太阳能发电系统对离岛电网的影响分析

赵圆元

摘 要：本文主要研究离岛电网装置太阳能发电时，若其瞬间跳脱后，对离岛电网稳定性的影响。文中选择澎湖列岛作为研究对象，首先搜集其电网架构、发电设备与负载资料，据此建立电网单线图与相关发电机控制模型。接着进行太阳能发电系统稳态运转的负载潮流分析与瞬时跳脱的瞬时稳定度分析，检查发电机的瞬时响应与系统电压及频率等变量。最后，探讨太阳能发电系统对系统临界清除时间的影响。

关键词：太阳能发电；离岛电网；瞬时稳定度；临界清除时间

前言

对风力与太阳能发电系统而言，因为受到风速与日照度等气候环境因素的影响，其发电状况不甚稳定，例如在晴而多云的日子，云层阻挡太阳的时候，会使得日照度瞬间的快速变化，也将导致太阳能发电系统（PV）发电量剧烈变化。当这种类型的再生能源占比逐渐增加时，其间歇发电的特性对较弱或者小岛型电网势必造成极大的冲击，对电网的频率、电压与发电机输出皆会产生严重扰动，如果规划或操作不当，甚至会导致主要发电机组跳脱，造成全岛停电的状况。

沿海有许多远离陆地的小岛，这些小岛型独立电网目前皆以柴油發电机发电机组为主，除了会引起环境污染，增加CO2排放外，由于燃油昂贵，每年更是造成电力公司严重的亏损。因此，可依照各岛屿的天然环境、地理条件及产业情况，分别规划不同的再生能源。当再生能源发电运用于这些独立小型的电网时，须进行再生能源并网的冲击分析，以确认再生能源发电并接于后对电网可能的冲击。

一、澎湖本岛电网架构

本文选择澎湖本岛为研究对象，图1所示为其电网单线图。尖山电厂的原动机以柴油机为主，又分为一期及二期柴油机组。第一期柴油机组共有4部，以重油为燃料。尖山电厂发电机所输出的端电压为13.8kV，由主线路连接至主变压器并升压到69kV，接着并入汇流排后再分别输出。其中一路连接至湖西变电所降压为配电电压11.4kV，以供负载端和发力发电机并接；而另一路则经由两条长度12km的69kV传输线连接至马公变电所，并降压为配电电压11.4kV，提供用户使用。本研究的太阳能发电厂容量497kWp，以高压外线方式并接于台电公司湖西S/S#1主变压器的RH03竹湾馈线，馈线在尖峰的负载量为411kW，离峰的负载量为54kW。

执行电网瞬时分析须考虑发电机组的激磁系统与调速系统，当电网遭受干扰如发生故障或负载变动时，造成系统供需不平衡，因而导致系统频率变动，发电机转子则有加速或减速运动的现象，此时则靠调速机控制机械能的输入以维持机组的转速。尖山电厂第一期柴油机组调速机为WoodwardUG-40型，有两种运转模式：负载追随（Droop）和频率调节（Isochronous），本文采用PSS/E所提供的调速机DEGOV1模型模型。第二期柴油机组调速机为WoodwardPG-200型，共有三种运转模式，分别为负载追随、频率调节和定载。本研究采用调速机DEGOV模型，并采用尖山电厂目前实际的运转方式，以第一期机组设定负载追随模式运转，二期机组设定频率调节模式运转。

二、瞬时稳定度分析

本节考虑系统在离峰时，太阳能发电跳脱，以检查其对系统电压、频率与发电机的影响。图3与图2第一部分为太阳能发电（497kW）在0.1秒跳脱事件的系统频率与电压响应曲线图，图2第二部分与图2第三部分为不同发电机组的机械功率响应曲线图，由图可以看出，系统各项变量皆不大，系统最低频率59.747Hz。尖山L总线与PV总线电压皆不大。此外，各发电机的机械功率变化也不明显。

三、临界清除时间分析

本节考虑系统在尖峰，有、无太阳能发电时，在尖山L（6991）总线发生三相短路接地故障，以检查有、无太阳能发电对临界故障清除时间的影响。假设系统在0.1秒时，在没有太阳能发电系统且尖山L（6991）总线发生三相短路接地故障，并在0.77秒时清除故障，图3前部分为在0.77秒时清除故障的各发电机转子角度响应曲线图，图3后部分为在0.78秒时清除故障的各发电机转子角度响应曲线图，由图可知道，图7为稳定的事例而图8为不稳定的事例，所以临界故障清除时间约为0.67秒。若定义临界清除角度180度，图4为在0.71秒时清除故障的各发电机转子角度响应曲线图，所以临界故障清除时间为0.61秒。

接着执行有太阳能发电系统的临界故障清除时间分析，由于此一太阳能发电系统只有497kW，对临界故障清除时间没有影响，故不再详述。

结论

本文采用PSS/E软件进行负载潮流与瞬时稳定度分析，综合上面所执行的检讨，可知道系统在尖、离峰的负载潮流皆维持在正常供电范围。此外，太阳能发电系统跳脱时，对系统频率、电压与发电机功率的影响极微。且不论如何定义发电机临界角度，此一太阳能发电系统的运转并不会影响原系统的临界清除时间。

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