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
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
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
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
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
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
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
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 115--765KV, 次輸電電壓 :69-138KV 配電 4-34.5KV 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
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
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
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
通霄電廠 12
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
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
345kV 輸電線路 15
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
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
2012/11/27 11kV輸電線路 11kV輸電線路 11kV輸電線路 11kV輸電線路 18
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
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 2,256 148 0 110 0 611 3,810 73 年 (18.0) (59.2) (3.9) ( - ) (2.9) (0.0) (16.0) (100.0) 1,275 2,981 141 0 166 0 702 5,265 78 年 (24.2) (56.6) (2.7) ( - ) (3.2) (0.0) (13.3) (100.0) 1,949 3,858 90 320 221 0 866 7,303 83 年 (26.7) (52.8) (1.2) (4.4) (3.0) (0.0) (11.9) (100.0) 2,959 5,092 85 576 222 0 954 9,888 88 年 (29.9) (51.5) (0.9) (5.8) (2.2) (0.0) (9.7) (100.0) 4,354 6,842 77 990 163 0 981 13,406 93 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 (www.nsc.gov.tw/sci/hotnews/2004spring8.htm) 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
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
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
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
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
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
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