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為再生能源的發電品質把關

為打造非核家園,政府積極開發再生能源。目前,再生能源占總用電量的5%,尤以風力發電為大宗,全臺的陸域風場已設置318架風力機。然而,由於風速的不穩定性,發電量難以控制,影響電源品質。
 
 
 
近年,核能發電備受爭議,核四議題甚囂塵上。為了打造非核家園,政府積極開發再生能源,全力推廣千架海陸風力機計畫,規劃在2030年前安裝千架風力發電機。目前,再生能源占總用電量的5%,尤以風力發電為大宗,全臺的陸域風場已設置318架風力機。然而,風總是忽大忽小,時有時無,發電量難以控制,甚至影響電源品質。長庚大學陳偉倫副教授為此研發了自動電壓頻率調整器,能有效改善再生能源的發電品質。

陳教授說,風力機和電網的關係,猶如運動會中的接力賽,兩名跑者的速度在差不多的情況下才能順利交棒。若一快一慢,棒子可能會掉落。因此,當風力機和電網的電壓大小和相位一致時,才能順利交棒,即進入同步併聯模式,把風能傳送至電網。

若風力機輸出的電壓和電網的標準電壓不一致,卻強制併聯,就會產生電流突波,導致電壓不穩,影響到電力品質。當風速過低時,風力機和電網的電壓不同,就必須進入解聯模式,即不交棒。而如何在併聯與解聯兩種模式間平順無縫地轉換,是併網型風力機的關鍵技術。

由於風速的不穩定性,併網型風力機有頻繁的解聯與併聯模式的轉換。當風力機在解聯模式下運作時,輸出電壓及頻率都會偏離電網的標準電壓及頻率,導致下一次同步併聯的困難。為使解聯後風力發電機的頻率能與電網一致,精確且即時量測風力機與電網頻率間的差異(頻率差)便成為促使風力機在併聯、解聯兩種模式間平順無縫轉換的關鍵。為此,陳教授首創把一套數學方式應用在解決頻率(速度)的偵測上,可即時並精確計算出風力機與電網的頻率差。

傳統量測頻率差的方式需要冗長的計算時間,並不適合即時的計算。為解決這問題,他提出一種電壓向量正規化的運算,可以快速且精確地計算出發電機和電網的電壓頻率差。

他說,因為自己的專長在電控領域,就把這個數學方式應用在電壓頻率的計算上。事實上,這個數學方式還可以應用在精密機電控制的領域,如工廠的馬達、輪軸速度的偵測。以工廠中的機器人手臂而言,其馬達轉速若稍有誤差,就會影響產品良率。又如光碟裡的馬達也需精密控制,因光碟內有很多資料,若馬達轉速稍有誤差,就會讀錯軌道及資料。能夠即時偵測到速度,代表能即刻調整速度,進而讓系統穩定在所需的速度上。

解決頻率偵測的問題後,再來就是想辦法讓風力機的輸出頻率能夠與電網一致。當風力機瞬間與電網解聯時,輸出的功率瞬間變為0,這時轉速會增加,導致輸出頻率提高。陳偉倫副教授說,這就類似開車時本來行進在上坡路段,坡度突然變平緩時,若油門沒有放鬆,車速會忽然增加。因此,他採用一個電子式負載使加速的能量消耗掉,抑制轉速的上升,並結合無效電力補償器,終而研發出自動電壓頻率調整器來解決風力發電機輸出頻率及電壓偏離的問題。

未來,若使用自動電壓頻率調整器,就可達成無縫併網的目標。這可應用於各式發電機的無縫併網控制,有效降低發電機併聯時對電網的衝擊,且可避免家用電力系統因電壓變動而損壞或異常。
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