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风力发电并网与电力品质问题探讨 |
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作者：谢文考 吴元康 黄永清 |
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面对煤炭及石油等石化燃料日益枯竭的威胁，风能与太阳能等可再生能源已在全球受到极大的重视。其中，风力发电是新能源中技术最成熟的、最具商业化发展前景的可再生能源之一。全球许多国家早已认识到风力发电在调整能源结构、舒缓环境污染等方面的重要性，因此争相发展风能，包括德国、丹麦、西班牙、美国等。而在亚洲，印度、日本，以及中国近年来也大力装设风机，积极提高风力发电占比。根据全球风能协会（GWEC）2007年的报告[1]，目前全球风机装置容量前五名的国家包括德国（22.3GW）、美国（16.8GW）、西班牙（15.1GW）、印度（7.8GW），以及中国（5.9GW）。以美国为例，在2007年一年当中便装设了5,244MW，装置容量成长了45%，是全球新装设风机容量成长最高的国家。美国预计在2008年所有风场将提供四百八十亿度电，约占全美1%的用电量。GWEC预计在2009年美国将可能取代德国成为全球风力装机容量最多的国家。另一个近期大力发展风力的国家是中国，中国在2007年一年中新增加约3,304MW的风机容量，较2006年成长了145%，中国再生能源工业协会（CREIA）预测到2015年总装置容量可达50GW。伴随风力发电占比的提高，中国风能相关产业也快速成长，两大风机制造商（Gold Wind与Sinovel）目前已能独立提供42%中国的风机架设。根据GWEC的预测，在2012年以前，全球风机装置容量将可达到240GW，约供应全球电力的3%。
伴随着风力发电技术在世界各国不断的发展，其发展趋势有以下几大特点：
（1）总装置容量大幅度成长。
（2）发电机单机容量不断扩大，做为提高风能利用率与发电效益的有效途径。例如发电机单机容量从1997年的500~750kW主流机型发展至目前3.6MW机组的大量安装。
（3）离岸式风场逐步商业化。由于海上风场具有风速高、风力稳定等优点，因此可以有效利用风力发电机组的发电容量。2002年丹麦在Horns Rev海域建置16万kW的世界上最大的海上风电场，展开隔离式风场的世纪。
（4）风力发电成本不断降低。虽然风力发电建设投资成本较高，但是营运成本低。
风力发电是一项综合性的高科技技术，牵涉电力工程、控制技术、结构力学、材料科学及气象学等多学科与跨领域学门。由于风力机组大型化的趋势导致制造技术难度不断提高，因此许多基础研究必须深入探讨。举例而言，为了大力发展风力发电，首先必须进行基础性的观测试验研究，在收集、整理各地风速及风向数据的基础上建立风能数据库。此外，应利用所量测的风速，建立数学模型进行风场数值模拟以及风力预测，以期对风能资源进行更精确合理的评估。在发电机与控制系统的设计上，更是发展风能相当重要的关键技术。依据风力机叶片运转速度，可分为定速定频发电机系统与变速定频系统，其中定速发电系统较简单，在早期风力发电系统中得到广泛的应用。然而在定速运行中，当风速跃升时，巨大的风能通过叶片传递给机械元件，将产生很大的机械应力，势必需要强度较高的机械零件，因此导致机组零件尺寸较大，重量加大，成本上升，塔架设计难度大。而变速风力机组与定速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于低风速时它能够根据风速变化，保持最佳速度运行以获得最大风能，而在高风速时利用叶片转速的变化，储存或释放部分能量。提高转动系统的柔性，有利于减少机械应力，对零件所需的刚度、强度等指标的要求均可下降，因此在更大容量的风力发电系统中，变速风力发电机组有可能取代定速风力发电机组成为未来的主力机型。特别是一些变速风力发电机组采用了高功率因数的换流器技术，有效地解决了谐波和低功率因数等问题。
在风机控制技术上，首要著重于维持风力发电机组的最佳运转状态，也就是当风速变化时，如何控制及调节叶片转速，使期达到风力机的最大功率因数，先进的控制器应能保证高能量转换效率及减少叶片主轴疲劳负荷。经典的设计方法是将风力机的运行范围划分为若干区间，在每个区间都设计一个相对应的最佳化控制器，当风力发电机组运行进入该区间时，就切换到相应的控制器。然而控制器切换时可能会引起发电机组负荷的波动，因此，变速风力发电的建模与控制是值得深入研究的课题，如利用人工智慧来提供最佳化的控制策略等。
由于风能具有间歇性与不可调度的特点，高占比的风力发电于并接系统后将对系统安全及品质造成一定的冲击，例如使用非同步风力机将从系统吸收无效功率，对电网的电压、稳定性造成一定程度的影响。因此，研究风力并网的运行特性以及改善其运行的稳定性是风力发电技术中重要的课题，特别面对高占比风力发电的时代，这些议题必须深入探讨。本文将首先整理目前高占比风力并网在美国的实际经验以及解决的对策，作为研究目前台湾风力架设对电力品质的实际影响，并以实际案例的结果进行分析的参考，并期望对台湾本岛某区域或离岛发展高占比风力发电有正面的帮助。
风力发电机组并网相关问题
目前风力发电机已朝向大容量化发展，因此各级不同容量的风力发电机组，必须引接至适当电压层级，若以容量计大致可分为两类，大型风场接至输电系统；个别风力发电机组或小型风场的组合发电系统则并接至配电系统。当风机并接至配电系统时，重要的研究课题包括电压调节、谐波污染、电压闪烁及故障电流等；而并接至输电系统时，另尚须考量虚功补偿、稳定度及备转容量等的需求。另外，当风力发电量所占比例占当地发电系统某一比例时，除一般常考虑对系统各种操作成本所产生的影响外，在技术层面上，根据美国风场近年的运转经验中发现，系统虚功补偿问题、弱电网并接架构、以及传输容量限制将是三大主要须克服的技术问题。本文除简单叙述一般风力发电机及风场对电力品质的影响外，将特别针对美国加州及德州的风力发电经验，分析发展风力发电其所面临的技术问题以及相关的解决对策。
（一）风力发电机并网问题
风力发电机并联电网的特性相当重要，其不可对电网造成电力品质及安全性等方面的危害，因此风力发电机并联时须符合相关法规的限制，以保持相关特性于限制值之内，藉由量测风力发电机所造成的电网响应，可以用于决定何处可并接风力发电机及是否可符合规范限制要求。而应该量测哪些资讯呢？就风力发电机电力品质的量测准则及要求而言，目前国际间均依照IEC 61400-21标准规范来进行量测[2]，其主要说明风力发电机电力品质量测及评估的方法，该标准中也说明风力发电机组量测的程序及测试条件，以确认风机在运转时的电力品质参数特性。
欧洲地区如丹麦、德国及苏格兰等国均有风力发电的并网规范[3-5]，重点着重于输电系统，内容包括实功率摈、频率范围及控制、电压、保护、模型建构与验证及通讯等议题。而台电公司再生能源并联技术要点中，有关运转规范方面，主要规范的内容包括故障电流、电压变动、系统稳定度、功率因数、谐波管制、调度与通讯及系统解联等。国内风力发电系统申请并网时，系统冲击分析要求与国外相似，有关电力品质的内容主要包括：（1）稳态及切换运转时的电压变动；（2）谐波；（3）功率因数；（4）电压闪烁等，各国的规范值会有所不同，主要依据各国电力系统特性、相关运转经验及输配电系统运转者的政策等，皆会有所影响。订定并联法规的目的，为避免当分散式或再生能源发电设备与电网连结时，造成电力系统安全、可靠度及电力品质的不良影响，法规订定必须兼顾合理性，不可太严格或宽松，否则将阻碍再生能源的发展，也因此目前各国并联法规仍持续修正当中。
（二）风力发电面临的技术问题及解决对策
1．美国加州风力发电经验[6]
美国大规模的风场建置始于1982—1986年间于加州地区。这些风力发电的建置诱因主要归功于电力收购合约（Power Purchase Agreement）以及联邦政府的奖励措施。实际上加州针对再生能源的发展及降低温室效应的努力在美国属于领先的地位。目前加州大约具有6,000MW的再生能源装置容量（包括风力、太阳能及其他再生能源），在2006年，这此再生能源总共贡献加州用户高达二千一百万瓦小时的电力，这相当于加州11%的负载需求。为了提升加州使用再生能源的电力，州政府已提出在2010年底，再生能源电力必须供应20%的负载供电，因此近年来也执行许多再生能源并网的研究计划。
加州拥有三处主要的风源地区，分别在Altament、San Gorgonio以及Tehachapi：其中前两个地区座落于加州负载中心，临近500kV变电所，而加州最大风场Tehachapi却仅以66kV传输线连接至加州南北主干线，形成较弱的电网并接架构。在1982—1985年风场建置的期间中，主要的技术考量点在于当发生孤岛独立运转时，造成风场内部所需的VAR遭受严重的限制（有效的VAR供应及管理可控制网路电压及稳定度，并可提升电力品质）。此外，由于当时风机的制造技术以及架设地点的选择均不理想，因此发电效率极差，在1986年，风机装置容量超过300MW的南加州电力公司在尖峰发电量上仅出力125MW左右。自1986至1991年，美国风能工业的技术逐步提升但也遭遇风力发电成本的经济挑战。在此期间，许多风机制造商破产或是合并，然而由于风机性能的稳定性提高，至1991年时，风力尖峰输出已提升至185MW。
在1996—1997年间，加州部分风机已从25kW—65kW容量汰换成500-600kW风机，且风机架设点也经过较佳的评估，并且已建立提高风机支架高度来取得较稳定风能的概念。从此之后，加州风机装置容量及尖峰发电量逐年大幅提升。除了风机装置容量的提升，加州也从1999年至2002年逐步增加线路传输容量，除了增建传输线之外，也增加提供风场VAR的装置，这对于传输容量的提升相当有效。
虽然加州风场在某些时段能操作于满载，但在2001年的容量因数（capacity factor）仍仅27%，研究显示若能增加100MW的风能及储能装置，可将容量因数提升至41%，因此在加州San Gorgonio地区已装设大型电池储能系统，用以提升风力容量因数。加州经验证明，若能结合风力及储能系统，将可有效调配风力输出，并可充分使用输电线路。
加州风场在运行过程中，最重要的技术问题是电压调节问题。在加州Tehachapi风场，拥有超过300MW的风能，但当地负载却仅有80MW，由实际的运转经验发现，经由虚功（VAR）供应来控制电压在当地是相当重要的课题。Tehachapi地区曾发生缺少VAR供应而造成电压崩溃与系统不稳定的状况。但目前已藉由增加VAR供应与增设输电线路而获得改善。
Tehachapi风场是典型较弱的电网并接架构，一般弱电网（weak grid）定义为所并接的感应机额定容量超过15%并接系统的短路容量。Tehachapi风场的尖峰发电量约310MW而并接线路的短路容量约为560MW，由此可见它确实是相当弱的并网架构，此种弱电网架构并不易传输VAR。当长距离的输电线满载时，可视为一等效电感，这种性质将冲击弱电网而可能造成电压崩溃。这些情况Tehachapi风场都曾经历过。
加州风场也遭遇到自激式（self-excited）感应风机的电压控制问题。一般自激式感应风机连接电容器以提供自动激磁功能，电容量大小决定操作点的电压等级。电容愈大，则电压愈高。在正常临界虚功供应下，当风机增加则电网电压下降。在实际系统中可使用闸流体控制电容来改善感应机的电压调节能力。
在Tehachapi电网操作风机P-Q特性曲线如图1所示。由图中可知，若风机具备虚功控制，将可大幅降低虚功的大小。图中曲线（1）为早期控制系统，为传统无载VAR控制且无有效的维护。曲线（2）为相同风场所输出P与Q的关系，但控制系统具有效的维护。而曲线（3）具有改良式的VAR控制，包括加入电容器组以提供局部VAR供应。依据Tehachapi风场的经验，藉由改进虚功控制，已有效提高当地的传输容量。值得注意的，当所增加的虚功能力提高后，电容器组必须快速切离以避免感应机饱和。
VAR供应的冲击对高阻抗电网较大，换言之，弱电网（相对阻抗较高）对于VAR的影响较大，一般可预测VAR的改变对电压的影响，如下式所示：
电压变化（%）=  由以上讨论可知支援感应机的VAR供应将提高系统特性以及降低操作成本。然而VAR供应源架设的位置对系统特性有很大的影响，如图2所示。支援虚功电容器的放置位置将对当地电压产生不同的影响，如风机案例（a）的位置，由于VAR供应有限，因此风机输出产生1.8%电压降。然而在风机案例（b）的位置，因为虚功补偿充足，因此发电机输出电压上升3.7%。此一例子也显示出虚功补偿分别在弱电网及强电网对于电压的影响。
在加州风场运行经验中，虽然加入电容器可提供有效的虚功补偿，然而必须谨慎设计电容器以防止谐波及谐波共振的问题。共振产生于当并接点的线路等效电感等于并接电容，常发生共振谐波的频率为第三、五、七次谐波。此外，切换电容器开关的电力电子装置也容易产生谐波问题，因此必须装设监控系统来连续观测系统的电力品质。
传统电力系统模拟工具较无风力感应机的精确模型，因此Tehachapi风场在过去的模拟分析中常有不正确的结果，同样在德州及明尼苏达州也曾遭遇这样的技术问题，因此促使美国在风机模型的建构上进行更进一步研究。目前包括系统分析软体PSS/E及PSLF在风机模型的建立上已获得相当程度的改善。
早在1991年，加州Tehachapi风场已在重要线路点上架设简单的FACTS元件，其容量为14.4Mvar。它包含12-steps闸流体开关控制电容器、抑制电感器、以及二阶（2-steps）变压器。此一虚功补偿装置提供良好的电压控制及改善系统稳定度，然而它却曾发生系统共振问题。因此从这些实际的运转经验，似乎虚功补偿的装设应广泛分散于系统中而不是集中于某一区域。加州Tehachapi风场于是装设分散式虚功补偿器并采用中央控制，目前获得不错的成效。除加州外，美国Foot Creek、Wyoming、Minot及North Dakota等地风场也加装FACTS模组来解决弱电网并接所不足的虚功问题。这些FACTS模组使用IGBT转换器及电容器组以快速供应及控制虚功，他们的优点是能在非常大的电压范围内提供范围大的虚功补偿。
2．美国德州风力发电经验[7]
美国德州的风能涵盖范围很广，而负载中心集中于东半部。在2004年德州的风力装置容量为1,293MW，德州建置风力的诱因起因于再生能源标准（Renewable Portfolio Standard）的施行以及风能经济的提升，表1为2004年德州风力系统的现况以及2012年的风力占比目标。
德州的年负载曲线与台湾相近，尖峰负载大都发生于七、八月间，而冬天负载量低，然而风速分布刚好相反，因此风能与负载并无法相互搭配。由于德州的风机大都架设于西部地区，必须经过长距离的输送至东部的负载中心，因此常发生传输容量限制问题，导致风能利用的降低。此外，当处于离峰时段，风机常因传输容量限制而必须切离系统，有时甚至损失20%-30%的风力。于是德州已持续建造138kV及345kV输电线路，以期增加因应风力电场所需的传输容量。除了面临传输容量不足的挑战外，德州系统也缺乏可控虚功电源容量并衍生电压及暂态稳定度的问题。由于缺乏虚功补偿，常导致当轻载时电压过高。一般风场由于感应机的特性需要额外的虚功补偿，德州系统已要求风力发电业者拥有提供额外虚功补偿的能力，一般作法包括采用同步机做为Must Run机组，提供辅助虚功，或是架设额外的电容器组。除了传输容量及虚功补偿问题外，德州也建立所装设风机型式的等效模型，用来执行风场并接系统的稳定度分析。针对未来输电线路扩增计划，德州也进行多项方案的评估，在考虑传输容量、电压及暂态稳定度特性，以及可靠度的因素下，分别对不同电压等级以及直流传输系统进行评估。研究结果指出目前以扩增345kV输电线为最小成本，但若将来考量GW风力输出则须考虑765kV输电系统。在虚功控制部分，德州风场目前已要求风机业者提供虚功及电压控制，以使输出功因维持在0.95超前至落后的范围内。
风力发电远端电力品质监测系统建置
（一）风力发电厂监测系统架构及功能
本文针对国内北部地区某一风力发电厂（简称甲风力发电厂）的双馈型风力发电机组，利用风力发电监测系统线上监测电力品质，搜集电力品质的相关资料及分析。目前量测的风力发电厂共设置20部风力发电机组，系采用美国GE 1.5s/se的风力发电机，每部高度64.7公尺，各具有3个叶片，每部机组装置容量达1,500kW，其机组规格如表2所示，输出特性如图3所示。
甲风力发电厂监测系统是由远端电力品质监录模组与中央监控站伺服模组所组成，远端电力品质监录模组放置于甲风力发电厂12~14号风力发电机的电气室，再将所搜集到的资料透过ADSL传送至设置在工研院能环所的中央监控站伺服模组储存，其伺服模组可对远端电力品质监测模组做即时监测、参数修改或资料分析等作业。甲风力发电厂所需引接电压信号点与电流信号点的单线示意图如图4所示，监测点分别为12号风机所使用的变压器低压测，12~14号三台风力发电机共同并接的汇流排端，由这些监测点可以获得所需的监测资料。将甲风力发电站所撷取到的数据汇集成资料库，透过软体做电力的分析，得到风力发电机的运转记录，并能够记录下异常状况发生时的资讯，使用者能够浏览即时电气量、或是短期与长期资料等历史记录，藉以观察一天内某个区间或完整一天的电气量变化趋势、骤降事故动态资料的分析与进行骤降记录的维护等。
（二）甲风力发电厂的输出电力品质
本次于甲风力发电厂进行风力发电机组相关参数量测，主要是希望藉由单一风机量测到的电力品质参数，去了解风机的运转行为，并可藉此验证所建立风机模型的正确性。同时，也想藉由三组风机组成的小型风场量测到的电力品质参数，与单一风机的电力品质参数进行分析。甚而，在未来会在责任分界点上量测整个风场的电力品质参数，藉此判断其是否符合再生能源发电系统并联技术要点的相关规范要求。藉由了解各个阶段的电力品质特性，期望能有利于未来系统冲击的分析。本次单一风机的部分，已完整监测与搜集12号风机输出的三相电压、三相电流、频率、视在功率、实功率、虚功率、功率因数、风速、谐波、电压闪烁以及电压变动等资料。在小型风场的部分，12~14号风机组成小型风场的监测与搜集参数同12号风机。因篇幅关系，本文仅提出甲风力发电厂12号发电机组输出端监测点电力品质的量测资讯。由于风力发电系统监测资料很多，所以只取完备的监测资料，监测资料的日期在2007年7月11日至2007年8月4日。
「台湾电力股份有限公司再生能源发电系统并联技术要点」（2008年草案），主要是在规范再生能源发电设备与台电电力系统并联时，双方在责任分界点共同维持电力系统的品质、供电可靠度、稳定性、公共安全等相关事宜，本文仅就电力品质相关的部分做说明。频率的部分，发电机组应装设高、低频电驿，高频电驿跳脱设定值不得低于61Hz，低频电驿跳脱设定值不得高于58Hz。功率因数的部分，并接于22.8kV以下的配电系统的发电厂，责任分界点的功率因数运转原则是不论日间、深夜、例假日、固定假日及春假等期间都须维持在100%。谐波的部分，谐波污染限制依照「电力系统谐波管制暂存标准」规定，在3.3kV~22.8kV的系统中，自备发电设备的用户，用户注入其责任分界点的总谐波电流的限制值一律为5%。在3.3kV~22.8kV的系统中，用户责任分界点的谐波电压为5%。电压变动的部分，发电设备并接台电系统，在含同一变电所已并网电源的影响下，平时的电压变动率应维持在±2.5%以内。电压闪烁的部分，电压闪烁限制应依照台电「电压闪烁管制要点」规定，即设电弧炉等遽变负载的用户在共同点的电压闪烁值，其每秒钟变化十次的等效电压最大值不得超过0.45%。
结语
本文案例由于监测点并不是在并接的责任分界点处，因此，无法做再生能源发电系统于台电电力系统并联时的电力品质分析及比较，所以本文只针对单一风机的部分做电力品质监测趋势的呈现。在风机的部分，当风速低于4m/s时，输出实功率与功率因数都为负的，这是由于风机在没有运转时会用到市电电源所导致，当风速在超过4m/s时，输出实功率很低，且功率因数很差，当风速高于12m/s时，输出实功率可达额定输出，且变化量相当的低，此时运转特性相当的稳定。
参考文献：
[1] Global wind 2007 report, GWEC 2008, 05.
[2] IEC 61400-21, “Wind Turbine Generator Systems-Part 21: Measurement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines”.
[3] “Specifications for Connecting Wind Farms to the Transmission Networks”, Second Edition. Eltra, Denmark, June 2000.
[4] 经济部能源局网站，http://www.moeaec.gov.tw/news.
[5] 「分散式发电并联技术开发计划（1/4）执行报告」，经济部能源局，2007/4。
[6] 陈清山，「风力发电系统并网的电力品质问题探讨」，电机月刊，2007/9。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/25/2010) |
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