微電網系統架構與求解方法

姚志遠 王宇

摘 要：在全球暖化（GlobalWarming）議題及環保壓力下，促使再生能源發電的比列必須提高以減少采用碳基燃料（Carbon-BasedFuels）為主的火力發電。因此，電力公司在面對電力供應的高品質以及減少環境污染的要求下，必須從系統運轉及管理等方面著手方可達成上述目標。本文首先針對各國微型電網發展現況進行相關探討，藉以了解微型電網的系統架構、運轉方式與未來發展趨勢，并選定該文所欲探討分析之低壓微型電網系統架構；此外，就目前常見且可行之三相電力潮流分析方法與技巧中，擇一穩定性高、收斂性佳的方法，在Matlab環境下撰寫程序，以作為后續應用模擬分析所需之工具。

關鍵詞：微電網 系統 架構 方法

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0043-01

1 微型電網發展現況

微型電網整合分布式發電系統與儲能組件于配電系統所形成之新的電力系統型態，可以并入大型電力系統運轉或獨里自主運轉。目前，歐美與日本等先進國家，在微型電網的發展上皆屬領先的地位，茲就其發展現況詳述如下：

對于發展微型電網的概念與微型電網電源控制和建置示范系統之研究計劃與論文，如微型電網系統架構概念[1]，在文獻中，也對于實功率與虛功率之控制、電壓調整策略、電力電子式之電源轉換器接口設計、微型電源間功率分擔、和應用靜態開關（StaticSwitch）做運轉模式切換等研究不管在理論上或實務上都有許多的貢獻。

另外，由N.Hatziargyriou，H.Asano等人所發表之“MicroGrids”中[1]，將目前在歐美、日本和加拿大正進行的微型電網的研究、發展及示范系統做一綜合探討，在文中提到歐盟所資助的微型電網的兩個主要研究計劃。

第一個的計劃（1998-2002）主題為“MicroGrids：LargeScaleIntegrationofMicro-GenerationtoLowVoltageGrids”，該計劃已順利完成相關研究工作，如ISET參與此研究所建構的微型電網實驗室[1]。

第二個計劃（2002-2006）主題為“MoreMicroGrids：AdvancedArchitecturesandControlConceptsforMoreMicrogrids”，該計劃主要以實務性質為主，并分別在歐盟各示范點建置示范系統，的微型電網。

綜觀以上各國對微型電網的研究可使該文了解目前所要面對的問題與未來極需解決的問題及對環境所造成的影響。

2 系統架構

該文的研究乃以低壓微型電網為主，首要的任務為系統架構的規劃與設計，由于各國電力系統基礎設施不盡相同，因此既有的配電系統型態再經整合分布式資源后自然形成各種不同型態的微型電網系統架構，綜觀相關文獻所提的系統架構后決定以歐盟微型電網計劃“ENK5-CT-2002-00610”設計的交流低壓400 V微型電網作為模擬、分析的標的系統。

分布式資源并入微型電網前后的系統架構是由一臺額定容量400 kVA、高壓側電壓20 kV、低壓側電壓0.4 kV、頻率50 Hz的配電變壓器，以及包括太陽能電池、燃料電池、蓄電池、風力發電機、微渦輪機等分散型資源所組成，因此非常適合本論文所欲研究探討的議題「低壓微型電網穩態運轉研究」，是故，該文將以此系統為基礎進行相關模擬與分析。

3 系統參數

本節主要的目的在介紹微型電網執行連續三相電力潮流程序時必須準備的相關資源與系統參數的設定，經整理后可得微型電網系統單線圖，該系統包含高低壓側共有14個母線，線路長度最長處為345 m（自Bus1至Bus10），其中Bus1設定為搖擺母線（SwingBus），其余Bus8（住宅類）、Bus9（住宅類）、Bus10（工業類）、Bus12（商業類）及Bus13（住宅類）為負載母線；另外，分布式資源并入的母線分別為Bus14（30 kW蓄電池組儲能系統）、Bus9（10 kW太陽能發電系統、10 kW風力發電系統）、Bus10（10 kW燃料電池發電系統）、Bus12（30 kW微渦輪機發電系統）及Bus13（3 kW太陽能發電系統）。

（1）配電變壓器資料。

該系統的配電變壓器相關參數資料，其額定容量為400 kVA、高低壓側額定電壓分別為20 kV/0.4 kV、標么電抗及電阻值分別為0.04pu及0.01pu。

（2）負載資源。

各負載母線上的住宅類、工業類與商業類典型日負載曲線，各負載母線的尖峰（最大）負載量，將上述各類負載曲線及其尖峰負載量二者結合，即可繪制出各負載母線的實功及虛功日負載曲線[2]。

（3）線路阻抗資料。

導線規格及其對應的單位長度阻抗資源，所列的阻抗奧姆值將在系統統一基準值條件下標么化。

4 組件數學模型

舉凡組成微型電網的分布式資源、導線、配電變壓器、電電容器與負載等設施均為執行電力潮流所需的電路元件，上述組件在電力潮流分析過程中皆必須以適合的數學模型表示方可反應該組件的實際物理特性。茲就相關組件模型分述如下：

（1）分布式資源模型。

該文所探討的低壓微型電網中共整合微型發電系統及儲能系統二大類，其中蓄電池組儲能系統僅作為系統轉態時支撐系統電壓的用，亦即系統由并網運轉狀態轉。為維持瞬時電壓穩定的功能，因此，在穩態運轉分析時不納入電力調度輸出功率的考量中，是故，執行電力潮流分析時僅就微型發電系統部分進行電力調度。一般而言，此一微型發電系統可依其特性與控制方式將其設定為輸出固定功率因數與功率，因此，部分文獻中將其視為定實功率-虛功率模型和定實功率-電壓模型，就分析技術層面而言，各有其優缺點，本論文將其視為定實功率-虛功率模型[3]。

（2）導線模型。

該文的導線模型皆以型等效電力模型表示[3]。其中，對串聯阻抗而言，原始三相四線式線路模型所示，將原始串聯阻抗矩陣以克隆降階法降階，即可求得隱含中性線或接地線效應的三相線路等效模型，其原始導納矩陣，降階后的三相線路等效模型的母線組件關聯矩陣，并利用推導公式[3]求出將三相線路解耦合后，即可得到的三相線路解耦合等效模型.

參考文獻

[1]黃莉，衛志農，韋延方，等.智能用電互動體系和運營模式研究[J].電網技術，2013（8）：2230-2237.

[2]易錦，羅峋，凹建勛，等.基于馬爾科夫鏈的軟件故障分類預測模型[J]. 中國科學院大學學報，2013（4）：562-567.

[3]李士動，施泉生.智能電網下需求響應與可中斷負荷研究[J].中國電力教育，2013（20）：202-204.