太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)離島電網(wǎng)的影響分析

趙圓元

摘 要：本文主要研究離島電網(wǎng)裝置太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)，若其瞬間跳脫后，對(duì)離島電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。文中選擇澎湖列島作為研究對(duì)象，首先搜集其電網(wǎng)架構(gòu)、發(fā)電設(shè)備與負(fù)載資料，據(jù)此建立電網(wǎng)單線圖與相關(guān)發(fā)電機(jī)控制模型。接著進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載潮流分析與瞬時(shí)跳脫的瞬時(shí)穩(wěn)定度分析，檢查發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)響應(yīng)與系統(tǒng)電壓及頻率等變量。最后，探討太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)臨界清除時(shí)間的影響。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能發(fā)電；離島電網(wǎng)；瞬時(shí)穩(wěn)定度；臨界清除時(shí)間

前言

對(duì)風(fēng)力與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)而言，因?yàn)槭艿斤L(fēng)速與日照度等氣候環(huán)境因素的影響，其發(fā)電狀況不甚穩(wěn)定，例如在晴而多云的日子，云層阻擋太陽(yáng)的時(shí)候，會(huì)使得日照度瞬間的快速變化，也將導(dǎo)致太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)（PV）發(fā)電量劇烈變化。當(dāng)這種類型的再生能源占比逐漸增加時(shí)，其間歇發(fā)電的特性對(duì)較弱或者小島型電網(wǎng)勢(shì)必造成極大的沖擊，對(duì)電網(wǎng)的頻率、電壓與發(fā)電機(jī)輸出皆會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，如果規(guī)劃或操作不當(dāng)，甚至?xí)?dǎo)致主要發(fā)電機(jī)組跳脫，造成全島停電的狀況。

沿海有許多遠(yuǎn)離陸地的小島，這些小島型獨(dú)立電網(wǎng)目前皆以柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)組為主，除了會(huì)引起環(huán)境污染，增加CO2排放外，由于燃油昂貴，每年更是造成電力公司嚴(yán)重的虧損。因此，可依照各島嶼的天然環(huán)境、地理?xiàng)l件及產(chǎn)業(yè)情況，分別規(guī)劃不同的再生能源。當(dāng)再生能源發(fā)電運(yùn)用于這些獨(dú)立小型的電網(wǎng)時(shí)，須進(jìn)行再生能源并網(wǎng)的沖擊分析，以確認(rèn)再生能源發(fā)電并接于后對(duì)電網(wǎng)可能的沖擊。

一、澎湖本島電網(wǎng)架構(gòu)

本文選擇澎湖本島為研究對(duì)象，圖1所示為其電網(wǎng)單線圖。尖山電廠的原動(dòng)機(jī)以柴油機(jī)為主，又分為一期及二期柴油機(jī)組。第一期柴油機(jī)組共有4部，以重油為燃料。尖山電廠發(fā)電機(jī)所輸出的端電壓為13.8kV，由主線路連接至主變壓器并升壓到69kV，接著并入?yún)R流排后再分別輸出。其中一路連接至湖西變電所降壓為配電電壓11.4kV，以供負(fù)載端和發(fā)力發(fā)電機(jī)并接；而另一路則經(jīng)由兩條長(zhǎng)度12km的69kV傳輸線連接至馬公變電所，并降壓為配電電壓11.4kV，提供用戶使用。本研究的太陽(yáng)能發(fā)電廠容量497kWp，以高壓外線方式并接于臺(tái)電公司湖西S/S#1主變壓器的RH03竹灣饋線，饋線在尖峰的負(fù)載量為411kW，離峰的負(fù)載量為54kW。

執(zhí)行電網(wǎng)瞬時(shí)分析須考慮發(fā)電機(jī)組的激磁系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)遭受干擾如發(fā)生故障或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，造成系統(tǒng)供需不平衡，因而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率變動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子則有加速或減速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，此時(shí)則靠調(diào)速機(jī)控制機(jī)械能的輸入以維持機(jī)組的轉(zhuǎn)速。尖山電廠第一期柴油機(jī)組調(diào)速機(jī)為WoodwardUG-40型，有兩種運(yùn)轉(zhuǎn)模式：負(fù)載追隨（Droop）和頻率調(diào)節(jié)（Isochronous），本文采用PSS/E所提供的調(diào)速機(jī)DEGOV1模型模型。第二期柴油機(jī)組調(diào)速機(jī)為WoodwardPG-200型，共有三種運(yùn)轉(zhuǎn)模式，分別為負(fù)載追隨、頻率調(diào)節(jié)和定載。本研究采用調(diào)速機(jī)DEGOV模型，并采用尖山電廠目前實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，以第一期機(jī)組設(shè)定負(fù)載追隨模式運(yùn)轉(zhuǎn)，二期機(jī)組設(shè)定頻率調(diào)節(jié)模式運(yùn)轉(zhuǎn)。

二、瞬時(shí)穩(wěn)定度分析

本節(jié)考慮系統(tǒng)在離峰時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電跳脫，以檢查其對(duì)系統(tǒng)電壓、頻率與發(fā)電機(jī)的影響。圖3與圖2第一部分為太陽(yáng)能發(fā)電（497kW）在0.1秒跳脫事件的系統(tǒng)頻率與電壓響應(yīng)曲線圖，圖2第二部分與圖2第三部分為不同發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功率響應(yīng)曲線圖，由圖可以看出，系統(tǒng)各項(xiàng)變量皆不大，系統(tǒng)最低頻率59.747Hz。尖山L總線與PV總線電壓皆不大。此外，各發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率變化也不明顯。

三、臨界清除時(shí)間分析

本節(jié)考慮系統(tǒng)在尖峰，有、無太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)，在尖山L（6991）總線發(fā)生三相短路接地故障，以檢查有、無太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)臨界故障清除時(shí)間的影響。假設(shè)系統(tǒng)在0.1秒時(shí)，在沒有太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)且尖山L（6991）總線發(fā)生三相短路接地故障，并在0.77秒時(shí)清除故障，圖3前部分為在0.77秒時(shí)清除故障的各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度響應(yīng)曲線圖，圖3后部分為在0.78秒時(shí)清除故障的各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度響應(yīng)曲線圖，由圖可知道，圖7為穩(wěn)定的事例而圖8為不穩(wěn)定的事例，所以臨界故障清除時(shí)間約為0.67秒。若定義臨界清除角度180度，圖4為在0.71秒時(shí)清除故障的各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度響應(yīng)曲線圖，所以臨界故障清除時(shí)間為0.61秒。

接著執(zhí)行有太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的臨界故障清除時(shí)間分析，由于此一太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)只有497kW，對(duì)臨界故障清除時(shí)間沒有影響，故不再詳述。

結(jié)論

本文采用PSS/E軟件進(jìn)行負(fù)載潮流與瞬時(shí)穩(wěn)定度分析，綜合上面所執(zhí)行的檢討，可知道系統(tǒng)在尖、離峰的負(fù)載潮流皆維持在正常供電范圍。此外，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)跳脫時(shí)，對(duì)系統(tǒng)頻率、電壓與發(fā)電機(jī)功率的影響極微。且不論如何定義發(fā)電機(jī)臨界角度，此一太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)并不會(huì)影響原系統(tǒng)的臨界清除時(shí)間。

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