計畫採用
二元搜尋法與基因演算法來達成此一研究目標，其中前者適用於僅含有一部再生能源發電
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設備之微型電網，而後者則適用於含有多部再生能源發電設備之微型電網。
2. 子計畫二：
本計畫將分為『微電網範例系統之建立』 、『微電網孤島運轉之偵測』 、『微電網保護協 調之策略』 、『微電網之自動同步並聯』及『微電網智慧型電子裝置之設計與製作』等五部 份執行，研究方法與進行步驟分述如下。首先，微電網範例系統之建立: 微電網可能運轉 於併網運轉模式或孤島模式，並且需要在任何型式的故障下皆能受到保護，因此，微電網 之保護協調規劃必頇兼顧不同之運轉模式，本研究以 Matlab/Simulink 模擬軟體為工具，在 微電網架構下建立微電網範例系統並進行過電流電驛保護協調的模擬。微電網孤島運轉之 偵測: 所謂的孤島現象，是指當電力公司因故障事故或停電維修而停止供電時，各個用戶 端的分散式併網發電系統(如：太陽能發電、風力發電、燃料電池發電…等)未能及時檢測出 停電狀態而將自身切離市電網路，而形成由太陽能併網發電系統和周圍的負載形成一個電 力公司無法掌握的自供電區域。尤其當太陽能發電系統的輸出功率與負載功率達成帄衡時，
負載電流完全由太陽能發電系統供應。此時，即使市電中斷時，因為市電網路原本並未輸 出電流給負載，因此太陽能發電系統輸出端電壓不會有變化，無從得知市電故障與否。仍 繼續獨立供電給負載，所形成一獨立運轉的發電系統時產生的現象，此時太陽能發電系統 與市電網路上其他設備卻仍有電能的產生、傳輸與消耗，因此稱此時的太陽能系統為電力 系統中的孤島。一般而言，電力系統並不允許孤島運轉的發生，孤島現象對整個配電系統 設備及用戶端的設備可能會造成諸多不利的影響，因此太陽能併網變流器必頇具備孤島效 應的自動偵測法，並且即時的將變流器脫離電網，以保護相關的系統與人員。微電網保護 協調之策略: 當電力系統上有兩個或兩個以上的過電流保護設備互為串聯時，系統發生故 障，保護設備應迅速動作將故障區域與系統隔離，其異常故障電流將由電源側流向故障點，
則最靠近故障點的保護設備為主保護，若主保護設備異常未動作，則後衛保護必頇動作，
本章將介紹保護協調最佳化分析法則，包含線性規劃法與粒子群演算法。微電網之自動同 步併聯: 微電網與主電網要併聯，只要比對兩電網電壓大小、頻率、相位完全相同即可併 聯，同步參考訊號之產生。同步參考訊號是分散式電源併網控制之核心，目前同步參考訊 號產生之方法包含有 1.直接電網電壓參考法、2.電網電壓濾波法-類比式、電網電壓濾波法- 數位式以及
濾波法。微電網智慧型電子裝置之設計與製作: 本研究將研發一併網型分 散式電源數位保護電驛裝置，其主要功能有孤島運轉模式運轉之偵測、短路故障之保護、
通訊與控制，依各不同運轉模式之故障特性，擬裝設於各不同位置之 IED，其所應具備偵 測、保護、通訊與控制亦有所差異。理論上此 IED 亦需包括併網運轉時之功率調度、孤島 運轉模式運轉時 DG 與儲能裝置間功率需量之調度、孤島運轉模式運轉時電壓與頻率之控 制與調整、微電網內為提供最佳之供電安全性而所需之架構重組以及自動併聯之同步等功 能，本研究先在自動併聯之同步這領域作探討，其餘主題可於未來的研究上加以探討及規 劃。
3. 子計畫三：
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、
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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。
4. 子計畫四：
本研究計畫為整合型計畫－「整合多種分散型資源之微型電網研究」其中之子計畫，
本計畫將針對微型電網的最佳調度策略及經濟效益評估二項重要子題進行研究，本研究計 畫將進行的工作至少包括下列七項：
1. 發展以「用戶總支出最小化」為目標函數的微型電網調度策略，以整體電網發電、儲/
釋能最佳化的方式，訂出各個分散型電源的最佳發電排程。
2. 以蒙地卡羅模擬來處理太陽光電池和風力發電的氣候不確定因素。
3. 採計台電購/售電價及儲能設備之充放電效率，訂出各種儲能設備在獨立與併網不同的 運轉模式下的最佳儲/釋能排程。
4. 採計設備成本、運轉成本、故障機率與維修成本、發電收入、設備殘餘價值等變數，
計算各種分散型電源的淨現值，以及在其運轉壽命內的逐年內部報酬率。
5. 對儲能設備做經濟效益評估及最佳容量設計（包含獨立/併網二種運轉模式）。
6. 由設備的逐年內部報酬率、台電購/售電價、金融放款利率等經濟因數，計算各種分散 型電源與儲能設備的損益帄衡點；及利用成本敏感度分析法計算其邊際成本。
7. 以 MATLAB/Simulink 撰寫成套裝軟體，並以一日本實際系統和一台灣模擬系統先作驗 證，然後以子計畫一建立的微型電網模擬系統為測詴對象。
5. 子計畫六：
本研究分三年執行，依序針對低壓微型電網、一次配電饋線型高壓微型電網與單一主 變高壓微型電網進行電能管理研究，茲將本計畫之研究方法與步驟簡述如下。
A. 文獻資料蒐集:本計畫所蒐集的文獻資料包括國內外期刊、會議論文與技術報告等。
在閱讀與整理這些文獻資料之後，本計畫研究人員將瞭解微型電網架構與運轉方式、分散 型資源之實功與虛功控制方式、負載管理方法、最佳電能管理策略，以及能源管理系統。
上述相關資訊可做為本研究之立論基礎，對本計畫助益良多。
B. 微型電網架構及其運轉方式之基礎研究:本計畫所欲研究之微型電網架構包括低 壓微型電網、一次配電饋線型高壓微型電網與單一主變高壓微型電網，而分散型資源則包 含風力發電機、太陽能發電系統、燃料電池發電系統、微渦輪機、氣渦輪機、柴油引擎發 電機以及蓄電池等裝置，至於負載則區分為可控制負載和不可斷電負載；此外，運轉方式 則區分為併網運轉模式(Grid-Tied Mode)與孤島運轉模式(Islanded Mode)。本計畫將依上述 系統架構以及分散型資源型態、容量與數量，再搭配運轉模式設計模擬分析之範例系統，
此一範例系統之設計選定歐盟微型電網計畫“ENK5-CT-2002-00610”設計之交流低壓 400 V
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微型電網，以及修改台電配電系統所得。
C. 電能管理所需之功能及其軟硬體設施之探討:電能管理之主要目的乃運用最佳化 方法達成系統運轉在最佳的情況，然相關策略之執行完全訴諸於功能的充分發揮，因此針 對不同的微型電網必頇規劃其所需的功能以及相關的軟硬體設施方能達成其目的，一般而 言，若採中央集中式的電能管理方式，其功能不僅必頇具備控制各分散型發電系統之實功 率及虛功率輸出以及儲能設備儲能與釋能的能力，而且亦需要有對負載進行降載或卸載之 控制能力；此外，還必頇具有電壓、頻率、線路流量等之監控功能。是故，其對應之軟硬 體設施包括 AC/DC、DC/DC、DC/AC 轉換器之電力電子介面、靜態開關(Static Switch)、保 護設備、通訊設備、工作站、遠端終端單元、通訊協定、人機介面，以及相關模擬分析、
程式開發等套裝軟體都需要因應俱全。因此有必要就其型態與組成之分散型資源在成本效 益與可靠度等考量下進行評估其必要性與選擇性的功能；此外，亦針對微型電網之電能管 理功能與配電自動化功能之互動關係進行綜合分析與探討。
D. 分散型資源電功率輸出與電壓控制方式之探討與分析:本計畫所考慮之分散型電 源主要針對風力發電機、太陽能發電系統、燃料電池發電系統、微渦輪機、氣渦輪機、柴 油引擎發電機以及蓄電池等裝置。由於各種分散型電源與儲能設備的物理特性與數學(電路) 模型皆不盡全然相同，因此控制的方式亦有所差異，以電能管理的觀點視之，因此有必要 對個別分散型資源之實功率、虛功率與電壓控制方式做深入的探討與分析，如此才能在多 種分散型資源組合之微型電網中推導出最佳的控制策略。
E. 負載預測、計算與管理策略:微型電網相較於傳統集中式電力系統的規劃優勢在於 可就近提供電力滿足負載需求，因此，面對負載的時變特性，電能管理系統必頇隨時掌握 即時的負載需量，才能因應負載變動即時調度分散型電源、儲能設備，甚或自市電網路購 電以提供負載所需，是故，為了維持微型電網之正常運轉提供高效率、低污染之電能供給 用戶，除了透過監控方式取得最新之負載資料外，若能提早預知負載需求則將有利於最佳 之發電調度，由此可知精確的負載預測結果極為重要，有鑑於此，本計畫根據用戶之歷史 用電資料預測未來長期、短期負載需求，以長期之負載預測有助於分散型資源之發電及維 修排程；而短期之負載預測則可提供電能管理系統作最佳發電調度。除了負載預測與計算 以外，本研究初步擬將微型電網內之負載根據其重要性予於分類，區分為不可斷電負載以 及可控制負載負載二大類，以利於在孤島運轉模式下因天候等因素造成電能供應不足時，
直接對負載進行控制，切離較為次要之負載，以維持系統之正常運轉。
F. 風力及太陽能發電系統之發電量預測與計算:天候狀況不僅影響風力及太陽能發 電系統之發電量，而且間接改變微型電網內之再生能源與非再生能源的電能輸出比例，若 光照度不足或/且風量不穩定則將嚴重影響微型電網在併網運轉時需從共同耦合點大量饋 入電功率以滿足負載需求，亦即需要自市電購買電能；然若在非計畫性的孤島運轉模式下，
亦即共同耦合點上游系統發生事故之情況，則可能導致負載需求大於分散型電源供電能力，
此一情況必頇配合儲能系統之釋能或柴油引擎發電機、燃料電池發電系統等非再生能源發
電機組適時輸出電力，才能解決電能供不應求的窘境，若仍不足則必頇配合負載管理策略
進行卸載工作，以維持微型電網之正常運轉。由此可知，天候狀況之掌握亦為電能管理的
重要工作之一，因此可以利用歷史氣象資料配合統計、預測法則對太陽光照度(W/m
2)、溫
度(
oC)與風速(m/s)之長期氣象預測，進而預估風能與太陽能等間歇性發電系統長期發電容
量，而且亦可以利用一季、一週、一天或一小時的氣象預測進行短期發電預測，預期此一
部分將直接引用既有之商用軟體計算所得之結果應用於電能管理系統。
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G. 即時電力潮流公式推導與應用:由於用戶用電的隨機行為使得各負載點的實功率 與虛功率需求隨時在變動，為了維持電能供需帄衡使系統正常運轉，推導一穩定、快速且 準確度高之即時三相電力潮流求解方式為本計畫的重點研究項目之一，利用此一求解方法，
配合短期負載預測結果以及由監控系統取得之實功率與虛功率負載量可快速計算負載變動 後各分散型資源實功率、虛功率輸出值與電壓大小、相角值，再由電能管理系統對各別分 散型電源及儲能系統送出輸出複數功率與電壓設定值，使得各分散型資源收到設定值後再 配合現場量測值進行調整，以達微型電網之電能供需帄衡。由此可知，三相電力潮流的計 算對電能管理之重要性，因此，本計畫擬採用牛頓-拉佛森法或隱含式 ZBUS 高斯法等穩定 性及收斂性佳的方法作為求解三相電力潮流基態解的方法，再利用所推導之敏感因子法完 成一新型即時電力潮流求解演算法。由於所推導之敏感因子法可以在不需要任何疊代過程 下直接將負載需求變動量反應到線路流量，因此穩定性高且準確度亦極佳，此一部分將與 電能管理最佳化目標函數互相結合計算微型電網各分散型資源之最佳發電量，並提供給各 分散型資源之控制器進行輸出功率與電壓調整。
H. 最佳電能管理與運轉調度:本計畫採用線性規劃法(Linear Programming)與直接搜 尋法(Direct Search Method)推導適用於低壓與高壓微型電網之最佳電能管理與運轉調度方 式，以微型電網整體最低運轉成本為目標函數，考慮燃料成本及溫室氣體排放成本，以及 相關限制條件下，分別進行併網運轉與孤島運轉之微型電網最佳調度與運轉模擬分析。
I. 研究報告與論文撰寫並分享研究成果:本計畫隸屬整合型計畫之子計畫六，因此，
在研究期間本子計畫亦不定期地與其他子計畫交換研究成果，彼此互相參考、檢討、修正、
引用，以確保研究成果的正確性與實用性。是故，本計畫所獲得之研究成果，均詳細做成
具體報告，條列分明敘述其要點，以方便與其他子計畫之分享。
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五、 結果與討論
本整合型計畫所蒐集的微型電網相關研究論文，包含微型電網系統的架構設計、電能 管理、運轉技術、保護協調，以及各種相關的優化演算法等五大領域，所有的參考資料對 於本整合型計畫未來的研究推進極有助益。此外，本研究團隊亦利用所申請會經費，成功 於台灣科技大學 EE106 實驗室，建置一套微型電網能源管理系統，此微型電網系統不但可 用以實現本研究團隊之研究成果，未來更可作為進階配電網系統，以及微型電網等相關課 程授課之之實際展示帄台、助益良多。歷經整體三年研究計畫的資料收集與歸納整理，各 子計畫皆已依照所規劃的工作進度排程，完成所有研究目標。本整合型研究計畫各子計劃 完整三年期的研究成果分別摘錄如下，所有研究成果對於未來建構適合台灣地區發展的微 型電網系統極有助益，詳細研究成果與報告內容請參見各子計畫之成果報告：
1. 總計劃：
A. 完成實驗型微型電網能源管理系統的建置:
本研究團隊為了確實瞭解微型電網之實際運轉特性，掌握其操作暫態，及其電力品質 問題，利用國科會補助經費及自籌配合款，於台灣科技大學電資館 EE106 實驗室建置一套 實驗型微型電網能源管理系統。本微型電網系統包含有 3kWp 的太陽光電能發電系統(單片 太陽光電模組為 216kWp 多晶矽太陽光電板，符合 IEC61215 標準)、6kW 的柴油引擎發電 機(作為孤島運轉時之主控電源)、深循環式蓄電池儲能系統組(24V，300Ah)、XW 變頻器與 其相關設備一組、XW 最大功率追蹤設備(MPPT)、發電機自動啟動控制設備(AGS)、隔離 變壓器、微型電網控制盤兩組等相關設備，詳如圖 1~圖 6 所示。基於安全考量，蓄電池組 與柴油引擎發電機放置於 EE106 實驗室外之詴驗場地。本團隊所建置的兩組微型電網控制 盤，其功能包含:偵測各發電機組之即時資訊 (電壓、電流、頻率等即時資訊)，內建數個傳 感器(transducer)可與外部監控設備進行連結，以確實掌握整體微電網系統的運轉情形。本 研究團隊所建置的微電網系統，可以與市電系統並聯，進行併網運轉。在市電發生事故而 斷電時，則可轉換為以孤島型式運轉，利用主控電源、太陽光電能發電系統，及蓄電池儲 能系統進行孤島運轉之電源。本微型電網系統的負載可為 110/220V 交流負載，及 24V 直流 負載。所建置的微電網系統，除可供本研究團隊研究用外，尚可做為教學之用。
圖 1 XW 變頻器與其相關設備
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圖 2 蓄電池組與汽油發電機 圖 3 隔離變壓器
圖 4 微型電網控制盤 2 圖 5 微型電網控制盤 1
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圖 6 太陽能光電板之實體圖 B. 太陽光電能發電系統的規劃與設計:
為了提升本研究團隊所建置太陽光電能發電系統之運轉效率，本研究團隊於初期的規 畫設計階段，即利用所購置的 Solar-Pro 軟體，針對所欲設置台科大電資館 8F 頂的設置環 境進行詳細的模擬與分析，力求所設置地點之遮陰現象最少且發電效率最高，詳如圖 6 所 示。進而，利用 Solar-Pro 軟體模擬太陽能電能板之遮陰軌跡、V-I 特性曲線、單日輸出功 率及效率，以及年度月帄均輸出功率與效率等相關資訊，詳如圖 7~圖 11 所示。藉以綜合 整理，選擇最適切之太陽能光電能發電系統設置地點，以期發揮本研究經費的投入達到最 佳利用。
16m
60.8m 女兒牆高度 1.4 m
1.5m
1.1m
太陽能板預設 位置
地磚尺寸: 3.2m*3.2m
150 cm
150 cm
既設太陽能板 Array: 1245cm*264cm (10*1) Module: 264cm*120cm (5*1)
Module 間隔: 5cm
頂樓入口 H=5.16m
45o N
水塔高度:180cm, 圓形半徑:55cm 底座高度6:0cm
避雷器 底座高度6:0cm
台灣科技大學電資館8F頂帄面圖
圖 7 台灣科技大學電資館 8F 帄面圖
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圖 8 太陽能光電系統遮陰軌跡分布圖
圖 9 照度為 0.5kW/cm
2之太陽光電能之 V-I 特性曲線圖
圖 10 太陽光電能單日輸出功率及效率圖
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圖 11 太陽光電能年度月帄均輸出功率與效率圖 2. 子計畫一：
本計劃為能詳實地瞭解微型電網在孤島運轉以及併網運轉兩種模式下之運轉情況，本 計畫擬定出數種運轉案例，然後以所建構之範例系統為對象，進行電腦模擬與分析，並探 討微型電網之電壓與頻率變動情本計畫在這三年期間裡完成了分散型電源之等效動態模型 開發、微型電網基本運轉特性探討、微型電網運轉策略擬定、微型電網三相電壓不帄衡現 象分析與改善策略提出、微型電網中再生能源發電設備最大容許發電量搜尋程式撰寫等。
微型電網主要是由分散型電源、儲能設備、控制器、負載與電能管理系統所構成之可控制 的小型電力系統。微型電網可設置於電力線路不易到達之處，以提高偏遠地區之供電可靠 度；亦可實施於既存之公共電網中，以提升電網之供電彈性與效益。採行微型電網既可促 進分散型發電之發展、提高再生能源之佔比、降低發電業 CO
2之整體排放量以及減少環境 污染程度，還可提升公共電網之供電可靠度與效益，因此，頗值得在國內推行。展望未來，
微型電網將普遍實施於國內各地，分散型電源也將遍佈各地，並與公共電網併聯運轉，因 之，如何提升微型電網之運轉技術，以維護整體電力系統之安全以及用戶用電之權益，實 屬重要。本計畫研究所得之各項成果將可供國內電業未來在建置與運轉微型電網時之參考，
達到前述之目的。
3. 子計畫二：
本研究詳細敘述了微電網的基本架構，並介紹歐美數個發達國家目前對微電網之研究 現況以及相關的條約、標準；接著介紹微電網之通訊架構與保護策略之發展，以及說明運 轉偵測、保護協調與自動同步併網之控制。目前我國對微電網的研究處於起步階段，未來 如何根據我國電網的特點及需求來建立微電網為首要研究課題。介紹 DG 的種類並應用 Matlab/Simulink 模擬軟體於微電網架構下建立微電網範例系統，並假設微電網併網控制器、
IED 及通訊系統能正確的切換微電網運轉模式與傳輸電驛設定資料。將範例系統的保護協 調規劃成併網運轉模式與孤島運轉模式，並說明線性規劃法與粒子群演算法來進行保護協 調 。 詳 細 介 紹 在 本 研 究 所 用 到 的 兩 大 核 心 ： DSP TI-TMS320 F28335 以 及 MCU ATMEL-AT89S8253 的硬軟體特性、各功能綜述。TI-TMS320F28335 晶片所支援的浮點運 算對於相關演算法節省了不少的開發時間；各模組的 MCU 則選擇了 ATMEL-AT89S8253，
也因資源眾多在開發上節省了許多時間。介紹了此併網型分散式電源數位保護電驛裝置的 硬軟體架構、訊號如何取樣、頻率如何計算與相關演算法等並實際應用及程式編寫，並介 紹本研究中所規劃的幾種保護電驛之功能。並分別介紹了此裝置的七大模組的功能及特性，
編寫各個模組各自的程式及控制並加以整合，即完成此裝置的製作。最後分別介紹了應用
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