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| 风力发电并网与电力品质问题探讨 | |
| 谢文考 吴元康 黄永清 | |
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面对煤炭及石油等石化燃料日益枯竭的威胁，风能与太阳能等可再生能源已在全球受到极大的重视。其中，风力发电是新能源中技术最成熟的、最具商业化发展前景的可再生能源之一。全球许多国家早已认识到风力发电在调整能源结构、舒缓环境污染等方面的重要性，因此争相发展风能，包括德国、丹麦、西班牙、美国等。而在亚洲，印度、日本，以及中国近年来也大力装设风机，积极提高风力发电占比。根据全球风能协会（GWEC）2007年的报告[1]，目前全球风机装置容量前五名的国家包括德国（22.3GW）、美国（16.8GW）、西班牙（15.1GW）、印度（7.8GW），以及中国（5.9GW）。以美国为例，在2007年一年当中便装设了5,244MW，装置容量成长了45%，是全球新装设风机容量成长最高的国家。美国预计在2008年所有风场将提供四百八十亿度电，约占全美1%的用电量。GWEC预计在2009年美国将可能取代德国成为全球风力装机容量最多的国家。另一个近期大力发展风力的国家是中国，中国在2007年一年中新增加约3,304MW的风机容量，较2006年成长了145%，中国再生能源工业协会（CREIA）预测到2015年总装置容量可达50GW。伴随风力发电占比的提高，中国风能相关产业也快速成长，两大风机制造商（Gold Wind与Sinovel）目前已能独立提供42%中国的风机架设。根据GWEC的预测，在2012年以前，全球风机装置容量将可达到240GW，约供应全球电力的3%。
伴随着风力发电技术在世界各国不断的发展，其发展趋势有以下几大特点：
（1）总装置容量大幅度成长。
（2）发电机单机容量不断扩大，做为提高风能利用率与发电效益的有效途径。例如发电机单机容量从1997年的500~750kW主流机型发展至目前3.6MW机组的大量安装。
（3）离岸式风场逐步商业化。由于海上风场具有风速高、风力稳定等优点，因此可以有效利用风力发电机组的发电容量。2002年丹麦在Horns Rev海域建置16万kW的世界上最大的海上风电场，展开隔离式风场的世纪。
（4）风力发电成本不断降低。虽然风力发电建设投资成本较高，但是营运成本低。
风力发电是一项综合性的高科技技术，牵涉电力工程、控制技术、结构力学、材料科学及气象学等多学科与跨领域学门。由于风力机组大型化的趋势导致制造技术难度不断提高，因此许多基础研究必须深入探讨。举例而言，为了大力发展风力发电，首先必须进行基础性的观测试验研究，在收集、整理各地风速及风向数据的基础上建立风能数据库。此外，应利用所量测的风速，建立数学模型进行风场数值模拟以及风力预测，以期对风能资源进行更精确合理的评估。在发电机与控制系统的设计上，更是发展风能相当重要的关键技术。依据风力机叶片运转速度，可分为定速定频发电机系统与变速定频系统，其中定速发电系统较简单，在早期风力发电系统中得到广泛的应用。然而在定速运行中，当风速跃升时，巨大的风能通过叶片传递给机械元件，将产生很大的机械应力，势必需要强度较高的机械零件，因此导致机组零件尺寸较大，重量加大，成本上升，塔架设计难度大。而变速风力机组与定速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于低风速时它能够根据风速变化，保持最佳速度运行以获得最大风能，而在高风速时利用叶片转速的变化，储存或释放部分能量。提高转动系统的柔性，有利于减少机械应力，对零件所需的刚度、强度等指标的要求均可下降，因此在更大容量的风力发电系统中，变速风力发电机组有可能取代定速风力发电机组成为未来的主力机型。特别是一些变速风力发电机组采用了高功率因数的换流器技术，有效地解决了谐波和低功率因数等问题。
在风机控制技术上，首要著重于维持风力发电机组的最佳运转状态，也就是当风速变化时，如何控制及调节叶片转速，使期达到风力机的最大功率因数，先进的控制器应能保证高能量转换效率及减少叶片主轴疲劳负荷。经典的设计方法是将风力机的运行范围划分为若干区间，在每个区间都设计一个相对应的最佳化控制器，当风力发电机组运行进入该区间时，就切换到相应的控制器。然而控制器切换时可能会引起发电机组负荷的波动，因此，变速风力发电的建模与控制是值得深入研究的课题，如利用人工智慧来提供最佳化的控制策略等。
由于风能具有间歇性与不可调度的特点，高占比的风力发电于并接系统后将对系统安全及品质造成一定的冲击，例如使用非同步风力机将从系统吸收无效功率，对电网的电压、稳定性造成一定程度的影响。因此，研究风力并网的运行特性以及改善其运行的稳定性是风力发电技术中重要的课题，特别面对高占比风力发电的时代，这些议题必须深入探讨。本文将首先整理目前高占比风力并网在美国的实际经验以及解决的对策，作为研究目前台湾风力架设对电力品质的实际影响，并以实际案例的结果进行分析的参考，并期望对台湾本岛某区域或离岛发展高占比风力发电有正面的帮助。
风力发电机组并网相关问题
目前风力发电机已朝向大容量化发展，因此各级不同容量的风力发电机组，必须引接至适当电压层级，若以容量计大致可分为两类，大型风场接至输电系统；个别风力发电机组或小型风场的组合发电系统则并接至配电系统。当风机并接至配电系统时，重要的研究课题包括电压调节、谐波污染、电压闪烁及故障电流等；而并接至输电系统时，另尚须考量虚功补偿、稳定度及备转容量等的需求。另外，当风力发电量所占比例占当地发电系统某一比例时，除一般常考虑对系统各种操作成本所产生的影响外，在技术层面上，根据美国风场近年的运转经验中发现，系统虚功补偿问题、弱电网并接架构、以及传输容量限制将是三大主要须克服的技术问题。本文除简单叙述一般风力发电机及风场对电力品质的影响外，将特别针对美国加州及德州的风力发电经验，分析发展风力发电其所面临的技术问题以及相关的解决对策。
（一）风力发电机并网问题
风力发电机并联电网的特性相当重要，其不可对电网造成电力品质及安全性等方面的危害，因此风力发电机并联时须符合相关法规的限制，以保持相关特性于限制值之内，藉由量测风力发电机所造成的电网响应，可以用于决定何处可并接风力发电机及是否可符合规范限制要求。而应该量测哪些资讯呢？就风力发电机电力品质的量测准则及要求而言，目前国际间均依照IEC 61400-21标准规范来进行量测[2]，其主要说明风力发电机电力品质量测及评估的方法，该标准中也说明风力发电机组量测的程序及测试条件，以确认风机在运转时的电力品质参数特性。
欧洲地区如丹麦、德国及苏格兰等国均有风力发电的并网规范[3-5]，重点着重于输电系统，内容包括实功率摈、频率范围及控制、电压、保护、模型建构与验证及通讯等议题。而台电公司再生能源并联技术要点中，有关运转规范方面，主要规范的内容包括故障电流、电压变动、系统稳定度、功率因数、谐波管制、调度与通讯及系统解联等。国内风力发电系统申请并网时，系统冲击分析要求与国外相似，有关电力品质的内容主要包括：（1）稳态及切换运转时的电压变动；（2）谐波；（3）功率因数；（4）电压闪烁等，各国的规范值会有所不同，主要依据各国电力系统特性、相关运转经验及输配电系统运转者的政策等，皆会有所影响。订定并联法规的目的，为避免当分散式或再生能源发电设备与电网连结时，造成电力系统安全、可靠度及电力品质的不良影响，法规订定必须兼顾合理性，不可太严格或宽松，否则将阻碍再生能源的发展，也因此目前各国并联法规仍持续修正当中。
（二）风力发电面临的技术问题及解决对策
1．美国加州风力发电经验[6]
美国大规模的风场建置始于1982—1986年间于加州地区。这些风力发电的建置诱因主要归功于电力收购合约（Power Purchase Agreement）以及联邦政府的奖励措施。实际上加州针对再生能源的发展及降低温室效应的努力在美国属于领先的地位。目前加州大约具有6,000MW的再生能源装置容量（包括风力、太阳能及其他再生能源），在2006年，这此再生能源总共贡献加州用户高达二千一百万瓦小时的电力，这相当于加州11%的负载需求。为了提升加州使用再生能源的电力，州政府已提出在2010年底，再生能源电力必须供应20%的负载供电，因此近年来也执行许多再生能源并网的研究计划。
加州拥有三处主要的风源地区，分别在Altament、San Gorgonio以及Tehachapi：其中前两个地区座落于加州负载中心，临近500kV变电所，而加州最大风场Tehachapi却仅以66kV传输线连接至加州南北主干线，形成较弱的电网并接架构。在1982—1985年风场建置的期间中，主要的技术考量点在于当发生孤岛独立运转时，造成风场内部所需的VAR遭受严重的限制（有效的VAR供应及管理可控制网路电压及稳定度，并可提升电力品质）。此外，由于当时风机的制造技术以及架设地点的选择均不理想，因此发电效率极差，在1986年，风机装置容量超过300MW的南加州电力公司在尖峰发电量上仅出力125MW左右。自1986至1991年，美国风能工业的技术逐步提升但也遭遇风力发电成本的经济挑战。在此期间，许多风机制造商破产或是合并，然而由于风机性能的稳定性提高，至1991年时，风力尖峰输出已提升至185MW。
在1996—1997年间，加州部分风机已从25kW—65kW容量汰换成500-600kW风机，且风机架设点也经过较佳的评估，并且已建立提高风机支架高度来取得较稳定风能的概念。从此之后，加州风机装置容量及尖峰发电量逐年大幅提升。除了风机装置容量的提升，加州也从1999年至2002年逐步增加线路传输容量，除了增建传输线之外，也增加提供风场VAR的装置，这对于传输容量的提升相当有效。
虽然加州风场在某些时段能操作于满载，但在2001年的容量因数（capacity factor）仍仅27%，研究显示若能增加100MW的风能及储能装置，可将容量因数提升至41%，因此在加州San Gorgonio地区已装设大型电池储能系统，用以提升风力容量因数。加州经验证明，若能结合风力及储能系统，将可有效调配风力输出，并可充分使用输电线路。
加州风场在运行过程中，最重要的技术问题是电压调节问题。在加州Tehachapi风场，拥有超过300MW的风能，但当地负载却仅有80MW，由实际的运转经验发现，经由虚功（VAR）供应来控制电压在当地是相当重要的课题。Tehachapi地区曾发生缺少VAR供应而造成电压崩溃与系统不稳定的状况。但目前已藉由增加VAR供应与增设输电线路而获得改善。
Tehachapi风场是典型较弱的电网并接架构，一般弱电网（weak grid）定义为所并接的感应机额定容量超过15%并接系统的短路容量。Tehachapi风场的尖峰发电量约310MW而并接线路的短路容量约为560MW，由此可见它确实是相当弱的并网架构，此种弱电网架构并不易传输VAR。当长距离的输电线满载时，可视为一等效电感，这种性质将冲击弱电网而可能造成电压崩溃。这些情况Tehachapi风场都曾经历过。
加州风场也遭遇到自激式（self-excited）感应风机的电压控制问题。一般自激式感应风机连接电容器以提供自动激磁功能，电容量大小决定操作点的电压等级。电容愈大，则电压愈高。在正常临界虚功供应下，当风机增加则电网电压下降。在实际系统中可使用闸流体控制电容来改善感应机的电压调节能力。
在Tehachapi电网操作风机P-Q特性曲线如图1所示。由图中可知，若风机具备虚功控制，将可大幅降低虚功的大小。图中曲线（1）为早期控制系统，为传统无载VAR控制且无有效的维护。曲线（2）为相同风场所输出P与Q的关系，但控制系统具有效的维护。而曲线（3）具有改良式的VAR控制，包括加入电容器组以提供局部VAR供应。依据Tehachapi风场的经验，藉由改进虚功控制，已有效提高当地的传输容量。值得注意的，当所增加的虚功能力提高后，电容器组必须快速切离以避免感应机饱和。
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