太陽能發電系統對離島電網的影響分析

趙圓元

摘 要：本文主要研究離島電網裝置太陽能發電時，若其瞬間跳脫后，對離島電網穩定性的影響。文中選擇澎湖列島作為研究對象，首先搜集其電網架構、發電設備與負載資料，據此建立電網單線圖與相關發電機控制模型。接著進行太陽能發電系統穩態運轉的負載潮流分析與瞬時跳脫的瞬時穩定度分析，檢查發電機的瞬時響應與系統電壓及頻率等變量。最后，探討太陽能發電系統對系統臨界清除時間的影響。

關鍵詞：太陽能發電；離島電網；瞬時穩定度；臨界清除時間

前言

對風力與太陽能發電系統而言，因為受到風速與日照度等氣候環境因素的影響，其發電狀況不甚穩定，例如在晴而多云的日子，云層阻擋太陽的時候，會使得日照度瞬間的快速變化，也將導致太陽能發電系統（PV）發電量劇烈變化。當這種類型的再生能源占比逐漸增加時，其間歇發電的特性對較弱或者小島型電網勢必造成極大的沖擊，對電網的頻率、電壓與發電機輸出皆會產生嚴重擾動，如果規劃或操作不當，甚至會導致主要發電機組跳脫，造成全島停電的狀況。

沿海有許多遠離陸地的小島，這些小島型獨立電網目前皆以柴油發電機發電機組為主，除了會引起環境污染，增加CO2排放外，由于燃油昂貴，每年更是造成電力公司嚴重的虧損。因此，可依照各島嶼的天然環境、地理條件及產業情況，分別規劃不同的再生能源。當再生能源發電運用于這些獨立小型的電網時，須進行再生能源并網的沖擊分析，以確認再生能源發電并接于后對電網可能的沖擊。

一、澎湖本島電網架構

本文選擇澎湖本島為研究對象，圖1所示為其電網單線圖。尖山電廠的原動機以柴油機為主，又分為一期及二期柴油機組。第一期柴油機組共有4部，以重油為燃料。尖山電廠發電機所輸出的端電壓為13.8kV，由主線路連接至主變壓器并升壓到69kV，接著并入匯流排后再分別輸出。其中一路連接至湖西變電所降壓為配電電壓11.4kV，以供負載端和發力發電機并接；而另一路則經由兩條長度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。本研究的太陽能發電廠容量497kWp，以高壓外線方式并接于臺電公司湖西S/S#1主變壓器的RH03竹灣饋線，饋線在尖峰的負載量為411kW，離峰的負載量為54kW。

執行電網瞬時分析須考慮發電機組的激磁系統與調速系統，當電網遭受干擾如發生故障或負載變動時，造成系統供需不平衡，因而導致系統頻率變動，發電機轉子則有加速或減速運動的現象，此時則靠調速機控制機械能的輸入以維持機組的轉速。尖山電廠第一期柴油機組調速機為WoodwardUG-40型，有兩種運轉模式：負載追隨（Droop）和頻率調節（Isochronous），本文采用PSS/E所提供的調速機DEGOV1模型模型。第二期柴油機組調速機為WoodwardPG-200型，共有三種運轉模式，分別為負載追隨、頻率調節和定載。本研究采用調速機DEGOV模型，并采用尖山電廠目前實際的運轉方式，以第一期機組設定負載追隨模式運轉，二期機組設定頻率調節模式運轉。

二、瞬時穩定度分析

本節考慮系統在離峰時，太陽能發電跳脫，以檢查其對系統電壓、頻率與發電機的影響。圖3與圖2第一部分為太陽能發電（497kW）在0.1秒跳脫事件的系統頻率與電壓響應曲線圖，圖2第二部分與圖2第三部分為不同發電機組的機械功率響應曲線圖，由圖可以看出，系統各項變量皆不大，系統最低頻率59.747Hz。尖山L總線與PV總線電壓皆不大。此外，各發電機的機械功率變化也不明顯。

三、臨界清除時間分析

本節考慮系統在尖峰，有、無太陽能發電時，在尖山L（6991）總線發生三相短路接地故障，以檢查有、無太陽能發電對臨界故障清除時間的影響。假設系統在0.1秒時，在沒有太陽能發電系統且尖山L（6991）總線發生三相短路接地故障，并在0.77秒時清除故障，圖3前部分為在0.77秒時清除故障的各發電機轉子角度響應曲線圖，圖3后部分為在0.78秒時清除故障的各發電機轉子角度響應曲線圖，由圖可知道，圖7為穩定的事例而圖8為不穩定的事例，所以臨界故障清除時間約為0.67秒。若定義臨界清除角度180度，圖4為在0.71秒時清除故障的各發電機轉子角度響應曲線圖，所以臨界故障清除時間為0.61秒。

接著執行有太陽能發電系統的臨界故障清除時間分析，由于此一太陽能發電系統只有497kW，對臨界故障清除時間沒有影響，故不再詳述。

結論

本文采用PSS/E軟件進行負載潮流與瞬時穩定度分析，綜合上面所執行的檢討，可知道系統在尖、離峰的負載潮流皆維持在正常供電范圍。此外，太陽能發電系統跳脫時，對系統頻率、電壓與發電機功率的影響極微。且不論如何定義發電機臨界角度，此一太陽能發電系統的運轉并不會影響原系統的臨界清除時間。

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