Microsoft PowerPoint - 智慧電網簡報10.11 [相容模式]

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雕粕禹
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1 電力系統分析 Chapter 1 電力系統簡介聯合大學電機工程學系吳有基教授人力狩獵人類文明的演化過程沒什麼經濟活動, 以物易物獸力農耕經濟活動少, 貧富差距不大蒸汽動力工業革命 : 經濟活動開始熱絡, 產品生產大量化, 貧富差距漸漸拉大電力科技科技革命 : 經濟活動熱絡, 產品多樣化精緻化, 貧富差距更大蒸汽動力 1

2 可控性高, 電的反應速率快, 電力的優點傳遞距離遠, 蒸氣的傳遞距離有限且熱損失大, 而電的傳輸距離可以是好幾百里, 損失也比熱蒸氣要小的多小常識 : 電波的傳遞速度有多快呢? ~ 近乎光速 ~ 人力踩水車水輪機風車能源來源 : 人力人力踩水車水輪機風車人力踩水車水輪機風車能源來源 : 水力能源來源 : 風力 2

3 電力系統演進過程電力系統演進過程世界上第二老第一大的網路系統從愛迪生的燈泡一路發展最早的電力系統是 DC 直流電 I 0 V t 直流電機輸電線有阻抗, 造成壓降 IR, 損失 I 2 R 要減少壓降損失, 需減少電流, 但又要維持一定供電負載功率 P=VI, 只有增加電壓 V, 造成發電機體積需變龐大 ( 為什麼?) V = K 2π f N φ 直流電機電力系統演進過程電力系統演進過程後來變壓器及交流電機的發明 DC 電力系統轉換成 AC 交流電力系統 ( 誰設計出變壓器? 誰設計出交流電機?) 3

4 變壓器示意圖交流電機 - 同步電機電力系統演進過程 repairing the rotor in a 200MW generator stator winding of a hydro generator 4

5 inside a 660MW generator installing the rotor in a hydro generator 電力系統演進過程交流電機 - 感應電機電力系統演進過程交流電機 - 感應電機 5

6 電力系統演進過程電力系統發展歷程 DC 發電輸電,1882 年第一座 110V 電廠 (Pearl Street Station in New York City. By Thomas Edison), 但受限發電機電壓不高, 傳輸距離不遠 (1 平方英哩 ), 因為線損及降壓之故變壓器之發明 (William Stanley, 1885) Induction Motor & Synchronous motor 之發明 (Nikola Tesla, 1888) 取代 DC 馬達 [1] Electric Utility Systems Practice, 4th ed., [2] Power System Analysis and Design [2] 電力系統發展歷程第一座在美國的 ac 單相電廠設立於 1889 年 ( 於 Oregon), 4kV 21 km( 藉助變壓器升壓, 可降低線損, 降壓, 增加輸電距離 ) 3ψ 輸電 -- 德國 1891 年,12kV 179 Km First 3ψac transmission line in USA (California ), 12Km, 2.3 kv HVDC ±400 kv (1970) DC 輸電線路沒有電感成份, 較同大小的線比 ac 可輸送較多 power, 但成本考量, 距離須大於 500Km 以上 HVDC 之優點 : HVDC 遠距離的輸電可隔離二系統, 二系統可運轉在非同步情形, 減少系統穩定度問題線材較 ac 要少 HVDC 之缺點 : 需要二端整流, 換流裝置設備整流 - 換流過程有諧波產生 6

7 北美洲電力網為互聯系統優點為..穩定度可靠度提高發電量可互通有無, 不需為短時間的需求而增蓋一座電廠, 可以向鄰近電廠 ( 公司 ) 購電缺點 : 系統變得複雜了 50Hz 及 60Hz 系統不同頻率 ac 系統早期有不同頻率系統 (25,50,60,133Hz) 現今以 50 及 60Hz 為主 60Hz 國家如美國加拿大日本巴西等 50Hz 國家以歐洲前蘇聯南美洲 ( 巴西除外 ) 印度日本 60Hz 的優點是相同額定下, 發電機馬達變壓器比 50Hz 的來得小 50Hz 的優點是輸電線及變壓器等感抗比 60Hz 要來得小電力系統演進過程電力系統演進過程為何當初 DC 直流電力系統轉換成 AC 交流電力系統? 而現在又有超高壓直流 HVDC 輸電存在? 為何捨單相供電取三相供電系統? I a I a 三相交流 V V V V ag bg cg ag = sin( ωt) 2π = sin( ωt ) 3 2π = sin( ωt + ) 3 + V + V =? bg cg I b I b I c I a +I b +I c I c 為何有 60Hz 與 50Hz 電力系統? 電力可以無線化嗎? 電力可以自由化嗎? 7

8 What is a Power System? 電力系統組成 Load 電力系統組成有 4 部份發電含變壓器 Generator Load Generator 輸電及次輸電輸電電壓 KV, 次輸電電壓 :69-138KV 配電 KV 負載 Generator 電力為工業之母, 亦是最複雜的系統之一, 技術含括 : 電腦通訊材料控制電磁機械電子發電機 3 相同步發電機, 有 2 個同步旋轉磁場, 一個由轉子藉由 DC 激磁電流產生, 另一由靜子 3 相電樞電流產生早期轉子 dc 激磁電流由在安裝在轉子上的 dc 發電機產生, 須要有 slip ring 現今多採用無刷式 (blushless) 激磁系統發電機電壓可達 30KV, 容量在 50MW 到 1500MW 轉子動力來源來自 prime mover 可以是 hydraulic turbine, steam turbines( 燃煤瓦斯核 ), gas turbine( 燃瓦斯 ), 或 internal combustion engine( 燃油 ) 電廠中, 有多台發電機並聯運轉, 共同連接到一點此點稱為 bus 匯流排變壓器升壓及降壓, 可以使得輸電距離變長由於絕緣及其他設計上的問題, 限制住發電機端的電壓不能太高, 在 60KV 以下 8

9 輸電及次輸電將電從電廠傳輸到不同區域之配電系統供電給用戶在美國電壓等級在 60KV 以上有 69KV,115KV, 138KV,161KV,230KV,345KV,500KV, 及 765KV( 線對線 ) 在 230KV 以上者稱為超高壓 EHV (Extra-High Voltage) 從電廠經變壓器升壓後之高壓輸電線終止連接到高壓變壓站 (High-Voltage substation or receiving substation, or primary substation) 有此變電站作線路切換功能, 稱之為 switching station 高壓變電站經變壓器降壓再由線路送電到配電站這一段網路稱之為次輸電網路, 次輸電網路電壓介於 69 到 138KV 某些大型電力用戶可直接從次輸電壓系統受電在這些變電站中有安裝電容組或電感組以維持輸電電壓配電配電系統是指從配電變電所到用戶受電端 (Consumers service-entrance equipment) 這一段系統一次配電線電壓 4~34.5KV 之間二次配電將電壓降至可供住宅及商用客戶使用, 電壓再 240/120V( 一般住戶用 ) 單相 3 線或 200Y/120V,3ψ,4 線 or 480Y/277V, 單相 4 線負載分成住宅商用及工業用非常大的工業負載可直接由輸電系統供電大工業用戶則可從次輸電系統小工業用戶則可能從一次配電系統工業負載為複合式負載, 其中感應馬達佔多數比例, 複合式負載是電壓及頻率的函數商業住宅負載則多以照明冷暖氣為主其負載與頻率無關且僅需為微小功率 9

10 Load factor 評量發電機的使用率 Daily L.F.= average load Annual L.F= peak load energy comsumed during 24hr = pead load 24 total annual energy peak load 8760hr utilization factor 評估系統容量的使用率 = maximum demand installed capacity plant factor 評估電廠容量的使用率 annual energy generation = plant capacity 8760hr 除了發電輸 / 次輸電配電負載外, 電力系統也需要保護裝置以維持系統的安全穩定可靠性以及控制中心調度系統 switchgear ( 開關裝置 ) 連接在線路上以便在系統故障時切斷線路保護其餘系統免受故障危害 Switchgear 包括儀表變壓器斷路器 (circuit Breaker) disconnect switch fuses 及 lightning arrester 控制中心利用 SCADA( 資料搜集及監控,supervisory control & data acquisition) 將系統狀態收集利用即時電腦 on-line computer 執行電腦程式分析系統, 經由調度員 operator (dispatcher) 下達控制命令讓系統安全運轉, 也會在系統將出現問題時發出預先警告, 協助調度員處理台灣電力系統流程圖 10

11 電力系統組成無論是核能電廠火力電廠或水力電廠所產生的電力, 都必須藉助輸變電系統轉變電壓傳輸電力, 供給用戶使用由於發電廠均設於偏遠地區, 遠離用電多的地方, 為提高輸電能力並減少損失, 須先提高電壓以利長距離輸送, 再依用電需要逐段降低電壓, 供下游使用火力發電電力為工業之母, 火力發電在推動台灣地區經濟發展的過程中扮演極為重要的角色為配合政府能源多元化政策, 台電公司火力發電採用之燃料為煤碳重油及天然氣, 其中以燃煤及燃重油的汽力發電機組為主, 以燃天然氣的複循環機組為輔為因應尖峰負載的供電需求, 另有燃輕柴油之氣渦輪機組, 澎湖地區則以燃重油之柴油發電機組為主 11

12 通霄電廠 12

13 2012/11/27 抽蓄水力發電深夜用電約僅白天的六成擔任基載的核能及大型火力機組為了運轉效率不能大量減載故於深夜用電量少時必有剩餘但白天尖峰時段之發電量又常不足抽蓄機組恰可利用離峰時剩餘之電能抽取下池之水貯存於上池於尖峰時再利用上池放水發電以補充系統尖峰發電量之不足也就是把深夜多餘的電能轉變為水的位能儲存起來供第二天白天使用谷關發電廠谷關發電機室 13

14 2012/11/27 谷關控制室谷關開關場谷關壩核能發電核能發電的原理與火力發電相似核能發電是利用鈾燃料進行核分裂連鎖反應時所產生的熱將水加熱成高溫高壓的蒸汽用以推動汽輪機再帶動發電機發電 14

15 345kV 輸電線路 15

16 避雷器 345kV 輸電鐵塔 161kV 輸電線路輸電鐵塔進入變電所電纜接入口 16

17 69kV 輸電線路 69/11kV, 25 MVA 電力變壓器 11kV 輸電線路 69kV 鋼管式輸電線路 17

18 2012/11/27 11kV輸電線路 11kV輸電線路 11kV輸電線路 11kV輸電線路 18

19 能源能量不滅用電能來作功 ( 動能 ), 供應馬達電能因為電的可控性高, 因此已成為生活不可或缺的必需能量 11kV 輸電線路要產生電能需要由其他能量形式來轉換以熱能者需燃料燃燒, 常用燃料 ( 材料 ) 為煤 Coal 油 (oil) Thermal power plant( 火力發電廠 ) 瓦斯 (Gas) 核子 (Nuclear) 核能發電廠 (Nuclear Power Plant) 能源以直接動能或位能形式轉換成電能者有水力水力發電廠風力風力發電機抽蓄水力 ( 位能 ) 抽蓄水力發電潮汐以化學能形式者有燃料電池生質能具有潛力可直接充當燃料或間接轉化至較方便運輸之燃料 ( 液體 ) 或電力之生質 (biomass) 來源有許多種類, 包括 :1. 牲畜糞便 2. 農作物殘渣 3. 薪柴 4. 製糖作物 5. 城市垃圾 6. 城市污水 7. 水生植物 8. 能源作物其他形式者有太陽能地熱等一種巨大無限的 power 雖然地球資源是有限的 ( 如石油, 甚至太陽也有毀滅的時候 ), 但我們人類有一種 power 是無限的, 祇要人類持續運用開發這個 power 人類的發展是無可限量的是什麼 power 呢? 是我們的 brain power. 人類的腦力無限, 好好開採我們的腦力吧! 不要害怕多用腦 Its power is so strong that you never know what will happen to you and human beings. Keep developing your brain power! Never stop! 19

20 能源供給 ( 能源別 ) 能源存量與危機能源別煤炭石油天然氣年別 ( 民國 ) 地熱液化水力發電太陽能核能發電能源總供給天然氣及風力發電 685 2, , 年 (18.0) (59.2) (3.9) ( - ) (2.9) (0.0) (16.0) (100.0) 1,275 2, , 年 (24.2) (56.6) (2.7) ( - ) (3.2) (0.0) (13.3) (100.0) 1,949 3, , 年 (26.7) (52.8) (1.2) (4.4) (3.0) (0.0) (11.9) (100.0) 2,959 5, , 年 (29.9) (51.5) (0.9) (5.8) (2.2) (0.0) (9.7) (100.0) 4,354 6, , 年 (32.5) (51.0) (0.6) (7.4) (1.2) (0.0) (7.3) (100.0) 能源會用不完嗎? 地球上石油 40 年內用完 ( 石油儲藏量剩下 1 兆 338 億桶, 尚可使用 43 年 ; 天然氣儲藏量剩下 146 兆立方公尺, 可使用 62 年 ; 煤儲藏量剩下 9,842 億噸, 可使用 230 年 ; 鈾儲藏量剩下 395 萬噸, 可使用 64 年火力發電需注意空污, 空污與熱島效應讓台灣過去三十年日照減少 15%, 少了 1.5 個月日照能源之開源與節流能源存量與危機地球有限資源會使用殆盡故替代能源的開發是迫不及待之事再生能源 ( 綠色能源 ) 的研發將會是未來科技發展趨勢我國太陽能發電量 2006 年為 0.16 萬瓩,2015 年預估為 32 萬瓩, 增加為現況之 200 倍, 至 2025 年預估為 100 萬瓩節約能源 20

21 電力自由化電力自由化除了從能源的開發來永續提供人類所需之外, 如何有效經營管理發展現有電力系統也是讓人類能長期享有用電便利性不可或缺的課題讓電力系統營運更有效率的方式就是市場的自由化競爭過去電力事業多為壟斷即電力公司擁有發電輸電配電, 使用者的多無選擇無線行動電信的自由化, 讓用戶有選擇權, 使得業者朝提升服務, 提升品質方向努力, 而使用者也可同時享有較高的使用品質及優惠的價位達到電信, 用戶 ( 消費者 ) 雙贏的局面電力事業也可像無線行動電信一樣朝向自由化競爭市場機制, 惟受物理性有線網路的限制, 自由度無法像無線行動電話一樣, 但能可有某種程度上的自由化歐美澳洲國家已實施自由化多年, 其作法能將發電輸電配電分家, 即有多家發電公司, 多家配電公司及一個非營利性的輸電公司來讓消費者 ( 多為大型用戶 ) 幫助整區小型電力用戶選擇較有利的發電公司等, 讓市場機制具有某種程度的自由化惟其中輸電部份因具有壟斷性及投資不易等因素, 故仍以維持不分家方式, 但經由法規的約束維持非營利模式以維護系統運轉的安全穩定性, 而各個國家在此部份輸電做法也有所不同電力自由化整體而言, 電業自由化的實施, 將帶動電力工程領域的發展, 市場所需的專業人才數量也會增加, 且會增加許多就業機會及產生新形式的商業行為, 如電力仲介業電力經紀人等台灣雖也朝電業自由化發展, 雖受限島國形式, 初期將還是維持台電擁有發輸配電, 綜合事業型態, 但將開放電廠配電公司等參與市場機制目前新的電業法規尚未通過立法院審查, 故電業自由化腳步尚未正式踏出美國電力系統是互聯網路 (North American Power System Interconnection ), 彼此間之規範由 2 個單位來訂定規範 1. FERC: Federal Energy Regulatory Commission 規範 a. Price of whole sale electricity b. Service items c. Conditions 2. Security and Exchange Commission (SEC) 規範 business structure of electric utility 21

22 North American Power System Interconnection 分成好幾個 power pools ( 電力池 ) NERC North American Electric Reliability Council (Privately Regulated organization) 負責規範系統標準及可靠度 NERC 有 4 個區域 a. Electric Reliability Council of Texas, ERCOT b. Western States Coordination Council, WSCC c. Eastern Interconnect d. Hydro-Quebec 結論能源議題將會是未來人類文明發展不可不面臨的課題未來科技發展需要再生能源 ( 綠色能源 ) 分散式小型模組化行動性高的發電機對電力系統結構有重大影響 Brain Power 的力量, 不可忽視綠色能源轉換技術與應用研究太陽能發電系統感應發電機之風力發電系統之研究蓄電池充放電技術太陽能及風力混合發電系統其它分散式發電系統綠色能源轉換技術與應用研究太陽能發電系統日照率的統計太陽能發電最大功率追蹤獨立供電及市電並聯故障偵測及遠端電力系統的監控高效能太陽能板的研究及組合太陽能熱能系統技術開發高效率混合熱電系統 22

23 綠色能源轉換技術與應用研究感應發電機之風力發電系統之研究風速的統計及設置地點的評估高效率風力系統獨立供電或與市電並聯運轉虛功率及電壓穩定控制電力系統故障之保護高效率低速永磁發電機的設計風力發電系統之機構變速齒輪高效率感應機及同步機等設備研發綠色能源轉換技術與應用研究蓄電池充放電技術電池之殘留電量的偵測高效率蓄電池充放電技術蓄電能力提升及壽命的延長電池快速充電技術綠色能源轉換技術與應用研究太陽能及風力混合發電系統高效率之太陽能及風力功率轉換器之研製混合式分散式電源之運轉技術綠色能源轉換技術與應用研究其它分散式發電系統燃氣引擎與感應發電機的研究系統的虛功率補償高效率功率轉換器之研發故障及保護協調等小型水力渦輪及發電機設計水力發電監控系統的研製 23

24 綠色能源轉換技術與應用研究其它分散式發電系統焚化爐之發電供電系統規劃分析電力系統並聯分析及故障的保護協調地熱發電海浪潮汐發電燃料電池反流器及控制器之研究三相中高壓變頻器之研究照明節能與負載管理技術研究台灣 96% 能源仰賴進口照明用電佔全國總用電量之 15% 以上節約能源提升能源效率研發新能源科技以及開發淨潔能源產業的永續發展穩定能源供應, 維持多元化能源照明節能與負載管理技術研究照明技術高效率光源體之開發 ( 包括無電極氣體放電燈複金屬燈直管 / 緊湊螢光燈等 ) 高效率光源體特性研究照明用發光二極體製造技術開發新型光源體特定電子安定器開發技術高效率照明系統控制技術建築物照明系統規劃與配光曲線分析新型照明設備燈具設計照明節能與負載管理技術研節能技術究汽電共生系統效率提升技術廢熱回收發電技術高效率工業用電能轉換設備技術高效率馬達驅動技術電動車輛高效率供電技術 24

25 照明節能與負載管理技術研節能技術節能家電開發究高效率空調技術高效率照明技術智慧型可控式家電開發停機電源 (Standby power) 省能技術照明節能與負載管理技術研負載管理技術負載預測技術究能源管理系統開發電力需量控制系統開發自動讀表技術即時電價電力能源管理技術家電設備網路遙控操作電業重整下之電力市場運作及系統調度研究確保電力系統可靠性及安全性提供公開公平與正確的電力網及電價資訊有效的網路壅塞管理公平的網路成本分攤提供發輸配電系統最佳投資擴充計劃電業重整下之電力市場運作及系統調度研究競爭市場下之電力系統運轉及法規前日與即時市場交易與系統調度規則雙邊合約電力交易與最佳化潮流控制系統穩定度與分散式電源併聯安全及效益處理緊急事故之相關運轉規則擬定競爭市場 ( 不平衡市場 ) 之經濟調度 25

26 電業重整下之電力市場運作及系統調度研究競爭市場下之電力系統運轉及法規電力調度中心之建立與調度技術系統供電品質成本分析與計算發輸配電可靠度分析與提昇執行電源配比與環保政策之系統調度需量交易市場規則電業重整下之電力市場運作及系統調度研究輸電網路開放及輸電成本計算輸電系統可傳輸容量計算電力代輸費率計算研究輸電成本與損失分配計算輸電網路壅塞管理研究提昇輸電系統可傳輸能力研究電業重整下之電力市場運作及系統調度研究輔助服務市場與管理系統頻率與無效電力控制及安全運轉全黑啟動設備容量需求與安全性評估各類輔助服務市場之建立及成本分攤研究可停電力 / 備轉容量交易之替代性與經濟效益電業重整下之電力市場運作及系統調度研究通信與資訊在電業市場之應用市場運作與系統調度資訊管理系統廣域有 / 無線與藍芽通訊即時監視系統多點智慧型電力計量需量交易及負載管理控制 26

2

4 1 2 第一節清末與國民政府時期的大陸保險市場 3 第二節中共建政初期的大陸保險市場 3 2001 24 4 第三節大陸保險市場的發展階段 5 4 1990 72-73 6 2-1 7 2-1 12 Trans America New York Life Met Life CIGNA Allianz AXA Gerling Scadinavia Samsung 8 第一節大陸保險法規的演進過程