本文考慮配電系統於併聯不同型態分散式電源時，對故障與馬達啟動所造成的電壓驟降影響，當部份饋線負載與分散式電源形成孤島時，以暫態穩定度分析其運轉可行性，並探討孤島系統與電力公司電源重新併聯的時機。文中以一條22.8kV之饋線為研究對象，利用Matlab/Simulink程式建立含汽渦輪與風力分散式發電系統之配電饋線架構圖，其中包含汽輪機、風力機、同步發電機、感應發電機、激磁系統、調速系統及負載頻率控制器之模型與參數。
使用CBEMA、ITIC與SEMI F47曲線為負載對電壓驟降之忍受度曲線，探討同步發電機與感應發電機之分散式電源併聯至配電系統，當饋線不同位置發生三相短路故障，檢視其故障電流，配合保護電驛設定，計算故障持續時間，在各種不同狀況下，瞭解各事件與電壓驟降忍受曲線的相關位置，以判斷敏感性負載是否因而跳脫。
此外，本文亦模擬獨立系統馬達啟動所造成的電壓驟降分析，並在不同的電壓降幅時，分析馬達所消耗的實功率與虛功率大小，建立馬達性負載之數學模型，以供暫態穩定度分析使用。然後模擬含風力發電系統與汽渦輪發電系統的孤島區域有不同的發電與負載狀況，在有無執行卸載，發電機控制及負載頻率控制器時，執行孤島系統之暫態穩定度分析。最後探討含風力發電系統與汽渦輪發電系統的孤島區域，在不同相角差下與電力公司併聯的狀況，藉以求出可供併聯的角度差範圍。本文之執行除可作為分散式電源於配電系統之整體規劃外，更可有效提高電力供應之可靠度與電力品質。

This thesis is to investigate the voltage sag, transient stability and operation feasibility of power islanding with different types of dispersed generation in distribution systems. One radial distribution feeder of Taiwan Power Company (TPC) is selected for computer simulation. The mathematical models of dispersed generations including exciters, governors of steam turbine and frequency controller of wind-driven induction generator are used in the simulation program of Matlab/Simulink. Applying the dispersed generation system with synchronous and induction generators at different locations of the test feeder by executing the short circuit and motor starting analysis to find the discrepancy in the voltage sag and the relation between the motor voltage with the motor power. Finally the simulation analysis of transient stability is executed for unbalance distribution systems with dispersed generations of steam turbines and wind-driven turbines by considering two different operation scenarios after the distribution system has been disconnected from TPC system. Different load and output power control of dispersed generation are applied to maintain the stable operation of the islanding power system. Based on the transient stability analysis, it is suggested that the service reliability of power system with critical loads can be enhanced by the dispersed power generation with proper design of load shedding and output power control.

目 錄
論文摘要 Ⅰ
Abstract Ⅲ
目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅶ
表目錄 ⅩⅢ
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究概要與章節簡述 3
第二章 分散式電源 4
2.1 前言 4
2.2 風力發電系統 5
2.3 汽渦輪發電系統 19
2.4 分散式電源對電力系統之影響 24
第三章 考慮分散式電源之配電饋線電壓驟降分析 30
3.1 前言 30
3.2 電壓驟降定義 30
3.2.1 CBEMA 曲線 31
3.2.2 ITIC 曲線 32
3.2.3 SEMI 曲線 34
3.3 配電饋線併聯分散式電源之短路故障電壓驟降分析 36
3.3.1 配電系統架構 36
3.3.2 事例一：未併聯分散式電源之電壓驟降分析 39
3.3.3 事例二：併聯分散式電源之電壓驟降分析 42
3.3.3.1 分散式電源容量為275kVA 42
3.3.3.2 分散式電源容量為10MVA 48
3.3.3.3 分散式電源容量為20MVA 53
3.4 系統含馬達性負載之電壓驟降分析 59
3.4.1 馬達啟動對孤島系統之電壓驟降影響 59
3.4.2 電壓變化對馬達功率之影響 64
第四章 孤島系統運轉與併聯分析 68
4.1 前言 68
4.2 暫態穩定度定義 68
4.3 含風力發電機組之孤島運轉分析 71
4.4 含汽渦輪發電機之孤島運轉分析 82
4.5 孤島系統與配電系統併聯時機分析 91
第五章 結論及未來研究方向 97
5.1 結論 97
5.2 未來研究方向 99
參考文獻 100
圖 目 錄
圖2.1　全球風力發電裝置容量成長圖 5
圖2.2　風力發電系統之基本架構圖 7
圖2.3　葉片頂端速度比 與功率轉換係數 關係圖 9
圖2.4　可變式與固定式旋翼風力機風速與機械輸出轉矩關係圖 10
圖2.5　風力機組之架構與應用型式 13
圖2.6　感應發電機等效電路圖 15
圖2.7　以Simulink建構之風力系統架構圖 16
圖2.8 風力渦輪特性曲線 17
圖2.9 以Simulink建構風力渦輪方塊圖 17
圖2.10 以Simulink建構同步電容器 18
圖2.11 以Simulink建構之激磁系統 18
圖2.12 以Simulink建構之負載頻率調整器 19
圖2.13 以Simulink建構之負載頻率控制方塊圖 19
圖2.14 工廠與大樓之汽電共生系統 20
圖2.15 蒸汽渦輪機汽電共生 21
圖2.16 以Simulink建構之汽渦輪發電系統架構圖 22
圖2.17 以Simulink建構之汽渦輪機調速系統 23
圖2.18 以Simulink建構速度之控制系統 23
圖2.19 以Simulink建構之四級汽渦輪方塊圖 24
圖2.20 分散式發電加入饋線運轉前後之電壓變動 25
圖2.21 分散式電源與系統電容器之串聯共振電路 27
圖2.22 含分散式電源之配電系統故障電流圖 28
圖2.23 配電系統孤島運轉區域 29
圖3.1 電壓驟降之定義 31
圖3.2 CBEMA特性曲線圖 32
圖3.3 ITIC曲線 34
圖3.4 SEMI F47曲線 35
圖3.5 綜合SEMI F47與ITI所定義之負載對電壓驟降忍受度曲線 36
圖3.6 簡化配電饋線架構圖 37
圖3.7 CO-11過電流保護電驛之動作特性曲線 38
圖3.8 無分散式電源，於B3匯流排故障時(a)饋線口之a相電壓波 形(b)流經CB2之電流波形 40
圖3.9 無分散式電源，於B7匯流排故障時(a)饋線口之a相電壓波 形(b)流經CB2之電流波形 40
圖3.10 事例一 饋線口殘存電壓對故障持續時間曲線圖 41
圖3.11 容量為275kVA之感應發電機分散式電源，於 B3匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 43
圖3.12 容量為275kVA之感應發電機分散式電源，於 B7匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 43
圖3.13 容量為275kVA之感應發電機併聯於 L1饋線時，饋線口殘 存電壓對故障持續時間曲線圖 44
圖3.14 容量為275kVA之同步發電機分散式電源，於 B3匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 45
圖3.15 容量為275kVA之同步發電機分散式電源，於 B7匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 46
圖3.16 容量為275kVA之同步發電機併聯於 L1饋線時，饋線口殘 存電壓對故障持續時間曲線圖 47
圖3.17 容量為10 MVA之感應發電機分散式電源，於 B3匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 48
圖3.18 容量為10 MVA之感應發電機分散式電源，於 B7匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 49
圖3.19 容量為10 MVA之感應發電機併聯於 L1饋線時，饋線口殘 存電壓對故障持續時間曲線圖 50
圖3.20 容量為10 MVA之同步發電機分散式電源，於 B3匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 51
圖3.21 容量為10 MVA之同步發電機分散式電源，於 B7匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 51
圖3.22 容量為10 MVA之同步發電機併聯於 L1饋線時，饋線口殘 存電壓對故障持續時間曲線圖 52
圖3.23 容量為20 MVA之感應發電機分散式電源，於 B3匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 54
圖3.24 容量為20 MVA之感應發電機分散式電源，於 B7匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 54
圖3.25 容量為20 MVA之感應發電機併聯於 L1饋線時，饋線口殘 存電壓對故障持續時間曲線圖 55
圖3.26 容量為20 MVA之同步發電機分散式電源，於 B3匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 56
圖3.27 容量為20 MVA之同步發電機分散式電源，於 B7匯流排故 障時(a)饋線口之a相電壓波形(b)流經CB2之電流波形 57
圖3.28 容量為20 MVA之同步發電機併聯於 L1饋線時，饋線口殘 存電壓對故障持續時間曲線圖 58
圖3.29 含馬達性負載之孤島系統架構圖 59
圖3.30 含感應發電機之孤島系統有190kVA之感應馬達啟動時，B1 匯流排之a相電壓波形 60
圖3.31 含感應發電機之孤島系統馬達啟動所造成之B1匯流排殘存 電壓對持續時間曲線圖 61
圖3.32 含同步發電機之孤島系統有190kVA之感應馬達啟動時，B1 匯流排之a相電壓波形 62
圖3.33 含同步發電機之孤島系統馬達啟動所造成之B1匯流排殘存 電壓對持續時間曲線圖 63
圖3.34 含馬達性負載與分散式電源之配電系統架構圖 64
圖3.35 馬達全載運轉時，不同應用電壓對馬達功率變化關係圖 65
圖3.36 馬達半載運轉時，不同應用電壓對馬達功率變化關係圖 66
圖3.37 馬達輕載運轉時，不同應用電壓對馬達功率變化關係圖 67
圖4.1 發電機接至外部系統之簡易等效線路模型 68
圖4.2 系統穩定度等面積準則 70
圖4.3 含風力發電機組型式分散式電源之配電系統架構圖 71
圖4.4 事例一B1匯流排之電壓變化圖 72
圖4.5 事例一孤島系統頻率響應圖 73
圖4.6 事例一之負載頻率控制器功率變化圖 74
圖4.7 事例一加入負載頻率控制器後B1匯流排之電壓變化圖 74
圖4.8 事例一加入負載頻率控制器後孤島系統頻率響應圖 75
圖4.9 事例二B1匯流排之電壓變化圖 76
圖4.10 事例二孤島系統頻率響應圖 76
圖4.11 事例三未執行卸載之B1匯流排電壓變化圖 77
圖4.12 事例三未執行卸載之系統頻率響應圖 78
圖4.13 事例三執行卸載之B1匯流排電壓變化圖 79
圖4.14 事例三執行卸載之系統頻率響應圖 79
圖4.15 事例三負載頻率控制器之功率變化圖 80
圖4.16 事例三執行卸載並加入負載頻率控制器之B1匯流排電壓變 化圖 81
圖4.17 事例三執行卸載並加入負載頻率控制器之系統頻率響應圖 81
圖4.18 含汽渦輪發電機型式分散式電源之配電系統架構圖 82
圖4.19 事例四B1匯流排之電壓變化圖 83
圖4.20 事例四之系統頻率響應圖 84
圖4.21 事例五B1匯流排之電壓變化圖 85
圖4.22 事例五孤島系統頻率響應圖 85
圖4.23 事例六未執行卸載之B1匯流排電壓變化圖 86
圖4.24 事例六未執行卸載之系統頻率響應圖 87
圖4.25 事例六執行卸載之B1匯流排電壓變化圖 88
圖4.26 事例六執行卸載之系統頻率響應圖 88
圖4.27 事例六執行卸載之發電機電功率響應圖 89
圖4.28 含風力發電機孤島系統與配電系統併聯時，併聯角度差與電 壓差關係圖 92
圖4.29 含風力發電機孤島系統與配電系統併聯時，併聯角度差與併 入電流關係圖 92
圖4.30 含風力發電機之孤島系統併聯成功之三相電流波形圖 93
圖4.31 含風力發電機之孤島系統併聯失敗之三相電流波形圖 93
圖4.32 含汽渦輪發電機孤島系統與配電系統併聯時，併聯角度差與 電壓差關係圖 94
圖4.33 含汽渦輪發電機孤島系統與配電系統併聯時，併聯角度差與 併入電流關係圖 95
圖4.34 含汽渦輪發電機孤島系統併聯成功之三相電流波形圖 95
圖4.35 含汽渦輪發電機孤島系統併聯失敗之三相電流波形圖 96

表 目 錄
表3-1 無分散式電源且饋線發生三相短路故障之故障電流、故障
清除時間與殘存電壓 41
表3-2 容量為275kVA之感應發電機併聯在L1饋線時，饋線發生
三相短路故障之故障電流、故障清除時間與殘存電壓 44
表3-3 容量為275kVA之同步發電機併聯在L1饋線時，饋線發生
三相短路故障之故障電流、故障清除時間與殘存電壓 46
表3-4 容量為10MVA之感應發電機併聯在L1饋線時，饋線發生
三相短路故障之故障電流、故障清除時間與殘存電壓 49
表3-5 容量為10MVA之同步發電機併聯在L1饋線時，饋線發生
三相短路故障之故障電流、故障清除時間與殘存電壓 52
表3-6 容量為20MVA之感應發電機併聯在L1饋線時，饋線發生
三相短路故障之故障電流、故障清除時間與殘存電壓 55
表3-7 容量為20MVA之同步發電機併聯在L1饋線時，饋線發生
三相短路故障之故障電流、故障清除時間與殘存電壓 57
表3-8 含感應發電機之孤島系統不同容量馬達啟動所造成之電壓
降及持續時間 61
表3-9 含同步發電機之孤島系統不同容量馬達啟動所造成之電壓
降及持續時間 63
表4-1 負載量小於發電量 90
表4-2 負載量等於發電量 90
表4-3 負載量大於發電量 90

參考文獻
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