機械工業雜誌

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具虛功率控制能力之沼氣發電系統併網型變流器設計

刊登日期：2020/09/01

摘要

使用沼氣發電之小型燃氣系統屬生質能應用範疇，近年來在工業技術發展的支持下，小型沼氣發電系統加入配電系統運轉已成為一種符合多方利益之智慧電網發電方式之一。但電力公司為顧及系統衝擊問題，一般有較嚴格之電壓變動規範，用以審核此類系統之併網設置申請，因此本文即在探討小型沼氣發電系統變流電路與控制架構，以促使其在發電外尚能具備虛功率注入電網的功能，如此一來便能在必要時協助電力系統調節電壓，減少系統併網衝擊。本文所提方法已使用實作驗證，從測試結果可看出其確具可行性，相關研究成果應具實務應用參考價值。

Abstract

In the recent past, industrial developments have made it practical to generate power using biogas power generation in the power distribution system. However, as the penetration levels of theses DGs like biogas generation continue to grow to the extent, it may affect normal operation of a power system. Under these concepts, this paper aims to solve those problems by reviewing present inverter circuit of biogas power system and making it capable of both real and reactive power abilities. Then, the proposed system can give the sufficient reactive power support to power grid, thus helping it to stabilize the voltage at certain range. In this paper, hardware experimental setup was made. It was confirmed that test results gained from experiments would support the academic and practical value of the proposed inverter circuits for the biogas power generation applications.

前言
近年來由於世界各國環保法規日趨嚴格，大型發電廠與輸配電線建置屢遇上龐大環保團體壓力與法律規範的阻力，其使得發展可兼顧環境生態保持之綠色能源發電技術，已為電力工業一項具挑戰性的議題。有別於大型發電廠，使用分散式發電系統可減少集中式發電系統容量，並有強化輸配電能力，改善峰載電力需求調度之好處，分散式發電系統常具備下列幾項特質[1-3]：
(1)發電機裝設位置接近負載中心，可減少輸電損失。
(2)機械結構漸趨簡易，有助於簡化系統操作程序。
(3)發電過程僅排放少量污染物，相對較少對環境產生衝擊。
(4)採用新興電能轉換技術發電，效率常高於傳統電廠。
(5)結合電力電子介面電路，系統運作易融入負載管理概念。
有鑑於此，美國能源部已在2000年公布分散式能源系統規劃書，該規劃書明定近期目標為發展分散式能源技術、排除電力系統並聯障礙及建立發電系統申設管理機制；中程目標為擴增分散式發電系統容量使其佔總電力系統新增發電量之20%[4]。美國電力研究所(EPRI)亦於電力電子應用中心(Power Electronic Application Center)成立分散式發電系統實驗室，並提出多項研究計畫。美國電機電子工程師學會(IEEE)則著手討論各項分散式電源設計規範、系統認證及市電並聯程序書，目前已於提出雛形方案[5]。在國內方面，能源局曾在2004年第七次全國科學技術會議中擬定分散式發電近程目標及長程發展。根據該會議結論，台灣2020年將建立相關標準法規、費率及營運模式、運轉調度及保護技術等。
今如進一步從工程技術面來看，目前常見的分散式發電系統包括太陽光電、風力、電池儲能、生質能等，這當中使用沼氣發電之小型燃氣系統屬生質能發電之一種，其具環保優點，容量從數十千瓦(kW)到數百千瓦，適合安裝於中小型工廠中[6]。沼氣發電系統組態包含沼氣前處理系統、燃氣引擎、發電機、電力控制盤等子系統，沼氣生成後，需先經過純化處理去除硫化氫等腐蝕氣體，才能導入沼氣引擎發電機產生電力。其中去除腐蝕氣體的目的在避免氣體腐蝕管線及設備，降低設備使用壽命，在經過純化後，沼氣會被導入引擎燃燒，並將化學能轉換為機械能，並帶動發電機發電；另外在發電機部分，除發電機本體外，其內尚有調速器與穩壓器，前者負責控制引擎燃氣閥門，閥門開度大小會影響發電機輸出之電頻率；後者則是在控制發電機內之激磁場，藉以調整發電機輸出電壓值。最後由於發電系統需與電網併聯，因此發電系統需於輸出端加入一只電力控制盤，用以協助發電機進行輸出電壓之振幅、相位與頻率調整等併聯程序控制[7]。
綜合上述，由目前各種分散式發電系統的發展來看，隸屬於生質能之沼氣發電在國外已有相當多之系統運轉實績，證明其確具市場營運價值，因此經濟部已依「再生能源發展條例」研訂電能躉購制度獎勵推動生質(沼氣)能發電設置。然而為進一步提高其系統架設誘因，縮短系統成本回收年限，本文即在探討沼氣發電系統之市電併聯界面設計，本文規劃於發電系統輸出端裝置電能轉換器，藉由電力電子控制輔助，多功能化發電系統併網操作模式，使其除發電外，亦能加值運轉回應電網控制需求，協助舒緩智慧電網下之新電力設備融入配電系統運轉時可能帶來之電力衝擊，以利於整體發電系統運轉之效益再提升。本文相關策略皆已完成設計及製作，由測試結果可知，所提方法確具可行性，相關成果應可裨益於工程人員實施系統設計時利用與參考。
發電系統組態與市電併聯策略
1.發電系統組態
本文研究之電能轉換器電路組態圖，本文基於傳統發電機以調速器、穩壓器控制的市電並網方法，其與電子式系統相比相對複雜且響應速度慢，因此擬於發電機之輸出端加入一級電能轉換器，將發電機交流輸出電壓整成直流後，再利用變流器轉換成商用頻率之電力輸出。值得注意的是，利用電能轉換器變流的方法，可同時簡化發電機的控制結構，而使用變流器的方法亦有助於整體系統之電網互動運轉保護線路設計，相關之系統組態示意如圖1所示。