14.06.2015 Views

包含變速型風力機與柴油引擎發電系統的分散式 ... - 高雄應用科技大學

包含變速型風力機與柴油引擎發電系統的分散式 ... - 高雄應用科技大學

包含變速型風力機與柴油引擎發電系統的分散式 ... - 高雄應用科技大學

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

工 程 科 技 與 教 育 學 刊 第 九 卷 第 三 期<br />

民 國 一 ○ 一 年 九 月 第 331~340 頁<br />

包 含 變 速 型 風 力 機 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 動 態 特 性 分 析<br />

陳 泉 合<br />

1 、 陳 盟 仁<br />

1 、 吳 有 基<br />

2 、 劉 國 才<br />

1 、 潘 信 志<br />

1<br />

國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 電 機 工 程 系<br />

2<br />

國 立 聯 合 大 學 電 機 工 程 學 系<br />

E-mail: mengjen@cc.kuas.edu.tw<br />

1<br />

摘 要<br />

本 研 究 主 要 在 探 討 一 個 包 含 變 速 型 風 能 發 電 系 統 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 的 動 態 特 性 。 該 系<br />

統 主 要 包 括 市 電 、 風 能 發 電 系 統 、 柴 油 引 擎 發 電 系 統 、 三 相 變 壓 器 、 感 應 電 動 機 、 激 磁 系 統 、 同 步 發 電 機 、<br />

以 及 靜 態 負 載 等 。 研 究 方 法 是 先 推 導 系 統 組 件 的 數 學 模 型 , 接 著 利 用 SimPowerSystems 模 組 開 發 並 依 系 統<br />

架 構 連 接 , 最 後 進 行 動 態 特 性 模 擬 與 分 析 。 研 究 結 果 顯 示 此 系 統 在 這 兩 種 運 轉 模 式 下 的 動 態 特 性 是 合 理 的<br />

並 且 應 可 和 實 際 運 轉 情 形 一 致 。 本 研 究 最 大 的 價 值 是 可 做 此 類 型 系 統 規 劃 、 運 轉 、 以 及 擴 充 的 重 要 參 考 。<br />

關 鍵 詞 : 風 能 發 電 系 統 、 柴 油 引 擎 發 電 系 統 、 激 磁 系 統 、MATLAB/Simulink、SimPowerSystems<br />

1. 前 言<br />

由 於 世 界 各 國 工 業 日 益 發 達 , 過 去 五 十 年 來 , 地 球 表 面 平 均 溫 度 的 上 升 速 度 大 約 是 過 去 100 年 的 兩 倍 。<br />

過 去 100 年 內 , 地 球 的 表 面 平 均 溫 度 約 升 高 0.74℃。 如 果 大 氣 中 的 二 氧 化 碳 濃 度 , 超 越 工 業 革 命 前 的 兩 倍 ,<br />

這 將 會 導 致 平 均 溫 度 會 升 高 3℃。 全 球 變 暖 最 明 顯 的 影 響 之 一 是 海 平 面 升 高 , 在 20 世 紀 , 海 平 面 升 高 了 大<br />

約 17 厘 米 。 為 了 因 應 日 趨 嚴 重 的 溫 室 效 應 ,1997 年 12 月 在 日 本 京 都 制 定 了 《 京 都 議 定 書 》, 目 前 全 球 共 有<br />

180 多 國 簽 署 , 其 目 標 是 「 將 大 氣 中 的 溫 室 氣 體 含 量 穩 定 在 一 個 適 當 的 水 平 , 進 而 防 止 劇 烈 的 氣 候 改 變 對 人<br />

類 造 成 傷 害 」。2009 年 年 底 ,114 個 國 家 通 過 了 《 哥 本 哈 根 協 議 》, 這 項 協 議 的 目 的 是 為 了 讓 開 發 中 國 家 和<br />

已 開 發 國 家 都 必 須 進 行 減 少 排 放 溫 室 氣 體 , 並 且 要 建 立 籌 資 機 制 來 支 持 開 發 中 國 家 減 少 溫 室 氣 體 排 放 [1]。<br />

台 灣 由 於 天 然 資 源 和 能 源 貧 乏 , 約 99% 的 能 源 需 仰 賴 進 口 , 導 致 能 源 安 全 度 偏 低 。 石 油 、 天 然 氣 和 煤<br />

炭 是 目 前 國 內 能 源 需 求 的 主 要 項 目 , 因 傳 統 高 碳 能 源 都 來 自 國 外 , 所 以 供 應 容 易 受 到 國 際 供 需 、 價 格 波 動 、<br />

產 量 變 動 、 和 國 際 能 源 政 治 角 力 的 影 響 。 為 了 因 應 氣 候 變 遷 和 能 源 供 應 逐 漸 緊 迫 等 議 題 , 世 界 各 國 均 積 極<br />

發 展 能 源 技 術 , 唯 有 增 加 自 產 再 生 能 源 的 使 用 比 例 , 才 能 面 對 未 來 嚴 峻 的 能 源 情 勢 。 再 生 能 源 為 具 有 潔 淨 、<br />

低 溫 室 氣 體 排 放 、 取 之 不 盡 用 之 不 竭 的 優 點 , 例 如 太 陽 能 、 風 力 、 潮 汐 能 、 地 熱 等 , 這 幾 年 台 灣 也 積 極 開<br />

發 再 生 能 源 , 如 太 陽 熱 能 、 太 陽 光 電 、 風 力 發 電 、 生 質 能 等 綠 色 產 業 , 以 確 保 能 源 的 穩 定 供 應 及 有 效 提 高<br />

能 源 生 產 力 , 進 而 提 升 國 家 競 爭 力 。 根 據 經 濟 部 能 源 局 的 規 劃 , 再 生 能 源 的 總 裝 置 容 量 將 在 2025 年 達 到 全<br />

國 裝 置 容 量 15%, 台 電 對 此 也 進 行 再 生 能 源 的 發 展 評 估 , 其 中 太 陽 能 、 風 能 、 小 水 力 、 生 質 能 發 電 等 均 為<br />

發 展 重 點 。 到 民 國 一 百 年 為 止 , 台 灣 再 生 能 源 ( 含 慣 常 水 力 ) 裝 置 容 量 為 260.8 千 萬 瓦 , 佔 系 統 裝 置 容 量<br />

6.3%, 與 經 濟 部 能 源 局 的 規 劃 明 顯 還 有 相 當 大 的 成 長 空 間 [2]。<br />

有 關 風 能 發 電 系 統 的 相 關 文 獻 很 多 , 除 了 有 些 書 籍 專 門 介 紹 風 能 發 電 系 統 的 原 理 外 , 許 多 研 究 也 針 對<br />

風 能 發 電 系 統 的 各 領 域 做 深 入 的 探 討 [3]-[5]。 文 獻 [6] 探 討 了 在 風 能 發 電 系 統 中 , 風 力 機 定 速 與 變 速 的 優 缺<br />

點 , 並 指 出 感 應 電 動 機 使 用 繞 線 式 轉 子 會 比 鼠 籠 式 轉 子 有 較 高 的 功 率 輸 出 。 文 獻 [7] 指 出 使 用 適 當 的 功 因 控<br />

制 器 和 增 益 比 例 , 可 增 加 雙 饋 式 感 應 發 電 機 的 穩 定 性 。 文 獻 [8] 提 出 在 一 定 風 速 變 動 下 , 適 當 的 葉 片 旋 角 控<br />

制 比 起 傳 統 PID 控 制 器 , 能 更 有 效 的 調 節 風 力 機 輸 出 功 率 。 文 獻 [9] 提 出 一 個 將 獨 立 型 風 能 - 柴 油 混 合 式 發 電<br />

©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851


332<br />

陳 泉 合 、 陳 盟 仁 、 吳 有 基 、 劉 國 才 、 潘 信 志<br />

系 統 的 組 件 最 佳 化 的 演 算 法 , 並 且 利 用 雛 型 系 統 去 印 證 兩 台 發 電 機 在 最 佳 負 載 分 配 下 的 動 態 特 性 。 文 獻 [10]<br />

探 討 一 個 有 風 能 高 佔 比 的 獨 立 型 島 嶼 電 力 系 統 的 電 力 品 質 問 題 , 並 且 指 出 柴 油 引 擎 的 轉 矩 變 動 是 電 壓 閃 爍<br />

的 主 要 來 源 。 文 獻 [11] 提 出 一 個 獨 立 型 風 能 - 柴 油 混 合 式 電 力 系 統 的 自 動 無 效 功 率 控 制 策 略 。 該 系 統 包 括 有<br />

永 磁 式 發 電 機 的 風 能 發 電 系 統 與 有 同 步 發 電 機 的 柴 油 引 擎 發 電 系 統 。<br />

本 研 究 主 要 在 探 討 一 個 包 含 風 能 發 電 系 統 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 在 與 市 電 併 聯 運 轉 時 的 動<br />

態 特 性 。 該 系 統 主 要 包 括 市 電 、 風 能 發 電 系 統 、 柴 油 引 擎 發 電 系 統 、 三 相 變 壓 器 、 感 應 電 動 機 、 激 磁 系 統 、<br />

同 步 發 電 機 、 以 及 靜 態 負 載 等 。 本 研 究 最 大 的 價 值 是 可 做 此 類 型 系 統 規 劃 、 運 轉 、 以 及 擴 充 的 重 要 參 考 。<br />

2. 包 含 風 能 發 電 系 統 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 數 學 模 型<br />

2.1 系 統 架 構<br />

圖 1 為 包 含 風 能 與 柴 油 引 擎 的 分 散 式 發 電 系 統 架 構 。 此 系 統 的 組 件 包 括 市 電 系 統 (Grid)、 變 速 型 風 能<br />

發 電 系 統 (Wind Turbines)、 柴 油 引 擎 (Diesel Engine)、 同 步 發 電 機 (Synchronous Generator)、 激 磁 系 統<br />

(Excitation System)、 變 壓 器 (Power Transformer)、 感 應 電 動 機 (Induction Motor)、 以 及 集 總 的 靜 態 負 載<br />

(Lumped Static Load)。<br />

圖 1<br />

包 含 變 速 型 風 力 機 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 架 構 圖<br />

2.2 風 力 機 模 組<br />

風 力 機 模 組 主 要 目 的 是 將 風 能 轉 換 成 機 械 能 來 作 為 發 電 機 的 輸 入 。 輸 出 的 機 械 轉 矩 會 隨 著 轉 速 、 風 速 、<br />

葉 片 角 度 的 不 同 而 有 所 改 變 。 本 研 究 設 定 的 輸 入 風 速 為 隨 機 風 , 額 定 風 速 為 14m/s, 葉 片 旋 角 起 始 角 度 為 0°,<br />

此 處 不 考 慮 葉 片 長 度 與 空 氣 密 度 。 圖 2(a) 為 風 力 機 模 組 的 圖 像 , 輸 入 端 為 發 電 機 轉 速 、 葉 片 角 度 、 風 速 ,<br />

輸 出 端 為 風 力 機 機 械 轉 矩 。 圖 2(b) 為 內 部 架 構 圖 [5],[12]。


包 含 變 速 型 風 力 機 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 動 態 特 性 分 析 333<br />

(a) 圖 像<br />

(b) 內 部 架 構<br />

圖 2<br />

風 力 機 組 圖 像 與 內 部 架 構 圖<br />

2.3 三 相 感 應 發 電 機 模 組<br />

三 相 感 應 發 電 機 模 組 主 要 目 的 是 將 風 力 機 的 機 械 能 轉 換 成 電 能 。 本 研 究 使 用 之 三 相 感 應 發 電 機 轉 子 為<br />

繞 線 式 形 式 。<br />

圖 3(a) 為 三 相 感 應 發 電 機 模 組 圖 像 , 輸 入 端 Tm 為 機 械 轉 矩 , 輸 出 端 A、B、C 為 定 子 側 三 相 電 壓 ,a、<br />

b、c 為 轉 子 側 接 點 ,m 為 資 料 端 , 可 連 接 到 欲 觀 察 的 量 測 元 件 。 圖 3(b) 為 參 數 視 窗 , 此 模 組 可 依 感 應 發 電<br />

機 型 式 而 設 定 不 同 的 參 數 , 包 括 機 械 輸 入 (Mechanical input)、 轉 子 型 式 (Rotor type)、 參 考 軸 (Reference<br />

frame)、 感 應 電 機 額 定 容 量 (Pn)、 線 電 壓 (Vn)、 頻 率 (fn)、 定 子 電 阻 (Rs)、 定 子 漏 電 感 (Lls)、 轉 子 電<br />

阻 (Rr’)、 轉 子 漏 電 感 (Llr’)、 磁 化 電 感 (Lm)、 慣 性 常 數 (H)、 機 械 阻 尼 係 數 (F)、 極 對 (p)、 以 及 初<br />

始 條 件 (Initial conditions)[13],[14]。<br />

(a) 圖 像<br />

(b) 參 數 視 窗<br />

圖 3<br />

三 相 感 應 發 電 機 圖 像 和 參 數 視 窗<br />

2.4 三 相 變 壓 器 模 組<br />

三 相 變 壓 器 模 組 可 選 擇 各 種 結 線 方 式 , 包 括 Δ-Δ、Y-Δ、Δ-Y、Y-Y、Yn-Δ、Δ-Yn、Yn-Y、Y-Yn 等 幾<br />

種 。 圖 4(a) 為 三 相 變 壓 器 模 組 圖 像 。 輸 入 端 A、B、C 為 變 壓 器 一 次 側 三 相 電 壓 , 輸 出 端 a、b、c 為 二 次 側<br />

三 相 電 壓 。 圖 4(b) 為 參 數 視 窗 , 此 模 組 的 參 數 包 括 額 定 容 量 (Pn)、 頻 率 (fn)、 一 次 側 繞 組 線 電 壓 (V1 Ph-Ph)、


334<br />

陳 泉 合 、 陳 盟 仁 、 吳 有 基 、 劉 國 才 、 潘 信 志<br />

一 次 側 繞 組 電 阻 (R1)、 一 次 側 繞 組 漏 電 感 (L1)、 二 次 側 繞 組 線 電 壓 (V2 Ph-Ph)、 二 次 側 繞 組 電 阻 (R2)、<br />

二 次 側 繞 組 漏 電 感 (L2)、 磁 化 電 阻 (Rm)、 以 及 磁 化 電 感 (Lm)[13],[14]。<br />

(a) 圖 像<br />

(b) 參 數 視 窗<br />

圖 4<br />

三 相 變 壓 器 模 組 圖 像 與 參 數 視 窗<br />

2.5 柴 油 引 擎 模 組<br />

圖 5(a) 為 柴 油 引 擎 模 組 圖 像 , 輸 入 端 為 轉 速 參 考 值 (wref)、 轉 速 (wm)、 電 功 率 參 考 值 (Pref)。 輸 出<br />

端 為 機 械 功 率 (Pm)。 圖 5(b) 為 模 組 內 部 架 構 , 包 含 了 控 制 器 、 促 動 器 和 引 擎 時 間 延 遲 等 模 組 [15]。<br />

(a) 圖 像<br />

(b) 模 組 內 部 架 構<br />

圖 5<br />

柴 油 引 擎 模 組<br />

2.6 同 步 發 電 機 模 組<br />

圖 6 為 同 步 發 電 機 模 組 圖 像 和 參 數 視 窗 。 輸 入 端 Pm 為 原 動 機 機 械 功 率 ,Vf 為 激 磁 電 壓 , 輸 入 端 A、B、<br />

C 為 定 子 三 相 電 壓 ,m_pu 為 輸 出 資 料 端 , 可 連 接 到 量 測 元 件 。 此 內 建 模 組 可 選 擇 轉 子 形 式 (Rotor type),<br />

有 圓 型 (Round) 轉 子 和 凸 極 式 (Salient-pole) 轉 子 可 供 選 擇 。 輸 入 參 數 包 括 額 定 容 量 (Pn)、 線 電 壓 (Vn)、<br />

頻 率 (fn)、 定 子 電 阻 (Rs)、 定 子 漏 電 感 (Ll)、d 軸 磁 化 電 感 (Lmd)、q 軸 磁 化 電 感 (Lmq)、 磁 場 電 阻 (Rf)、<br />

磁 場 漏 電 感 (Llfd)、d 軸 阻 尼 電 阻 (Rkd)、q 軸 阻 尼 漏 電 感 (Llkd)、q 軸 阻 尼 電 阻 (Rkql)、q 軸 阻 尼 漏 電<br />

感 (Llkql)、 慣 性 常 數 (H)、 轉 軸 阻 尼 係 數 (F)、 極 對 (p)、 和 初 始 條 件 (Inititial conditions)[13],[14]。


包 含 變 速 型 風 力 機 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 動 態 特 性 分 析 335<br />

(a) 圖 像<br />

(b) 參 數 視 窗<br />

圖 6<br />

同 步 發 電 機 模 組 圖 像 和 參 數 視 窗<br />

2.7 激 磁 系 統 模 組<br />

圖 7(a) 為 激 磁 系 統 模 組 圖 像 , 輸 入 端 分 別 為 電 壓 參 考 值 (vref)、d 軸 電 壓 (vd)、q 軸 電 壓 (vq)、 穩 定<br />

器 信 號 (vstab), 輸 出 端 為 激 磁 電 壓 (Vf)。 圖 7(b) 為 模 組 內 部 架 構 。 此 模 組 的 參 數 包 括 低 通 濾 波 器 時 間 常<br />

數 (Tr)、 調 節 器 增 益 (Ka)、 調 節 器 時 間 常 數 (Ta)、 激 磁 機 增 益 (Ke)、 時 間 常 數 (Te)、 暫 態 增 益 衰 減 常<br />

數 (Tb) 和 (Tc)、 阻 尼 率 波 器 增 益 (Kf)、 時 間 常 數 (Tf)、 調 節 器 輸 出 限 制 (Efmax, Efmin)、 調 節 器 輸 出<br />

增 益 (Kp) 和 電 壓 初 始 值 (Initial values)[16]-[18]。<br />

(a) 圖 像<br />

(b) 內 部 架 構<br />

圖 7<br />

激 磁 系 統 模 組<br />

2.8 系 統 控 制 器 模 組<br />

系 統 控 制 器 模 組 主 要 目 的 是 控 制 轉 子 側 轉 換 器 與 市 電 側 轉 換 器 的 閘 極 信 號 、 以 及 風 力 機 葉 片 旋 角 角<br />

度 。 包 含 轉 子 側 轉 換 器 控 制 器 、 市 電 側 轉 換 器 控 制 器 、 以 及 風 力 機 葉 片 旋 角 角 度 控 制 器 三 個 部 份 。<br />

圖 8(a)~8(c) 分 別 為 轉 子 側 轉 換 器 控 制 器 、 市 電 側 轉 換 器 控 制 器 、 以 及 風 力 機 葉 片 旋 角 角 度 控 制 器 模 組<br />

圖 像 。 轉 子 側 轉 換 器 控 制 器 輸 入 端 為 發 電 機 轉 速 、 直 流 電 容 器 電 壓 、 系 統 電 壓 鎖 相 後 的 相 位 角 、 定 子 電 流 、<br />

轉 子 電 流 、 參 考 電 壓 、 參 考 虛 功 率 、 系 統 輸 出 電 壓 、 系 統 輸 出 實 功 率 、 系 統 輸 出 虛 功 率 、 市 電 側 轉 換 器 輸<br />

出 電 流 , 輸 出 端 為 轉 子 側 轉 換 器 控 制 信 號 [19],[20]。 市 電 側 轉 換 器 控 制 器 輸 入 端 為 系 統 電 壓 、 市 電 側 轉 換 器<br />

輸 出 電 流 、 系 統 電 壓 鎖 相 後 的 相 位 角 、 直 流 電 容 器 電 壓 、 市 電 側 轉 換 器 q 軸 參 考 電 流 , 輸 出 端 為 市 電 側 轉


336<br />

陳 泉 合 、 陳 盟 仁 、 吳 有 基 、 劉 國 才 、 潘 信 志<br />

換 器 控 制 信 號 與 系 統 d/q 軸 電 壓 。 風 力 機 葉 片 旋 角 角 度 控 制 器 輸 入 端 為 發 電 機 轉 速 , 輸 出 端 為 葉 片 旋 角 角<br />

度 。 圖 8(d)~8(f) 為 內 部 架 構 圖 。<br />

(a) 圖 像<br />

(d) 內 部 架 構<br />

(b) 圖 像<br />

(e) 內 部 架 構<br />

(c) 圖 像<br />

(f) 內 部 架 構<br />

圖 8<br />

系 統 控 制 器 模 組 圖 像 與 內 部 架 構 圖


包 含 變 速 型 風 力 機 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 動 態 特 性 分 析 337<br />

3. 動 態 特 性 模 擬<br />

3.1 SimPowerSystems 模 組<br />

圖 9 為 包 含 變 速 型 風 力 機 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 使 用 SimPowerSystems 開 發 的 模 組 , 主 要<br />

包 括 六 部 份 -A 部 份 為 161kV 市 電 ,B 部 份 為 變 壓 器 ,C 部 份 為 柴 油 引 擎 ,D 部 分 為 風 力 站 ,E 部 分 為 靜 態<br />

負 載 ,F 部 分 為 電 動 機 負 載 。<br />

圖 9<br />

SimPowerSystems 模 組 架 構 圖<br />

3.2 模 擬 順 序<br />

圖 10 為 模 擬 的 時 序 圖 。 由 圖 中 可 看 出 5 秒 時 靜 態 負 載 及 電 動 機 順 序 加 入 ,30 秒 時 三 套 風 能 發 電 系 統 順<br />

序 加 入 ,60 秒 時 三 部 柴 油 引 擎 發 電 系 統 同 時 加 入 總 模 擬 時 間 90 秒


338<br />

陳 泉 合 、 陳 盟 仁 、 吳 有 基 、 劉 國 才 、 潘 信 志<br />

圖 10<br />

模 擬 時 序 圖<br />

3.3 模 擬 結 果<br />

此 模 擬 的 觀 察 重 點 為 風 能 發 電 系 統 、 柴 油 引 擎 發 電 系 統 、 以 及 靜 態 負 載 依 序 併 入 市 電 的 變 數 變 動 情 形 。<br />

圖 11(a) 為 隨 機 風 速 波 形 , 風 速 每 兩 秒 取 樣 一 次 , 額 定 風 速 設 為 14m/s。 圖 11(b)~ 圖 11(g) 顯 示 風 速 為 隨<br />

機 風 時 , 低 於 額 定 風 速 會 依 照 最 大 功 率 追 蹤 特 性 來 產 生 實 功 率 , 超 過 額 定 風 速 實 功 率 會 維 持 在 額 定 , 以 避<br />

免 風 力 機 損 壞 。 虛 功 率 也 會 隨 著 風 速 不 同 而 變 動 , 直 流 電 容 電 壓 經 過 控 制 後 會 維 持 在 1.0pu, 且 因 風 力 機 加<br />

入 系 統 而 有 某 種 程 度 的 暫 態 產 生 。 當 轉 速 超 過 額 訂 時 , 原 本 旋 角 起 始 角 度 設 為 0° 的 葉 片 會 上 升 來 控 制 機 械<br />

轉 矩 , 以 避 免 轉 速 增 加 過 快 , 當 機 械 轉 矩 等 於 電 磁 轉 矩 時 , 轉 速 就 會 維 持 穩 定 。<br />

圖 11(h)~(k) 顯 示 柴 油 引 擎 的 電 壓 、 實 功 率 、 虛 功 率 及 轉 速 在 併 入 時 有 程 度 不 同 的 暫 態 響 應 , 暫 態 的 大<br />

小 和 持 續 時 間 和 組 件 的 容 量 及 參 數 有 關 。 圖 11(h) 顯 示 發 電 機 端 電 壓 約 為 1.015pu, 這 是 因 為 發 電 機 透 過 變<br />

壓 器 與 市 電 併 聯 , 所 以 端 電 壓 高 於 市 電 電 壓 。 圖 11(i) 顯 示 轉 速 因 為 慣 性 的 關 係 , 在 併 入 市 電 時 僅 有 微 小 的<br />

暫 態 產 生 , 隨 後 立 即 回 到 1.0pu。 圖 11(j)~(k) 顯 示 每 部 柴 油 引 擎 發 電 系 統 大 約 提 供 0.99pu 的 實 功 率 和 約 0.15pu<br />

的 虛 功 率 。<br />

圖 11(l)~(m) 顯 示 風 力 站 實 功 率 、 虛 功 率 受 到 風 能 發 電 系 統 的 加 入 而 增 加 。 圖 11(l) 風 力 站 實 功 率 呈 現 負<br />

值 , 代 表 提 供 實 功 率 給 市 電 , 圖 11(m) 風 力 站 虛 功 率 呈 現 正 值 , 代 表 市 電 提 供 虛 功 率 給 風 力 站 。 圖 11(n) 顯<br />

示 因 161kV 市 電 供 應 的 實 功 率 因 為 負 載 的 依 序 加 入 而 增 加 , 而 後 因 風 能 發 電 系 統 和 柴 油 引 擎 發 電 系 統 與 市<br />

電 併 聯 而 減 少 , 這 是 因 為 發 電 機 分 擔 了 大 部 分 的 實 功 率 。 圖 11(o) 顯 示 市 電 供 應 的 虛 功 率 逐 漸 上 升 , 這 是 因<br />

為 市 電 提 供 虛 功 率 給 負 載 和 風 能 發 電 系 統 。 整 體 而 言 , 此 種 運 轉 模 式 下 系 統 的 動 態 特 性 合 理 而 且 可 以 接 受 。<br />

4. 結 論<br />

本 研 究 主 要 在 探 討 包 含 變 速 型 風 力 機 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 的 動 態 特 性 。 該 系 統 主 要 包 括<br />

市 電 、 風 能 發 電 系 統 、 柴 油 引 擎 發 電 系 統 、 感 應 發 電 機 、 三 相 變 壓 器 、 同 步 發 電 機 、 系 統 控 制 器 、 激 磁 系<br />

統 、 以 及 靜 態 負 載 等 。 研 究 方 法 是 先 推 導 系 統 組 件 的 數 學 模 型 , 接 著 利 用 SimPowerSystems 模 組 開 發 並 依<br />

系 統 架 構 連 接 , 最 後 進 行 動 態 特 性 模 擬 與 分 析 。 研 究 結 果 顯 示 在 此 種 運 轉 情 形 下 系 統 變 數 變 動 情 形 合 乎 規<br />

定 。 本 研 究 最 大 的 價 值 是 可 做 為 此 種 系 統 規 劃 、 運 轉 、 以 及 系 統 擴 充 的 重 要 參 考 。


包 含 變 速 型 風 力 機 與 柴 油 引 擎 發 電 系 統 的 分 散 式 系 統 動 態 特 性 分 析 339<br />

參 考 文 獻<br />

[1] Website , http://www.un.org<br />

[2] 經 濟 部 能 源 局 ,http://www.moeaboe.gov.tw<br />

[3] 劉 萬 琨 等 , 風 能 與 風 力 發 電 技 術 , 五 南 圖 書 出 版 股 份 有 限 公 司 ,2009<br />

[4] 牛 山 泉 , 風 車 工 學 入 門 - 從 基 礎 理 論 到 風 力 發 電 技 術 , 國 立 澎 湖 科 技 大 學 ,2009<br />

[5] S. Heier, Wind Energy Conversion Systems, John Wiley & Sons Ltd., 1998<br />

[6] R. Datta and V. T. Ranganathan, “Variable-Speed Wind Power Generation Using Doubly Fed Wound Rotor Induction<br />

Machine-A Comparison With Alternative Schemes,” IEEE Transaction on Energy Conversion, vol. 17, pp. 414 -421, Sep.<br />

2002<br />

[7] J.B. Ekanayake and L. Holdsworth, X. Wu, and N. Jenkins, “Dynamic Modeling of Doubly Fed Induction Generator Wind<br />

Turbines,” IEEE Transaction on Power Systems, vol. 18, pp. 803 -809, May 2003<br />

[8] H. Geng and G. Yang, “Output Power Control for Variable-Speed Variable-Pitch Wind Generation Systems,” IEEE<br />

Transaction on Energy Conversion, vol. 25, pp. 494-503, June 2010<br />

[9] T.K. Saha and D. Kastha, “Design Optimiaztion and Dynamic Performance Analysis of a Stand-Alone Hybrid<br />

Wind-Diesel Electrical Power Generation System,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 25, no. 4, pp.<br />

1209-1217, Dec. 2010<br />

[10] K. Uhlen, B.A. Foss, and O.B. Gjosater, “Robust Control and Analysis of a Wind-Diesel Hybrid Power Plant,” IEEE<br />

Transactions on Energy Conversion, vol. 9, pp.701-708, Dec. 1994<br />

[11] P. Sharma and T. Bhatti, “Performance Investigation of Isolated Wind-Diesel Hybrid Power Systems with WECS Having<br />

PMIG,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. PP , Issue 99, pp. 1-8, 2011<br />

[12] SimPowerSystems User’s Guide, Hydro-Quebec TransEnergie International, 2009<br />

[13] P.C. Krause, Analysis of Electric Machinery and Drive System, 2nd Ed, McGRAW-Hill Book Co., USA, Dec 2001<br />

[14] C.-M. Ong, Dynamic Simulation of Electric Machinery using MATLAB/Simulink, McGRAW-Hill Book Co., USA,<br />

1998<br />

[15] J. Delesalle and I. Kauffmann, “Réponse Des Moteurs Diesel Suralimentés Aux Variations Rapides De Puissance Appelée<br />

Simulation Mathématique Et Applications,” CIMAC, A, 1977, Pap. A9<br />

[16] IEEE Committee Report, IEEE Guide for Identification, Testing and Evaluation of the Dynamic Performance of<br />

Excitation Control Systems, ANSI/IEEE Std 421A-1987, June 1978<br />

[17] IEEE Committee Report, “Excitation System Models for Power System Stability Studies,” IEEE Transaction on Power<br />

Apparatus and Systems, PAS-100, pp.494-509, 1981<br />

[18] IEEE Committee Report, “Computer Models for Representation of Digital-Based Excitation Systems,” IEEE Transaction<br />

on Energy Conversion, vol. 11, no. 3, pp. 607-615, 1996<br />

[19] R. Pena, J.C. Clare, and G.M. Asher, “Doubly Fed Induction Generator Using Back-to-Back PWM Converters and Its<br />

Application to Variable-Speed Wind-Energy Generation,” IEE Proceedings on-Electric Power Applications., vol. 143, no.<br />

3, pp. 231-241, 1996<br />

[20] N.W. Miller, J.J. Sanchez-Gasca, W.W. Price, and R.W. Delmerico, “Dynamic Modeling of GE 1.5 and 3.6 MW Wind<br />

Turbine-Generators for Stability Simulations,” IEEE Power Engineering Society General Meeting, pp, 1977-1983, July<br />

2003


340<br />

陳 泉 合 、 陳 盟 仁 、 吳 有 基 、 劉 國 才 、 潘 信 志<br />

(a) WT1 風 速 (f) WTIG1 電 磁 轉 矩 (k) SG1 虛 功 率<br />

(b) WT1 實 功 率 (g) WTIG1 機 械 轉 矩 (l) 風 力 站 實 功 率<br />

(c) WT1 虛 功 率 (h) SG1 端 電 壓 (m) 風 力 站 虛 功 率<br />

(d) WTIG1 轉 速 (i) SG1 轉 速 (n) 市 電 實 功 率<br />

(e) WT1 葉 片 角 度 (j) SG1 實 功 率 (o) 市 電 虛 功 率<br />

圖 11<br />

系 統 變 數 變 動 情 形

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!