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| 計畫名稱 | 高占比再生能源併網政策研究與技術推動計畫(1/2) |
|---|---|
| 主題名稱 | 再生能源併網對配電系統不平衡之衝擊與改善方法 |
| 資料時間 | 2017/12/07 |
| 上傳時間 | 2017/12/7 |
| 國別 | 國內 |
| 能源領域 | 科技 |
| 能源業務 | 新及再生能源 |
| 決策知識類別 | 評析 |
| 關鍵字 | 配電系統 |
重點摘述
根據國外再生能源相關的運轉經驗及文獻，當有大容量或許多的單相再生能源併接至配電系統時，將會使系統產生三相不平衡的現象。此外，台電公司在配電系統的規劃設計當中，於配電系統大量設置開Y-開△(U-V接線)配電變壓器組，此設計方式雖可有效降低配電變壓器的設置投資成本，但也增加配電系統不平衡的程度。當電力系統的不平衡程度達到或超過相關標準時，將可能使系統無法允許更多的再生能源併入，對再生能源的發展構成阻礙，因此對於國內配電系統三相不平衡的程度應予以了解評估，並協助檢討及研擬相關因應對策與建議。為避免三相不平衡之議題對國內再生能源的發展構成阻礙，本報告也蒐集國外三相不平衡規範及經驗作法。
配電用戶大多以單相供電，加上用戶之負載特性隨時間變動、系統架構不平衡及開Y-開△(U-V接線)形式的配電變壓器的大量使用，造成配電饋線三相不平衡之情形相當嚴重，除了可能導致保護電驛因三相不平衡跳脫，影響供電可靠度之外，亦會造成配電饋線中性線電壓湧升，影響系統安全性問題。配電饋線三相不平衡之原因相當多，大致可歸納如下：
配電系統架構：配電系統因受用戶分佈影響，除三相饋線區段外其架構普遍存在單相及二相分歧線。配電系統架構不平衡致使三相負載普遍不平衡，進而導致三相不平衡現象。
用戶負載特性：配電系統用戶負載常接至單相變壓器，但各單相配電變壓器由不同類型負載用戶用電量所組成，且不同類型用戶負載曲線特性不同，許多用戶係住及商混合型式，故負載組成相當複雜，導致各變壓器之負載變化大，不易達成三相負載平衡之目標，故要改善配電系統三相不平衡，須顧及各類負載的分配。
電容器之影響：利用電力電容器以控制電壓、提高線路傳輸容量及改善功因係常見的控制技術。電力電容器可分為單相及三相，其中三相電容器組有Δ接和Y接兩種，Δ接若電容器組之一電容器故障時，不會造成電力電容器電壓上升，無過電壓的問題，但會產生較大故障電流。Y接又可分為中性接地及非接地兩類，台電公司配電饋線裝設之電容器大多採非接地Y接線。當電力電容器組受如開關突波及非線性負載諧波等外力影響，可能發生保護熔絲熔斷或電容器組燒損，產生電容器欠相運轉之情形，導致三相不平衡現象。
設備負載特性：配電系統三相不平衡常因如家用電器及馬達驅動器等非線性負載，或配電變壓器之非線性磁化特性等，所產生之諧波而導致。
變壓器接法：配電系統中除單相變壓器外，燈力併供變壓器為了同時供應三相及單相負載而採開Y-開Δ接線方式，此種接線方式雖可減少變壓器設置數量，但因變壓器一次側之實功率與虛功率分配不平均，最易導致三相不平衡。
再生能源匯入：根據國內外再生能源相關的運轉經驗及文獻，當有大容量或許多的單相再生能源併接至電網時，將會使系統產生三相不平衡的現象。
當電網處在三相不平衡的狀態下，將會對電力系統及設備產生許多不良的影響，包含：降低旋轉電機壽命、保護電驛誤動作、增加系統損失等。因此為維持電力系統及設備元件運轉在安全且有效率的狀態下，國際相關組織機構對於系統不平衡的程度之法規標準規範如下所示：
美國電機製造協會(National Electrical Manufactures Association, NEMA) Standard MG-1 12.45-2003：感應電動機於額定負載狀況下，電壓不平衡率超過1%需減額運轉，超過5%則停止運轉。
IEEE Std 141, 1993, “IEEE recommended practice for electric power distribution for industrial plants”：感應電動機在接近滿載運轉時，若相電壓不平衡率超過了2%，電動機將會有過熱的危險。
歐洲國際電機技術委員會(International Electro-technical Commission, IEC) Standard, Publication 34-1, 1983, “Rotating Electrical Machines, Part 1, Rating and Performance” ：交流電動機額定運轉時，負相序電壓不得超過正相序電壓之1%，短時間或數分鐘運轉則以不超過1.5%為原則。
德國 German Standard（VDE0530/7.55）：電壓不平衡率限制在2%以下，使感應電動機定子繞組超過正常溫升的額外溫升限制5℃以下。
英國，BS 4999，General Requirements for Rotating Electrical Machines：交流電動機電壓不平衡率限制在2%以內，確保電動機繞組於額定負載運轉下不會過熱。
雖各國對於電壓不平衡率之計算公式與規範有所不同，但大致可以電壓不平衡率不得超過2%為一參考依據。
相別連接改變以改善三相不平衡
常見的不平衡改善方法有三相功率平衡、降低饋線電壓降及降低饋線損失等來進行，以三相功率平衡為例，假設變壓器負載可簡化成Sa、Sb及Sc三個單相負載，若未進行調整，則饋線的負載分配如圖1所示。圖1中的每一三相負載可重新進行分配，以達到三相功率平衡，其主要概念由圖2所示，每一台三相變壓器與饋線有abc、acb、bac、cab、bca及cba等6種連接方式(對應圖2 (a)至圖2 (f))，舉例來說，圖2 (b)係將Sa、Sb及Sc三個單相負載重新分配至饋線a，饋線c及饋線b。透過圖2可將三相負載不平衡的狀況降低，進而降低三相電壓與電流的不平衡。
圖1：未進行調整饋線負載分配
圖2：每一三相負載可進行之饋線負載重新分配
配電系統因負載供電需求，可能有3相接線、U-V 接線、V-V 接線、或單相接線供應負載電能，改變相別連接方式可改變系統的不平衡量，以三相接線為例，有6 種連接方式的改變如圖3 所示。表1標示不同接線方式可能的相別連接改變方式。
圖3：3相接線連接方式
表1：不同接線方式可能的相別連接方式
總結
發現利用改變變壓器相別連接方式，可有效改善系統的不平衡量，平衡各匯流排的電壓及線路電流，減少系統的不平衡因子。因三相不平衡的原因眾多包括配電系統架構、用戶負載特性、電容器之影響、設備負載特性等，目前台電再生能源併聯技術要點亦僅規範三相再生能源的各相間裝置容量，並未探討其他三相不平衡之議題。因此如何解決與穩定造成系統三相不平衡的各種問題，是後續值得探討之問題，以作為後續相關技術規範修訂或系統升級規劃之技術參考。
| 資料提供者/機構 | 藍柏荏 / itriA40367@itri.org.tw |
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