因應分散型發電之配電系統設計與運轉研究(I)---總計畫

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

總計畫

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC94-2213-E-011-076-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 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

報告類型： 精簡報告

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 95 年 9 月 18 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 5 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(I)-總計畫

計畫類別：□個別型計畫

5

執行期間：94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日

計畫主持人：陳在相 共同主持人：

計畫參與人員：徐心怡

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：

5

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

5

執行單位：國立台灣科技大學電機工程系

中 華 民 國 九十五 年 九 月 八 日

1 一、中英文摘要

本整合型研究計畫的主要目的在探討因應分散型發電機併網運轉之各型態配電系 統之設計與運轉。因應分散型發電機併網運轉之各型態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機併網運轉之配電系統規劃與設計 研究；子計畫二探討因應分散型發電機併網運轉之配電系統保護與協調問題；子計畫 三則從事因應分散型發電機併網運轉之配電系統運轉與維護研究。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。

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

The finest planning and design, protection ad coordination, operation and maintenance, and reactive power compensation for various distribution system arrangements will all be taken into account. This integrated research project is composed of three individual projects.

Project 1 assesses the planning and design issues for various distribution system arrangements to take account the interconnection with DG’s. Project 2 evaluates the protection and coordination issues for various distribution system arrangements to take account the interconnection with DG’s. Project 3 examines the operation and maintenance issues for various distribution system arrangements to take account the interconnection with DG’s. The finds of this integrated research project are of value to the capital cost reduction, operating efficiency improvement and better future expansion of distribution systems.

關 鍵 詞 (keywords) ： 配 電 系 統 (distribution system) 、 分 散 型 電 源 (distributed generation)) 、 併 網 (interconnection)、放射型(radial type)、常閉環路型(normally closed type)、保護協調(protection and coordination)

二、前言

目前的發電廠大都採集中發電的方式經營；因此之故，一般發電廠的位置均離負 載中心甚遠，為了克服長程輸電的困難及考量輸電效率，有必要建構高壓輸電網路，

甚或超高壓輸電網路；然而基於用電安全的考量，最終仍必須降壓後再配送至各用戶，

供各用戶在安全無虞的情況下使用，後者即為目前配電系統的功能。然而，在分散型 電源興起後，此一發、輸、配電的垂直整合方式有了革命性的改變，小型分散型電源 機組所發出的電力就近直接供應給用戶，不再如大型機組般需由低壓升為高壓，千里 迢迢送至負載中心後，再由高壓降為低壓，饋供至用戶，輸配電效率明顯提高許多。

當然，也衍生出不少運轉、調度、控制、保護及安全等各方面的問題，必須一一克服。

由於風力發電具不穩定性，一般而言，其併網電壓等級愈高時，對原有電力系統 的影響愈小；然而電壓愈高意味著設備絕緣等級必須愈高，費用亦隨之增加。因此風 機業者大都希望能將風力發電系統與配電系統併聯，但由於配電系統較靠近用戶端，

對用戶的衝擊將直接而明顯，電力品質不易維持，因此欲在此一電壓等級下作併網發 電，對此一系統及相關用戶的衝擊，必須審慎評估及設法改善，尤其是，京都議定書 已然生效，更堅定政府當局發展再生能源的信念與決心，原定西元 2020 年達成再生能 源佔比 10%的政策，已提前在西元 2010 年達成，其中風力發電部分佔比達 90%可見其 重要性。

有鑑於此，本計畫將針對風機併網可能產生的逆送電力、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、系統不平衡、最大併聯 容量、併聯點、併聯變壓器接線方式、功因改善、接地方式等問題先進行分析研究，

同時並開發所需元件與系統之數學模型，以瞭解風力發電與配電系統併聯時造成的影 響，以資進一步針對配電系統之規劃、設計、分析、保護、運轉與虛功補償等進行重 新探討，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，針對分散型 發電，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、運轉與虛功 補償方屬適切，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。惟所提三年期之 計畫將以風力發電系統為主，以符合台灣及國際發展現況，而其餘型式之分散型發電 之研究將視需要酌量納入以資比較、探討，惟其主要部分將於後續研究中視發展情況 再規劃及研提。也就是說，未來將視分散型發電之發展情況與趨勢，另提計畫，針對 其他較有潛力之分散型發電系統進行深入探究，以擴大研究領域與成效。

三、研究目的

本研究計畫將針對因應分散型電源之各型態配電系統之設計與運轉進行研究，其 中更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 統不平衡、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、運轉維護及虛 功補償等之參考與應用，同時亦有助於分散式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。

四、文獻探討

有關分散型電源與配電系統之相互影響，H. Lee Willis 提出分析法則與經驗法則，

其中提到分散型電源與配電系統併聯運轉有其先天的優缺點，分散型電源提供功率與 電壓，但會使保護協調、電力潮流及電壓規劃等問題複雜化，其中並提到大部分配電 系統為放射型或常開環路型，全系統只有單一電源，當分散型電源併聯至配電系統時，

全系統將有兩個以上的電源，而其對分散型電源併聯至配電系統之分析可分成兩大 類：(1)DG 輸出小於併網點下游負載量；(2)DG 輸出大於併網點下游負載量。第一類 DG 對其併網點下游之負載將不會有任何衝擊，但變電所至 DG 併網點之間的電力潮流 量將減少；第二類對於併網點下游之負載將不會有直接的衝擊，但變電所至 DG 併網 點之間將產生逆轉現象。

有關電壓控制及調整之研究，主要包括 Kojovic 所建立一包含 DG 及電容器組之系 統模型，檢討其對電壓調整之影響，Barker 則討論如何利用(a)接地、(b)變壓器連接、

(c)適當的開關切換、(d)雷擊突波保護、(e)設備耐壓提昇等方法來避免 DG 與系統並聯 後之過電壓。然因傳統之電壓控制方法如 LTC (Load-tap Changing Tr.)及 LDC (Line Drop Compensation)與 DG 的輸出間存在一定的關聯性，Kim 在此方面有深入之研究。DG 可 能為高速或低速感應發電機其型式與傳統大型同步發電機不同，若其容量小或數量少 則對系統影響不大，但若容量大或數量多則對系統暫態穩定度影響頗鉅。

然而 DG 的安裝對既設配電系統所造成的衝擊不只如此而已，其所應考量的對策 包括(a)與系統並聯的介面﹔(b)電力品質問題，包含電壓調整、電壓突降與諧波﹔(c)運 轉上的衝突，包括故障清除時間的要求、復閉現象的考慮、電驛的協調性、可能發生 的鐵磁共振、孤島運轉、並聯電容器的響應、變壓器連接方式的影響探討﹔(d) DG 位

3

置的選擇。DG 的安裝對配電饋線保護協調的影響，主要在於保護範圍的降低、共振跳 脫等，So 提出利用線性規劃法計算滿足整體保護協調性之電驛最佳動作時間。Doyle 特別針對裝設有電力熔絲及復閉器之輻射式饋線，分析於 DG 加入後對保護協調所造 成之衝擊及如何調整。

在國外有相當多研究是有關於有載切換抽頭變壓器應用於電壓品質改善控制，其 代表性論文如 Kwang M. Son、Kyeong S. Moon、Song K. Lee 及 Jong K. Park 等人提出 用於緊急控制情況下，靜態虛功補償器與有載切換抽頭變壓器之運轉協調策略。J. H.

Choi 與 J. C. Kim 則針對含有分散式儲能與發電系統(dispersed storage and generation system, DSG) 之 配 電 系 統 提 出 配 電 饋 線 多 重 線 路 壓 降 補 償 法 (multiple line drop compensation, MLDC)，其主要目的是在探討配電系統中同時具有 ULTC、DSG 情況下 之饋線電壓調整策略。Donald L.等人提出將變壓器所需資料經由 SCADA 傳回能源控 制中心，以控制 ULTC 達到最佳即時電壓控制的目的。Yegor I. Zhmak 等人利用模糊理 論，提出可有效減少 ULTC 切換次數，使電壓控制更加平滑以減少對系統的衝擊。

有關於動態電壓回復器應用於動態電壓控制的研究，其代表性論文如：Ghosh 與 Ledwich 藉由數理分析證明 DVR 可於系統不平衡及含有諧波成分下，順利地補償配電 饋線電壓，並正確地控制負載端饋線電壓準位。M. H. Haque 藉由比較 DVR 與 (distribution STATCOM)D-STATCOM，發現 DVR 只對其下游饋線電壓有較佳的控制效 果，而 D-SATACOM 則對上下游饋線電壓都有的控制改善的效果，但對系統故障電流 有直接而全面性的影響。N. Mohan 及 H. Sree 提出使用高頻變壓器將 DVR 之注入電壓 引入配電系統，結果可有效減小變壓器體積及減輕變壓器重量。Robert S. Weissbach 等 人提出以飛輪為儲能裝置結合 UPS 與 DVR，成功地控制饋線電壓波動。Su Chen 等人 利用非線性控制法控制 DVR 進行補償，結果顯示非線性控制法有以下三大特色：(1) 有快速的動態響應速度，(2)接近零穩態誤差，(3)對負載變動不敏感。Ding Hongfa 等 人提出 DVR 可同時補償配電系統負序及零序電流成分，以有效地控制饋線電壓波動。

S. Y. Park 等人提出適用於三相四線式配電系統之 DVR 分析模型，並分析 DVR 之功率 最佳化。

五、研究方法

本計畫首先針對各種配電系統型態進行分析，並建構可用以探討與分析分散型發 電併網衝擊之典型配電系統。各種衝擊所需之元件與系統數學模型並不完全一致，因 此，同一元件可能需要多個數學模型，以資適用各該問題的求解，當然，系統行為方 程式及求解技巧等亦將大異其趣，因此問題的充分、正確與完整掌握非常重要，後續 的深入分析、模擬與探討主要以此研究項目所開發完成的數學模型為基礎。再者，建 構可用以探討與分析分散型發電併網衝擊之典型配電系統亦相當關鍵，因依分散型發 電機額定容量、電壓、控制技術等之不同，併網點之有異，其併網衝擊亦有明顯差異，

因此，須建構三個以上之典型配電系統，以資適用相關問題之求解。

配電系統的規劃設計必需具有前瞻性，方能因應未來的負載成長、系統擴充、自 動化控制、管理等需求及承受分散型發電機之併網衝擊。除此之外，亦需順應世界潮 流，提昇供電品質、減輕供電損失、精簡維護運轉人事等。還有，規畫、設計、建造 與維護必需前後連貫，不能個自獨立，如此方能獲得最佳的系統性能，提供經濟、可 靠的電力給用戶。

故本計畫各研究項目須以更宏觀、整體的角度來綜合探討、分析分散型電源併網 對配電系統之衝擊，並藉此，進一步探討因應分散型發電機併網運轉所需考慮之配電

系統規劃與設計要求與原則，以求降低分散型發電機之併網條件，提高整體投資與運 轉效益及提昇相關產業競爭力。本計畫所擬採用的研究方法中之前置作業為蒐集國內 外相關技術資料與文獻、國外電力公司相關的運轉經驗，並考量台灣目前電力公司的 實際現況，再輔以適度的工程分析，以為本計畫研究及立論的基礎，提出可因應分散 型發電機併網運轉之配電系統規劃設計原則與技術，以此具體研究成果供電力公司及 相關業界參考與應用。

本整合型計畫第一年之研究方法列述於下：

(1) 各子計畫：廣泛蒐集國內外分散型發電相關技術資料與文獻 (2) 各子計畫：廣泛蒐集國內外放射型配電系統相關技術資料與文獻 (3) 子計畫一：因應分散型發電之放射型配電系統之規劃與設計研究 (4) 子計畫二：因應分散型發電之放射型配電系統之保護與協調研究 (5) 子計畫三：因應分散型發電之放射型配電系統之運轉與維護研究

(6) 各子計畫：進行定期與不定期研究座談會，交換研究資料、心得與成果

(7) 各子計畫：交換配電系統與分散型發電系統分析、模擬用套裝軟體使用心得與成 果

(8) 各子計畫：個自撰寫研究報告與論文，並互贈及參考

(9) 各子計畫：舉行座談會研討下年度計畫進行方向及可相互支援項目 六、結果與討論

本整合型計畫各子計畫所蒐集到之國內外分散型發電相關技術資料與文獻已超過 200 篇，或多或少與本整合型計畫具相關性，對本整合型計畫的研究助益頗大。而各子 計畫在蒐集國內外放射型配電系統相關技術資料與文獻上則以各自著重之領域，即規 劃與設計、保護與協調及運轉與維護，分頭進行，收獲亦頗豐碩，對本研究之助益亦 極顯著。

至於研究內容部分，子計畫一進行因應分散型發電之放射型配電系統之規劃與設 計研究；子計畫二執行因應分散型發電之放射型配電系統之保護與協調研究；子計畫 三則進行因應分散型發電之放射型配電系統之運轉與維護研究，各子計畫各項研究工 作均順利如期完成，成果列示於各子計畫的完成報告中，不在此贅述。

本整合型計畫在計畫執行期間進行多次定期與不定期研究座談會，交換研究資 料、心得與成果，包含配電系統與分散型發電系統分析、模擬用套裝軟體使用心得與 成果在內，各子計畫所撰寫之進度報告、研究報告與論文等均有互贈及相互參考之機 制，參與計畫的近 10 名研究生均感受益匪淺，成效極佳。

綜合各子計畫之研究成果，深信後續 2 年計畫順利如期完成後，定能營造出有利 DG 發展的環境，為我國再生能源的發展開拓平坦的進路。

七、參考文獻

[1] Hayashi Y., Ise T., Tsuji K., “AC-type quality control center for FRIENDS-system configuration and experimental results,” Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002: Asia Pacific.

IEEE/PES, Volume: 2,pp.1191 -1195, Oct. 2002

[2] El-Khattam W., Hegazy Y.G., Salama M.M.A., “Stochastic power flow analysis of electrical distributed generation systems,” IEEE Power Engineering Society General Meeting 2003, Volume: 2, pp. 1144, July 2003.

[3] Smith J.W., Brooks D.L., “Voltage impacts of distributed wind generation on rural distribution feeders,”

Transmission and Distribution Conference and Exposition 2001, IEEE/PES, Volume: 1, pp.492-497, 28

5

Oct.-2 Nov. 2001.

[4] Abdelaziz A.R., Hossam El-Din A.A., “Operational planning for distribution system with windmills,”

Solid Dielectrics, 2001. ICSD '01. Proceedings of the 2001 IEEE 7th International Conference on, pp. 442 – 445, June 2001.

[5] Wang P., Billinton R., “Time-sequential simulation technique for rural distribution system reliability cost/worth evaluation including wind generation as alternative supply,” Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings, Volume: 148 Issue: 4, pp. 355 -360, July 2001.

[6] Peng Wang, Billinton R., “Reliability benefit analysis of adding WTG to a distribution system,” Energy Conversion, IEEE Transactions on, Volume: 16 Issue: 2, pp.134 -139, June 2001.

[7] Weisbrich, A.L., Ostrow, S.L., Padalino, J.P., “WARP: a modular wind power system for distributed electric utility application,” Industry Applications, IEEE Transactions on Volume: 32 Issue: 4, pp.

778 –787, July-Aug 1996.

[8] Watson, S.J., Landberg, L., Halliday, J.A., “Application of wind speed forecasting to the integration of wind energy into a large scale power system,” Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings- , Volume: 141 Issue: 4, Page(s): 357 –362, July 1994.

[9] Brune, C.S., Spee, R., Wallace, A.K., ” Experimental evaluation of a variable-speed, doubly-fed wind-power generation system,” Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 30 Issue: 3, Page(s): 648 –655, May-June 1994.

[10] Dominguez Rubira, S., McCulloch, M.D., “Control method comparison of doubly fed wind generators connected to the grid by asymmetric transmission lines,” Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 36 Issue: 4, Page(s): 986 –991, July-Aug. 2000.

[11] Richardson, R.D., McNerney, G.M., “Wind energy systems,” Proceedings of the IEEE, Volume: 81 Issue:

3, Page(s): 378 –389, March 1993.

[12] Kariniotakis, G.N., Stavrakakis, G.S., Nogaret, E.F., “Wind power forecasting using advanced neural networks models,” Energy Conversion, IEEE Transactions on, Volume: 11 Issue: 4, Page(s): 762 –767, Dec. 1996.

[13] Bhowmik, S., Spee, R., Enslin, J.H.R., “Performance optimization for doubly fed wind power generation systems,” Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume: 35 Issue: 4, Page(s): 949 –958, July-Aug.

1999.

[14] Shuhui Li, Wunsch, D.C., O'Hair, E.A., Giesselmann, M.G., “Using neural networks to estimate wind turbine power generation,” Energy Conversion, IEEE Transactions on, Volume: 16 Issue: 3, Page(s):

276 –282, Sept. 2001.

[15] Ekanayake, J.B., Holdsworth, L., XueGuang Wu, Jenkins, N., ”Dynamic modeling of doubly fed induction generator wind turbines,” Power Systems, IEEE Transactions on, Volume: 18 Issue: 2, Page(s): 803 –809, May 2003.

[16] Soderlund, L., Eriksson, J.-T., Salonen, J., Vihriala, H., Perala, R., “A permanent-magnet generator for wind power applications,” Magnetics, IEEE Transactions on , Volume: 32 Issue: 4, Page(s): 2389 –2392, July 1996.

[17] Cardell, J.B., Connors, S.R., “Wind power in New England: modeling and analysis of nondispatchable renewable energy technologies,” Power Systems, IEEE Transactions on , Volume: 13 Issue: 2, Page(s):

710 –715, May 1998.

[18] Elliott, D., “Assessing the world's wind resources,” Power Engineering Review, IEEE , Volume: 22 Issue:

9, Page(s): 4 –9, Sept. 2002.

[19] Liew, S.N., Strbac, G., “Maximising penetration of wind generation in existing distribution networks,”

Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings- , Volume: 149 Issue: 3, Page(s): 256 –262, May 2002.

[20] Castro Sayas, F., Allan, R.N., “Generation availability assessment of wind farms,” Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings-, Volume: 143 Issue: 5, Page(s): 507 –518, Sept. 1996.

八、計畫成果自評

本整合型計畫總計畫及各子計畫實際研究內容均與原計畫書相符，預期目標亦均 已達成，研究成果已具學術及應用參價值，惟本整合型計畫為三年期計畫，目前僅完 成第一年之研究工作，僅就放射型配電系統因應分散型電源併網之最適規劃設計、保 護與協調及運轉與維護等進行分析與探討，尚需就常閉環路型及其他常見型態配電系 統因應分散型電源併網之最適規劃設計、保護與協調及運轉與維護等進行分析與探討 方屬完備，屆時本整合型研究計畫之總體目標才告達成，始能廣為推廣及運用。但成 果可期，研究團隊深具信心。

可供推廣之研發成果資料表

□ 可申請專利 □ 可技術移轉 日期：95 年 09 月 08 日

國科會補助計畫

計畫名稱：因應分散型發電之配電系統設計與運轉研究(I)-總計畫 計畫主持人：陳在相

計畫編號：NSC 94-2213-E-011-076 學門領域：電力 技術/創作名稱

發明人/創作人

中文：本整合型研究計畫的主要目的在探討因應分散型發電機併網運轉之各型

態配電系統之設計與運轉。因應分散型發電機併網運轉之各型態配電系統之最適 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機併網運 轉之配電系統規劃與設計研究；子計畫二探討因應分散型發電機併網運轉之配電 系統保護與協調問題；子計畫三則從事因應分散型發電機併網運轉之配電系統運 轉與維護研究。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。

技術說明 ^英文：The major purpose of this integrated research project is to examine the design and operation of distribution systems for interconnection with distributed generations (DG’s). The finest planning and design, protection ad coordination, operation and maintenance, and reactive power compensation for various distribution system arrangements will all be taken into account. This integrated research project is composed of three individual projects. Project 1 assesses the planning and design issues for various distribution system arrangements to take account the interconnection with DG’s. Project 2 evaluates the protection and coordination issues for various distribution system arrangements to take account the interconnection with DG’s. Project 3 examines the operation and maintenance issues for various distribution system arrangements to take account the interconnection with DG’s. The finds of this integrated research project are of value to the capital cost reduction, operating efficiency improvement and better future expansion of distribution systems.

可利用之產業 及 可開發之產品

電力公司、顧問公司、風力發電機業者、學術及研究單位。

技術特點 以理論為基礎，以實務為導向。

推廣及運用的價值

本整合型計畫為三年期計畫，目前僅完成第一年之研究工作，僅就放射 型配電系統因應分散型電源併網之最適規劃設計、保護與協調及運轉與 維護等進行分析與探討，尚需就常閉環路型及其他常見型態配電系統因 應分散型電源併網之最適規劃設計、保護與協調及運轉與維護等進行分 析與探討方屬完備，屆時本整合型研究計畫之總體目標才告達成，始能 廣為推廣及運用。

※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位 研發成果推廣單位（如技術移轉中心）。

※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。

※ 3.本表若不敷使用，請自行影印使用。