臺灣博碩士論文加值系統

本文進行實際汽電共生廠的電力系統分析，包含電力潮流、短路電流、暫態穩定度與電壓驟降。文中首先建立汽電廠系統架構與分析模型，包含同步發電機、感應電動機與變壓器模型。其次分別計算汽電廠在各種操作模式下的電力潮流與短路電流，電力潮流分析用以確定廠內各電力設備在其額定容量下運轉，不會有設備過載或有過壓及低壓的情況，而短路電流分析確認設備沒有超過瞬時可耐受程度與斷路器啟斷容量是否合適。在暫態穩定度分析中評估各種短路事故中，汽電廠的臨界清除時間與是否有能力渡過事故期間到回復穩定。若有需要解聯，是否能保有穩定度，本文同時評估廠內敏感性負載是否可能因短路事故造成的電壓驟降而跳脫。本文分析之內容同時可提供現場操作人員有用的建議，增進整體汽電共生廠電力系統操作之可靠度。

This thesis focuses on the power system analysis of an actual cogeneration plant. The analysis includes power flow calculation, short-circuit current analysis, transient stability evaluation, and voltage sag analysis. First, the system structure of the plant including synchronous generators, induction motors, and transformers are built. The power flow analysis ensures that all equipments are operated under their rated capacities in all possible situations. The short circuit analysis identifies that the fault currents on each bus are within their momentary and interrupting withstanding levels. The transient stability analysis evaluates that the cogeneration plant can recovery from utility faults and possible grid-disconnection behaviors. The voltage sag analysis ensures that sensitive loads in the plant won’t trip because of faults. The above analysis results can provide field personnel with useful information to enhance the overall operation reliability of the plant.

目錄


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中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖表目錄 v

第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 章節概要 2

第二章 電力系統架構與模型建立 3
2.1 汽電廠電力系統架構 3
2.2 發電機組模型 5
2.2.1 發電機模型 5
2.2.2 同步發電機運轉限制 10
2.3 激磁控制系統模型 16
2.4 汽渦輪機與調速系統模型 19
2.5 負載模型 21
2.5.1 動態負載 21
2.5.2 靜態負載 24
2.6 主變壓器模型 25
2.7 汽電廠運轉電力潮流 27
2.8 汽電廠獨立運轉策略 28
2.9 汽電廠發電機排程與解聯後運轉模式 32

第三章 汽電共生廠電力系統潮流與短路電流分析 34
3.1 汽電廠電力系統分析案例建立 34
3.2 汽電廠電力潮流分析與檢討 35
3.3 對稱、非對稱短路電流與斷路器遮斷容量 41
3.4 汽電廠短路電流分析與檢討 45
3.5 小結 56



第四章 汽電共生廠電力系統穩定度分析 57
4.1 穩定度的定義與分類 57
4.2 汽電廠暫態穩定度分析規劃 58
4.3 台電系統接地事故之穩定度分析 61
4.4 汽電廠與台電系統解聯穩定度分析 73
4.5 汽電廠內事故穩定度分析 82
4.6 汽電廠解聯邏輯建議 107
4.7 小結 109

第五章 電壓驟降分析 111
5.1 簡介 111
5.2 電壓驟降管制標準 112
5.3 汽電廠外線短路事故電壓驟降分析 113
5.4 汽電廠內短路故事電壓驟降分析 117
5.5 小結 124

第六章 結論與建議 125
6.1 總結 125
6.2 建議 129

參考文獻 130

圖表目錄

圖2.1.1 汽電共生廠電力系統架構單線圖 4
圖2.2.1 汽電共生機組架構 5
圖2.2.1.1 汽電廠發電機模型 6
圖2.2.1.2 磁路飽和曲線 8
圖2.2.2.1 同步發電機單相等效電路 10
圖2.2.2.2 轉部磁場電流與發電機的額定功率因數關係 11
圖2.2.2.3 發電機相量圖 12
圖2.2.2.4 座標軸轉換成對應之功率單位 12
圖2.2.2.5 同步發電機運轉限制 13
圖2.2.2.6 機組G1、G2與G3額定操作能力曲線圖 15
圖2.3.1 完整發電機激磁系統方塊圖 16
圖2.3.2 IEEE-AC1模型 17
圖2.4.1 蒸氣渦輪機-調速機ST2模型 19
圖2.5.1.1 單鼠籠式三相感應電動機單相等效電路 21
圖2.5.1.2 感應電動機轉子和負載整合架構 22
圖2.5.1.3 各式感應機負載轉矩-轉速特性曲線 23
圖2.6.1 變壓器精確與簡化電路 25
圖2.8.1 考慮解聯操作規劃的汽電廠電力系統單線圖 29
圖3.2.1 汽電廠尖峰時段，機組全載運轉與台電併聯之電力潮流 37
圖3.2.2 汽電廠尖峰時段，機組全運轉與台電解聯之電力潮流 38
圖3.2.3 汽電廠內69kV匯流排C-Bus短路跳脫後之電力潮流 39
圖3.2.4 汽電廠內69kV匯流排B-Bus短路跳脫後之電力潮流 40
圖3.3.1 短路電流來源 41
圖3.4.1 汽電廠與台電系統併聯、發電機全載運轉(表2.9.1 Case 1)，主要匯流排三相短路接地(3LG)故障電流(瞬時對稱值)分佈 51
圖3.4.2 汽電廠與台電系統併聯、發電機全運轉(表2.9.1 Case 5)，主要匯流排三相短路接地(3LG)故障電流(瞬時對稱值)分佈 52
圖3.4.3 汽電廠與台電系統解聯後(表2.9.2 Case 1)，主要匯流排三相短路接地(3LG)故障電流(瞬時對稱值)分佈 53
圖3.4.4 汽電廠與台電系統解聯後(表2.9.2 Case 3)，主要匯流排三相短路接地(3LG)故障電流(瞬時對稱值)分佈 54
圖3.4.5 汽電廠與台電系統解聯後(表2.9.2 Case 5)，主要匯流排三相短路接地(3LG)故障電流(瞬時對稱值)分佈 55
圖4.3.1 案例Case 1~Case 8汽電廠對台電側發生不同程度平衡短路(3LG)故障的殘餘電壓-臨界清除時間(CCT)關係曲線 64
圖4.3.2 案例Case 1，0pu故障，在臨界清除時間0.217秒(13週波)清除事故，汽電廠系統響應(恢復穩定) 67
圖4.3.3 案例Case 1，0pu故障，清除時間0.233秒(CCT+1週波)，各機組電流響應(G1、G2失步) 68
圖4.3.4 案例Case 5，0pu故障，在0.5秒(30週波)清除時間故障，廠內系統響應(恢復穩定) 71
圖4.3.5 案例Case 5，0pu故障清除時間0.517秒(CCT+1週波)，各機組響應(G1、G2失步) 72
圖4.4.1 案例Case 1台電端三相完全短路汽電廠解聯模擬時間順序規劃 74
圖4.4.2 汽電廠Case 1尖峰時段解聯過程模擬結果 77
圖4.4.3 案例Case 5台電端三相完全短路汽電廠解聯模擬時間順序規劃 78
圖4.4.4 汽電廠Case 5離峰時段解聯過程模擬結果 81
圖4.5.1 汽電廠內電力系統事故分析設定 82
圖4.5.2 廠內69kV匯流排短路清除過程模擬結果 86
圖4.5.3 汽電廠內TR-8之161kV側短路，100msec後跳脫響應 90
圖4.5.4 汽電廠內TR-8之69kV側短路，100msec後跳脫響應 94
圖4.5.5 汽電廠內D-Bus完全短路跳脫過程模擬結果 98
圖4.5.6 汽電廠內C-Bus完全短路跳脫過程模擬結果 102
圖4.5.7 汽電廠內B-Bus完全短路跳脫過程模擬結果 106
圖4.6.1 汽電廠對台電側故障殘餘電壓-臨界清除時間(CCT)關係曲線與低電壓電驛(27)解聯設定建議 107
圖4.6.2 汽電廠解聯邏輯建議 108
圖5.2.1 SEMI F47電壓驟降管制標準 112
圖5.3.1 尖峰時段Case 1，台電側發生完全短路事故(殘餘0pu)，故障清除時間0.217秒(13週波)，各匯流排電壓響應 113
圖5.3.2 尖峰時段Case 5，台電側發生完全短路事故(殘餘0pu)，故障清除時間0.5秒(30週波)，廠內各匯流排電壓響應 114
圖5.3.3 尖峰時段Case 1，台電側發生完全短路事故，臨界清除時間0.217秒(13週波)時解聯，各匯流排電壓響應 115
圖5.3.4 離峰時段Case 5，台電側發生完全短路事故，在臨界清除時間0.5秒(30週波)時與台電端解聯過程各匯流排電壓響應 116
圖5.4.1 69kV匯流排短路0.2秒(12週波)清除，各匯流排電壓響應 118
圖5.4.2 TR-8之161kV側短路100msec後跳脫，各匯流排電壓響應 119
圖5.4.3 TR-8之69kV側短路100msec後跳脫，各匯流排電壓響應 120
圖5.4.4 匯流排D-Bus完全短路跳脫過程各匯流排電壓響應 121
圖5.4.5 匯流排C-Bus完全短路跳脫過程各匯流排電壓響應 122
圖5.4.6 匯流排B-Bus完全短路跳脫過程各匯流排電壓響應 123

表2.2.1.1 汽電廠發電機G1、G2與G3參數 9
表2.3.1 汽電廠發電機G1、G2與G3激磁機參數 18
表2.4.1 汽電廠發電機G1、G2與G3調速機參數 20
表2.5.1.1 各式工業用典型感應電動機負載種類 23
表2.6.1 汽電廠主要變壓器參數 26
表2.7.1 汽電廠尖峰時段運轉基本電力潮流 27
表2.8.1 汽電廠分析案例規劃-1/2 30
表2.8.1 汽電廠分析案例規劃-2/2 31
表3.1.1 斷路器接點開斷時間與S Factor關係 44
表3.1.2 斷路器的額定週波與接點開斷時間關係 44
表3.4.1 汽電廠與台電系統併聯，主要匯流排三相接地故障瞬時責務容量-案例編號1-(1/2週波瞬時最大值) 47
表3.4.2 汽電廠與台電系統併聯主要匯流排三相接地故障遮斷責務電流-案例編號1 47
表3.4.3 汽電廠與台電系統併聯，主要匯流排三相接地故障瞬時責務電流-案例編號5-(1/2週波瞬時最大值) 48
表3.4.4 汽電廠與台電系統併聯主要匯流排三相接地故障遮斷責務電流-案例編號5 48
表3.4.5 汽電廠與台電系統解聯主要匯流排三相接地故障瞬時責務電流-案例編號1-(1/2週波瞬時最大值) 49
表3.4.6 汽電廠與台電系統解聯主要匯流排三相接地故障遮斷責務電流-案例編號1 49
表3.4.7 汽電廠與台電系統解聯主要匯流排三相接地故障瞬時責務電流-案例編號5-(1/2週波瞬時最大值) 50
表3.4.8 汽電廠與台電系統解聯主要匯流排三相接地故障遮斷責務容量-案例編號5 50
表4.3.1 Case 1：汽電廠台電側短路故障的殘餘電壓-臨界清除時間關係 62
表4.3.2 Case 2：汽電廠台電側短路故障的殘餘電壓-臨界清除時間關係 62
表4.3.3 Case 3：汽電廠台電側短路故障的殘餘電壓-臨界清除時間關係 62
表4.3.4 Case 4：汽電廠台電側短路故障的殘餘電壓-臨界清除時間關係 62
表4.3.5 Case 5：汽電廠台電側短路故障的殘餘電壓-臨界清除時間關係 63
表4.3.6 Case 6：汽電廠台電側短路故障的殘餘電壓-臨界清除時間關係 63
表4.3.7 Case 7：汽電廠台電側短路故障的殘餘電壓-臨界清除時間關係 63
表4.3.8 Case 8：汽電廠台電側短路故障的殘餘電壓-臨界清除時間關係 63
表4.4.1 責任分界點保護電驛裝置 73
表4.6.1 考慮汽電廠解聯需求之161kV匯流排低電壓電驛保護設定 107

參考文獻

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