家庭用燃料电池发电系统与市电并联系统简介

家庭用燃料电池发电系统与市电并联系统简介 家庭用燃料電池發電系統與市電並聯系統簡介 劉志生 大華技術學院電機系 燃料電池堆(Fuel cell stack)輸出電力為直流輸出(DC current),而一般市電系統為交流輸出(AC current),為了與一般市電網路互相連接,也就是所謂的「系統連線」,必須使用到電力電子元件中的反相器(Inverter),將直流電力變換為交流電力。市電並聯系統連線之反相器必須完全符合市電力網路之電壓與頻率。為了維持固定的電力供給,並聯系統的信賴度與品質是必須要的。所以燃料電池發電系統所使用 uel cell stack)的直流輸出(DC current)的電力轉換電路主要是為了將燃料電池堆(F 與原有市電交流電力系統作正確無誤的轉換並連接,並且還需要抑制轉換電路所產生的高次諧波,以免干擾市電或環境,因此必須要遵守相關的規範(guide-line)。直流轉交流(DC to AC)使用到電力電子元件中的反相器(Inverter)必須要遵守小型化(compact)、高效率與低耗損等絛件。現今電力電子功率元件(Power devices)中可以選擇的主要為閘極絕緣雙極性接面電晶體IGBTs(Insulated gate bipolar transistors),再加上高效率電路設計已得到快速的進展。,讓整體小型化( compact)已是可能。在1996年以前,燃料電池使用反相器的功率元件是雙極性電晶體(Bipolar Transistors)為主流,但是自1996年左右開始起轉移到IGBTs,而目前反相器電路設計的整體效率已經可以達到93~%94%之程度。 將來全世界在環保的潮流下,燃料電池發電系統會因價格逐漸下降而普及化。若個別一台家庭用燃料電池發電系統發生輸出電壓之大幅變動時,在市電之電力網路上如何進行系統連線的保護動作等問題,這一部分必須要事先作規劃。為了維持市電電力供給之可靠度與良好的電力品質,以下將介紹如何解決上述可能發生的電力電子工程問題。同時也必須將配電線損耗之降低與配電系統之電壓安定化,讓高效率之燃料電池發電系統與市電力網路結合之優點作充分發揮。朝向高品質電力系統,還可以考慮高價位的不斷電(UPS)系統,或者比較廉價但允許短暫斷電之電力系統。這一部分應該是由客戶來選擇其所需求的要求。為了達成此一目的以前,本 文介紹這一部分所需要的知識。電力網路管理者如果在導入高效率燃料電池發電系統,與不斷電之電力儲存裝置等先進設備,除了可以達到高品質電力供給還可以滿足保護地球環境的目的,這一部分之新興綠色之潔淨能源發電技術與市電網路並聯之使用型態在未來將充滿著蓬勃發展的希望。 第1節 與市電網路的系統連線運轉 1. 燃料電池發電系統與市電網路的系統連線運轉之目的 家庭單獨使用一台燃料電池發電系統,並直接將產生的電力供給於設備負載時,對於負載產生急遽的電力變動與發電設備產生的散熱問題,必須能夠隨時予以監控讓燃料電池發電系統作正確地的輸出。燃料電池發電系統在例行保養時等狀況,必須要停止運轉時,只好停止家庭設備之負載或用電。因此,無法只單獨使用燃料電池來完全供應工廠或家庭所需的所有電力,如此將會擔心對於工廠作業與家庭生活造成不方便。介紹到此讀者應該可以瞭解高效率之燃料電池發電系統,一般都必須與電力公司所提供的市電網路進行系統連線了。 燃料電池發電系統與市電並聯的系統連線之優點列出如下各項: (1)即使連線上的電力負載之相關設備作緊急開動與停止等動作將會造成很大的電力變動,此時可以因市電電力網路系統連線之調整而獲得穩定電力之供應。 (2)燃料電池發電系統之進行保養或發生故障等特殊或意外情況下,有可能造成電力負載的設備因此停止運轉,此時還可以由市電電力網路之系統連線繼續提供連續而穩定之電力供應。 (3)就經濟面來說,如果燃料電池發電系統產生剩餘電力,可以藉由系統連線將剩餘電力賣給電力公司。 參考表7-1所列的內容,從有效利用能源與保護地球環境不受污染的觀點來看,電力公司可以購入潔淨能源之剩餘電力的對象與契約條件,或是更積極地購入以再生能源為中心之大型專業發電電力也是可以的。燃料電池發電系統所提供之剩餘發電電力,是列在表7-1中之「家庭發電之剩餘電力」之購入項目,可以賣剩餘發電電力給電力公司,如果剩餘電力可以滿足穩定化供應的情況下,滿足「穩定評 估的計算」之應用,另外還可以再特別訂定外加的契約來買賣剩餘發電電力給電力公司。 市電並聯系統連線的優點,電力網路系統連線之燃料電池發電系統用戶於尖峰(peak power)時段對於電力有較大之需求,可以將一部分不足的電力由市電電力網路來提供,藉由市電電力網路之減少尖峰電力(peak cut)不足現象,來達成不同時段之負載平準化(load leveling)之效果。 表 1 剩餘電力購入項目與相對應的契約條件[1] 剩餘電力購入項目 購入對象 契約條件 家庭發電之剩餘電力 汽電共生等分散電源之剩1.依電力規模、季節、時 餘電力 段個別訂定 2.每年更動購入價格,夏 季白天時段另外評估 廢棄物發電之剩餘電力 地方政府經營之廢棄物處1. 依電力規模、季節、時 理所產生之剩餘電力 段個別訂定 2. 購入價格依「時段、季 節差別電力」 太陽能發電之剩餘電力 非專業之家庭太陽能與風依「電器供給約定條款」 力發電之剩餘電力(家庭或「選擇性約定條款」作 消費比在50%以上) 為購入價格參考 中小型規模風力發電之剩專業中小型規模風力發電契約年限以15年為基餘電力 (發電規模小於2000kW準,經協議後決定 且家庭消費比小於50%) 大型規模風力發電之剩餘專業大型規模風力發電依電力購入投標之契約 電力 (發電規模大於2000kW 且家庭消費比小於50%) 註: 所謂「安定評估的計算」是依夏季月份購入之電力需要滿足以下兩個條件: 1. 夏季白天各個時段之剩餘電力在5000kW以上。 2. 夏季白天各個時段之變動率低於?5%。 除了安定供應部分之購入電力單價與變動購入電力單價之契約兩部分。 變動率=[(實際供給電力-額定供給電力)/額定供給電力]×100% 2.系統連線並聯運轉之型態 家庭用戶與發電事業者將所設置的燃料電池發電系統與市電電力網路系統連線的情況下,依照燃料電池與發電設備的容量,來與電力公司的低壓配電線、高壓配電線或特高壓電線之任一種系統作連線。以下以高壓配電線的系統連線為例,將相關市電並聯系統連線之型態作介紹,至於與市電系統連線之分類與家庭用戶方面應具備之技術要件等將於第四節介紹。 (1)市電並聯運轉 所謂「燃料電池發電系統之市電並聯運轉狀態」,是與電力網路開始並聯時間點至脫離時間點為止之間的狀態。此時擁有燃料電池之家庭或工業用戶與同一電壓配電線之市電並聯的概念圖如圖1所示。由燃料電池發電系統朝向電力網路一側之電力流動稱為「逆饋電力流」。在此假定燃料電池之發電輸出電力瓦數[kW]較用戶端的負載[kW]為大,「逆饋電力流」是以破折線箭頭來表示電力流動的情形。 (2)單獨運轉 如圖1所示,當高壓配電線方面發生短路或接地等之事故時,區域變電所開啟配電線用遮斷器,此時擁有燃料電池發電系統之用戶與原本連接之電力網路的電源設備呈現斷開的狀態。在發生短路或接地等事故的情況,燃料電池發電系統轉變成將電力供應於局部連接於同一配電線之其他客戶之「單獨運轉狀態」。單獨運轉之概念圖如圖2所示,燃料電池發電系統並不脫離配電線,而是持續地運轉下去。另外,並無來自燃料電池發電系統之「逆饋電力」,只有局部地將電力輸往局部連接配電線的狀態謂之「逆充電」。 依據「系統連線運轉技術要件」是應該要確實防止發生短路或接地等之事故,讓擁有燃料電池發電系統之用戶進行單獨運轉之應變,由區域之配電用變電所確實地打開遮斷器為原則,其他應注意事項如下所列: 圖一、燃料電池發電系統之市電並聯運轉 圖二、燃料電池發電系統之單獨運轉(依據「系統連線運轉技術要件」作處理) (i)公眾觸電---電力網路上發生事故點若一直存在而未能獲得解決的狀態下,只 好持續單獨運轉,事故點附近有可能會帶給一般民眾發生觸電等之災害。 (ii)機器設備損害之發生---持續單獨運轉的話,因為單獨由燃料電池發電系統所 提供電力給相連接之電力網路,其系統電壓與頻率容易發生變動的情形, 將會造成對於相連接的其他客戶的機器與設備可能造成損害與劣化現象。 同時,「單獨運轉」持續之狀態下,由於區域配電用變電所之遮斷器如果 再閉合的話,將成為「非同步投入」狀態,將損害連接於電力網路內之機 器設備。 (iii)作業員之觸電---依據「系統連線運轉技術要件」之事故應對作業,本來應 該停電的地方,可能因為逆充電而致使作業員發生觸電。 (3)自行運轉 如圖7-2所示的情況,當電力網路發現燃料電池發電系統單獨運轉時,此時將開啟與其他客戶之系統連線用遮斷器,形成燃料電池發電系統只供應電力給本身用戶負載之狀態,謂之「自行運轉」。「自行運轉」之概念圖如圖7-3所示。 「自行運轉」的使用情況是如圖1所示,當市電並聯系統連線之配電線上發生了意外事故時,為了維持市電電力的穩定所轉換之運轉狀態,意外事故復原後必須恢復如圖1之狀態。恢復與市電並聯以前,必須先與電力網路自動取得同步,另一方面也要防止在非同步下就完成並聯的動作,與並聯時發生瞬間電壓下降之現象發生。 圖三、燃料電池發電系統之自行運轉 第2節 直流轉交流用反相器的組成與特徵 1. 反相器的工作原理 電力電子元件依輸出輸入型態之不同所作的分類如表7-2所列,分別有四種之不同的電力變換方式與設計出相關的電力轉換電路應用。燃料電池發電系統的輸出電力為直流電,直接供應給直流負載時是利用斷續器(chopper)電路作直流轉直流或DC-DC轉換器來調整電壓輸出。除此之外,還有使用反相器(inverter)或DC-AC轉換器將直流電力變換成交流電力。燃料電池發電系統的輸出為直流電力,為了與市電並聯而與電力網路作系統連結,必須將電力變換成與電力網路相同的系統電壓與頻率。進行電源對負載電壓與電流之變換的功能稱之為「轉換」,實現此機能的電力電子轉換元件稱為「反相器或變頻器(inverter)」。 表2 電力電子元件依輸出輸入型態之不同所作的分類 輸入/輸出 交流(AC) 直流(DC) 交流(AC) 直接作頻率變換 整流器(rectifier)或順向變 換 直流(DC) 反相器(inverter)或逆向變直流轉直流輸出 換 圖四(a)、反相器或變頻器(inverter)的工作原理 圖四(b)、反相器或變頻器(inverter)的工作原理 反相器或變頻器(inverter)的工作原理如圖4(a)所示,與三相中之一相之輸出與負載電壓如圖4(b)所示[3]。截波器(chopper)分別由SW-P,SW-N兩個開關表示。將輸出電壓值(正弦波)與載波(通常使用三角波)瞬間值的大小加以比較,於兩波形之交點處變化之型態(pattern),開關SW-P與 SW-N之ON或OFF時間信號表示,如此之調變方法謂之「脈寬調變」(Pulse Width Modulation,PWM)。由於載波採用三角波,又稱為「三角波比較PWM控制方式」為最一般的調變法。反相器或變頻器之輸出端UI於開關SW-P在ON期間出現+Ed/2之放大電壓值,而開關SW-N在ON間則出現-Ed/2之放大電壓值。輸出電壓則以+Ed/2與-Ed/2之間交互出現,隨著電壓設定值呈正弦波之變化,其輸出電壓值在寬度+Ed/2與-Ed/2之間變化,也可以改變平均電壓之大小。將直流電壓固定的話,可以任意地控制交流電壓。反相器或變頻器轉為三相時,則分別設定三個120度之相位差的正弦波作為設定電壓輸入即可。各相的動作如圖4(b)所示相同。 2. 功率元件 使用於反相器或變頻器電路之各色各樣功率元件被開發出來且已實用化。依照通電電流、容許電壓與開關動作之頻率等大小,選擇適切的功元件。表7-3所示為功率元件的構造、特徵與外觀。 矽控整流元件(SCR)為開啟動作的控制元件,如表三所列之內容來看,其主要構造為4層之pn-pn構造,連接端子有陽極(A)、陰極(K)與閘極(G)。若通電流於矽控整流元件(SCR)之閘極而呈開啟ON狀態,即使不繼續供應閘極電流亦能保持開啟ON狀態。為了轉換成關閉OFF的狀態時,可以將陽極電流降至保持電流以下或施加逆向電壓讓主電流呈逆向流動。如果是利用外部電源等來控制關閉(turn-off),被稱為「外激式反相器」。矽控整流元件(SCR)為低損耗、高耐壓、大電流化之故,於是常被用於大容量之電力變換。實用化最大容量的矽控整流元件規格有8kV?3.5kA元件,應用於直流發電等用途。 利用閘極電流來作關閉(OFF)的動作之功率元件為閘極截止閘流體GTO(gate turn-off thyristor)。閘極截止閘流體(GTO)與矽控制整流元件(SCR)相同的地方為皆是pn-pn 四層構造,不同的地方是能以負的閘極電流來作關閉(turn-off)的動作。但是須注意的地方是關閉(turn-off)電流至少要有主電流之1/3強的大電流才可以,閘極驅動電路也因此變得比較大。雖然被使用於大容量之自激式反相器,但因元件損失過大與高頻下操作困難之故,目前最高頻率lkHz左右為其限度。 雙極性電晶體(Bipolar transistor)是由射極(E)、基極(B)與集極(C)的三端子元件。雙極性電晶體是線性功率放大元件,使用於截止區與飽和區可以實現開關的動作。為了提高電流的增益而使用兩個雙極性電晶體,前段電晶體將後段電晶體的基極電流放大,也就是所謂的「Darling Pair」之構造。如此電路設計之主要缺點是集極與射極之間的飽和電壓變大,也會增加儲存時間與損失,操作頻率上限為數kHz。近年來,由於MOSFET、IGBT在性能有了很大的改善,因此Bipolar transistor之應用領域正逐漸縮小。 表三、功率元件的構造、特徵與外觀 金氧半場效應電晶體(MOSFET)基本上是由源極(S)、汲極(D)與閘極(G)構成的三端子元件。如果MOSFET之源極是帶電粒子的供給源,則汲極就是帶電粒子之取出口。如果於MOSFET閘極加上正電壓的話,於閘極下方就會有通道被形成。再進一步地於汲極與源極之間施加電壓的話,通道內便有電子往汲極移動而產生電流。MOSFET元件為多數載子,相較於少數載子之功率電晶體(Bipolar Transistors) 而言,是比較適合高速動作的。MOSFET之操作頻率可以達到數十MHz。如果耐壓增加的話,開啟(ON)電壓亦變大。因為閘極之驅動電路是屬於電壓驅動,比較簡單,驅動電力亦小。 IGBT為兼俱有MOSFET與Bipolar transistor兩者優點之複合元件,包括高速開關、高耐壓與低開啟(ON)電壓。此外,其操作頻率可以達到數十kHz。 另一方面,將閘極的驅動電路與保護電路內建於單一個封裝內之智慧型功率模 組 (intelligent power module ,IPM)亦被開發出,將IGBT以IPM化後組裝容易、 小型、輕量與高信賴性。 表三、功率元件的構造、特徵與外觀 (續) 3. 反相器或變頻器之電路設計 GTO、Bipolar transistor、MOSFET、IGBT等之功率元件,皆可以由閘極操作來控制開啟(ON)與關閉(OFF)之動作,因此這一類的電路稱為「自激式反相器」。相對於「自激式反相器」,使用矽控整流元件之電路設計因為是由電源電壓與負載電壓來控制關閉(OFF)之動作,因而稱為「他激式反相器」。 表7-4所列為反相器之連接方式。自激式反相器因不需要整流電源,作為電壓源時可以將電力供應給負載,亦可「自行運轉」。相對於「自激式反相器」,「他激式反相器」在單獨供應給負載之電力限定於整流電源之電動機負載而已。「他激式反相器」電源之功率因數比較小,亦會產生大量的高次諧波,必須附帶有調相設備與高次諧波濾波器等設備。 表四 反相器連接方式之比較 4. 與系統連線用反相器或變頻器的基本特性與應用實例 (1) 反相器或變頻器的基本條件 燃料電池與太陽光發電、風力發電等被定位為新能源發電系統,反相器或變頻器作為潔淨能源與電力網路的界面機器,進行系統連線之能量轉換工作,其組成如圖5所示。一般而言,反相器或變頻器將直流電力轉換為連線系統之頻率相同的交流電力。如圖所示,與系統連線用反相器或變頻器之發電系統包含連線用遮斷器在內之保護裝置、蓄電池、量測裝置等基本元件,典型的新能源發電系統與電力儲存 裝置,與反相器之主要特徵列在表5。依照能源、運轉特性與特徵之不同,與系統 連線之反相器則是共同必備,應該具備有以下之條件: 表五 新能源發電與系統連線用反相器之特徵 應用領域 燃料電池發電 太陽光發電 二次電力儲存 基本特性 ?避免輕負載 ? 日照變動 ?輸出電力隨著電 ?輸出電力隨著電? 輸出電力隨著流增加電壓下垂 流增加電壓下垂 電流增加電壓 下垂 發電容量範圍 ? 小規模至大規? 相對較小規模 ? 小規模至大規 模 ? 數百W到數模 ? 數W到數十MW ?數十kW到數十 MW MW 反相器特徵 ?電壓形式,?電壓形式,?電壓形式, IGBT(GTO),IGBT(GTO),IGBT(GTO), PWM,多脈衝,多PWM,多脈衝,多PWM,多脈衝,多 重,電壓下垂適應重,最大電力追隨重,電壓下垂適應 控制 控制 控制 圖五新能源發電與系統連線之反相器特徵 (i)具備與市電並聯之系統連線技術要件---系統連線時必需要具備必要的保護功能以維護良好的電力品質,「系統連線技術指導原則」[7]中有詳細說明其技術要件,主要項目包括應用範圍、系統連線的區分、保護機能、性能等技術要件。 (ii)具有配合電力之輸出控制與調整功能---應發揮配合各自的新能源發電裝置之反相器或變頻器之電力輸出性能,燃料電池發電系統之所屬反相器必須被要求於負載變化或燃料體系發生變動時,就算發生影響電池電壓輸出之變動了,還能保持安定的輸出控制。其他像是電力儲存用的反相器亦是一樣,有些操作條件下,例如,電力儲存器自放電狀態之初期與末期階段,放電初期直流電壓變成佔總電力40%以上,同樣放電末期直流電壓大幅降低時,皆需要有使電力輸出保持固定之控制。另外,在風力發電應用方面,由於發電機的輸出隨著風速變化亦有很大的變化之故,反相器除了應具備電力變動之輸出控制與適應發電變化的追隨性調整功能以外,還必須要有抑制大電力變化對於電力網路影響的控制。冉者,小型風力發電系統附加蓄電池的方式日漸普及。依照此一方式的話,將直流電壓之變動幅度壓制在可接受的較小值是可能的。 表6 反相器應俱備之主要條件 對象界面 功能 主要設計重點 燃料電 電池力 堆 網 路 1 電壓追隨性 對於電力輸出的增加、燃料發生變化、反應溫? 度過高等所引起電力輸出的電壓下降的適應控 制 2 負載變化對應 對於負載變化、漣波、長時間無負載等造成發? 電效率降低的狀況預防 3 低電壓大電流 對於大電力之低電壓與大電流之反相器的輸出? 電壓與電流的平衡,與截波器之應用 4 防止逆充電 來自反相器之逆向電流所引起燃料電池電解質? 劣化的防止措施與防止逆向充電的二極體電路 設計 5 系統電壓變動 對於系統瞬間斷路、電壓低下等電壓變動決定 ? 持續運轉、待機、停止等之反相器的控制 6 輸出高頻波 抑制系統連線時高次諧波流出 ? 7 安定運轉 對應運轉時有效、無效電力之控制,單獨運轉 ? 時的輸出電壓之固定與固定頻率的控制與模式 切換 (iii) 與潔淨發電電力的特性能夠整合一起,發揮最大效益---在此舉幾個實例,追隨太陽光發電之最大輸出地控制之範例、燃料電池發電系統負載急速變化下發電電力的安全控制、建構燃料電池堆(fuel cell stack)與燃料處理裝置之安定化控制。另外,在大型風力發電之組合感應發電機與反相器的電力系統,包括維持發電機一定輸出電壓與輸出頻率,而兩者皆與風速成正比之基本特性,使發電電力能夠有效地被取出之滑動頻率的固定控制。其控制原理主要是利用反相器與風力之發電機的馬達可變速度控制達成回授控制原理的結果。一般燃料電池發電系統與系統連線之反相器應具備之主要條件表6所列。 (2) 各種潔淨能源發電設系統之應用範例 將各種潔淨能源發電系統與燃料電池發電系統採用反相器的直流轉交流電力輸出與市電並聯之共同點與不同點加以比較。燃料電池發電系統之反相器的基本電路設計如圖6所示。對於燃料電池堆(fuel celI stack)之電壓-電流特性之控制是採用電力控制與電壓控制(AVR)。此外,發電廠房內部包含燃料電池發電系統之燃料重組器在內之系統全體的控制應該是以電力控制或電壓控制的優先順序。對於燃料電池發電設備之大容量化的對策,包括亦有市電並聯所連接的反相器、利用多重變壓器系統與系統連線於市電電力網路之實例如圖7所示。 圖六、反相器基本電路之結構圖範例 太陽光發電系統之反相器直流轉交流電力系統如圖8所示,以太陽能電池輸出之輸出電壓與電流特性(圖9)為根據,縱使日光照射量是隨時間、季節與天氣等因素導致發電電力有所變化時,亦適用最大輸出電力之追隨控制[10]。 大型風力發電系統則是組合了永磁式同步發電機與系統連線的反相器之直流轉交流電力轉換系統,如圖10所示主要是配合風速之風車葉片間角度控制與反相器之變頻控制,使得輸出電流與輸出電壓得到更安定的發電電力輸出[11]。至於小型風力發電機與太陽光發電之複合電力系統(hybrid power system)如圖11所示,在直流電路上附加有蓄電池,由風速造成風車旋轉數之改變讓直流電壓產生變動也不受影響,反相器設計電路讓發電電力固定的狀態下運轉。 圖七、利用多重變壓器作成直流轉交流電力與系統連線之範例 圖八、太陽光發電系統之直流轉交流用反相器電路設計之範例 圖九、太陽能電池之輸出電壓與輸出電流之基本特性範例 圖十、永磁式風力發電機之範例 圖十一、風力與太陽光發電複合發電系統之範例 圖十二、鈉-硫黃(NaS)二次電池電力儲存系統之範例 鈉-硫磺(NaS)二次電池之電力儲存系統如圖12所示,主要是利用反相器之電路設計來進行充放電動作,充放電之直流電壓變動率大約為70~110%之寬廣範圍,因此有必要將此寬廣範圍變動納入調整控制[12]。此外,反相器還使用到相位間電抗器將電力與系統並聯以實現大容量化。 燃料電池發電系統之直流轉交流反相器電路設計的主要技術課題為高效率、密集化與低成本化,有必要進一步配合電力容量之選定與廠房作整體設計的考量。對於小中電力之直流轉交流反相器電路設計而言,利用反相器之開關頻率高頻化來提昇效率與性能是未來發展方向。對於大電力之直流轉交流反相器電路設計而言,則以多重化、多階化等電路設計與符合燃料電池堆(fuel cell stack)之輸出電壓--電流特性之最佳設計為重點。 第3節 燃料電池發電系統之反相器電路設計 1. 磷酸型燃料電池(PAFC)發電系統之反相器電路設計 以下的內容將介紹日本在燃料電池發電系統實用化之範例,這一部分PAFC之 資料相當豐富,參考具有代表性的110件PAFC實例,合計總發電容量相當於32,680kW之反相器電路設計的規格與特徵列出並比較之以供參考。 反相器之電力轉換設備的電力容量分佈如圖13所示,大部分集中在50~200kW的為主。由以上數據可以知道PAFC發電系統比較適合於中小容量電力系統,大容量電力系統反而比較不普遍。 圖十三、反相器容量與設備容量之分布情形 被使用於反相器電路設計的功率元件之種類、數量與容量的百分比如圖14所示。就數量而言,IGBT佔45%、功率電晶體佔49%、GTO與MOS元件則佔極少數量但仍有實續。就容量來看的話,IGBT佔29%、功率電晶體佔20%、相對於IGBT與功率電晶體來說,GTO佔50%為最大部分。GTO佔有容量最大之理由是本身是以大容量為對象的功率元件。舉例來說,6kV與6kA之大容量電力電子元件亦已廣泛用於電力產業上[13]。然而,GTO也並非沒有缺點,本身有低效率與冷卻等問題,無法提高操作頻率,必須要將反相器多重化或增加輸出高調波濾波器之容量等對策。此外,對於現地型(on-site)之燃料電池發電系統本身並不屬於大容量電力無須使用到如GTO之大容量反相器,例如2OOkW左右的容量以並聯連接的方式即能夠對應,此亦為功率電晶體與IGBT普及的原因之一。 外圓環:反相器統計數量,內圓環:反相器容量 圖十四、反相器使用之功率元件分類統計數量與容量之分布情形 圖十五、IGBT與功率電晶體之使用實績 接下來將日本地區PAFC燃料電池發電系統,自運轉開始的西元年與功率元件應用實績之增長關係示於圖15。主要使用的元件大部分是屬於功率電晶體與IGBT。功率電晶體的使用量自1992年達到顛峰以後開始減少,取而代之的IGBT 自1996年開始使用量就一直增加。其理由乃是IGBT元件之驅動功率非常小,驅動功率僅數W左右即可,而且閘極之驅動電路還可以密集化(compact),是很容易使用的元件。此一趨勢並不拘限於燃料電池之反相器電路設計,其他領域產業亦相同。而且,IGBT元件之低損失、大容量化正在進展著。舉例來說,3.3kV,l2OOA元件早已實用化,甚至連4.5~6.5kV級的元件亦被開發出。 (a) 反相器設備之直流電壓 (b) PAFC燃料電池發電容量與直流輸出電壓之關連性 圖十六、直流電壓之分布與燃料電池容量之相關性 燃料電池堆之直流電壓之分佈與發電容量之關連性如圖16所示,大部分集中於100~350V。至於100~200kW級之發電容量因為使用200~350V之直流電壓,5OkW級則使用100~130V之直流電壓,由圖(b)可以看出隨著發電容量之增大,直流電壓有增大之趨勢。此乃在維持一定的直流電壓下可藉增加輸出電流來增加發電容量,但就反相器之變換效率的角度來考慮的話,還是提高輸出電壓會比較有利。2OOkW級PAFC燃料電池堆使得額定電壓為12OOV之lGBT元件較多,5OkW級則使得額定電壓為600V之IGBT元件比較多。在其他產業如馬達驅動(motor drive) 等之應用領域,額定電壓為12OOV功率元件若為三相交流則額定電壓為400V,額定電壓為600V功率元件則假定為三相交流輸出2OOV之額定電壓元件最為廣泛普遍。直流電壓為20OOV之例子亦是有之,此乃應用了最耐高電壓的GTO功率元件之結果[15]、[16]。 反相器效率之分布與燃料電池發電容量之關連性如圖17所示,大部分效率之分布為91~94%,發電容量為100kW級時效率之分布為91~94%、200kW級時為93~94%、更大發電容量時則為97%之高效率。顯然地,反相器效率或發電容量與功率元件之開關頻率關係密切。 反相器使用功率元件之開關頻率分布與燃料電池堆發電容量之關連性分別如圖18所示,開關頻率分布範圍大約有 8kHz之廣,發電容量100~20OkW級PAFC數量最多且多分布在4~8kHz之高頻操作範圍。開關頻率與反相器效率之關係示於圖19。開關頻率愈高,(serge)吸收之故,使用( snubber)電路與功率元件本身之損失增加而導致反相器效率下降之趨勢。但是降低開關頻率的話,就會增加往電力網路流出之高次諧波,為了抑制高次諧波發生還必須要增加濾波器電路之容量。最後是由損失效率與發生高次諧波之間作取捨(trade-off)來決定開關頻率的大小。 GTO (a)直流轉交流設備與反相器效率 (b) PAFC燃料電池之發電容量與反相器效率 圖十七、反相器效率之分布與燃料電池發電容量之關連性 GTO (a)直流轉交流設備功率元件之開關頻率 (b) PAFC燃料電池之發電容量與功率元件之開關頻率 圖十八、功率元件之開關頻率之分布與燃料電池發電容量之關連性 圖十九、功率元件之開關頻率與反相器效率之關連性 反相器之容量(kVA)之分布與燃料電池容量(kW)之相關性示於圖20(a)與(b),由圖(b)可以看出兩者大致上為線性之關係,大部分是活用自激式反相器高功率因數運轉的優點。 功率因數之分布與燃料電池容量之關連性如圖21所示,大部份是在 1.0之高功率因數下獨立控制有效電力與無效電力,即應用電力向量控制使其具有靜態變數補償的功能(Static Var Compensator, SVC)。 (a) 直流轉交流設備反相器容量之分布 (b) 燃料電池容量與反相器容量 圖二十、反相器發電容量之分布與燃料電池容量之相關性 ,a,直流轉交流設備之功率因數分布 ,b,燃料電池容量與功率因數 圖二十一、功率因數之分布與燃料電池容量之相關性 反相器之電壓利用率(=直流電壓/功率元件固定電壓等級)之分布與燃料電池發電容量之相關性示於圖22,考慮直流電路本身配線電感部分可能引起功率元件之跳電,就電壓利用率而言最好是對於額定電壓保有餘裕來使用。反相器之電壓利用率愈高,愈能有效地利用功率元件,燃料電池直流轉交流設備大約為2,,30%附近,產業用反相器設備以40%~60%左右之實例最多。燃料電池發電系統在沒有負載時之情況下電池輸出電壓很高,一旦連接上負載以後輸出電壓又快速下降,故其輸出電壓變動的範圍很廣之故,因此餘裕是有必要的。 ,a,直流轉交流設備之電壓利用率之分布 ,b,燃料電池容量與電壓利用率 圖二十二、電壓利用率之分布與燃料電池容量之相關性 系統連線交流電壓之分布與燃料電池堆發電容量之相關性示於圖23,發電容量在5OOkW以下部分為高壓系統連線,主要還是三相2OOV、400V為主。發電容量超過10OOkW話,則是與6.6kV與66kV之交流電力作系統連線。 其次,分散型電源作系統連線時必須避免影響原來市電之供給信賴度、電力品質與人身保護安全等方面產生不好的影響。因此有必要制定「電力系統連線技術要件指導方針」,基本上燃料電池發電系統必須依照指導方針進行系統操作〔17〕。在 導入PAFC燃料電池發電系統時,對於系統連線保護狀況如單獨運轉的檢出(主動或被動)、有無轉送或切斷、升頻或降頻、過電壓或不足、有無接地、有必要加斷電器等。另外,當發生電力網路停電時,為了繼續供給電力於負載而進行之自行運轉是必要的,目前新建立的發電設備具有自行運轉之功能的實績已變很多。自行運轉不同於系統連線之情況,因反相器本身必須維持固定輸出電壓與頻率,因而發展出許多種不同的控制方式。如圖7-6為典型的自行運轉與系統連線之控制方式範例。與市電並聯之系統連線時是使用電力向量控制(APR,AQR),自行運轉時便切換成為固定交流電壓之AVR控制。 ,a,直流轉交流設備之系統連線交流電壓分布 ,b,燃料電池容量與系統連線交流電壓 圖二十三、系統連線交流電壓之分布與燃料電池容量之相關性 2. 一般燃料電池堆直流轉交流發電設備之反相器的電路設計 一般的燃料電池堆直流轉交流發電設備之反相器的電路設計示於圖24,燃料電池堆(fuel cell-stack)與反相器直接連接,如表7詳細列出反相器的規格與明細,而表8則列出截波器的規格與明細〔18〕。如圖24所示燃料電池堆(fuel cell stack)直接連接-反相器之方式(圖(a)),為了抑制燃料電池堆之直流輸出產生輸出連波(ripple)與吸收來自反相器之開關連波,故連接輸出平滑用的濾波電容,功率元件方面則是使用600V IGBT。為了增加反相器之容量,更進一步採用並聯連接以增加電流容量之方式。於此範例中將6 個600V?800A IGBT元件並聯連接,額定電流為4800A等級。在交流電力輸出(AC)端,為了配合市電系統作系統連線所必須的電壓乃連接變壓器以昇壓,為了減少高次諧而連接 AC濾波器電容、變壓器之漏電感、電容與系統連線電抗器,形成「高次諧波濾波器電路」。 ,a,燃料電池堆-反相器之直接連接方式 ,b,截波器(chopper)之連接方式 圖二十四、一般燃料電池發電設備之反相器結構 表7 燃料電池堆-反相器之直接連接方式-反相器之規格 規格 額定功率輸出(反相器發電容量) 200 kW (253 kVA) 電壓,頻率 210 V,三相,60Hz 直流電壓(Fuel cell stack) 224 V 主要電路之構成 三相PWM反相器 IGBT 600 V,800 A 冷卻方式 水冷方式 開關頻率 1.98 kHz 表8 燃料電池堆-反相器之直接連接方式-截波器之規格 規格 額定功率輸出(反相器發電容量) 200 kW (25 kVA) 電壓,頻率 420 V,三相,50Hz 直流電壓(昇壓截波器輸出端) 218 V 主要電路之構成 三相PWM反相器 IGBT 1200 V,300 A 冷卻方式 水冷方式 開關頻率 6 kHz 截波器(chopper)之連接方式如圖24(b)所示為單一組2OOkW級PAFC燃料電池堆之發電系統實例,燃料電池堆之輸出線路上串接有直流電抗器(DCL)與昇壓截波器,用於吸收燃料電池堆(fuel cell-stack)輸出電壓之變動,維持提供一固定的電壓給反相器轉交流電力輸出。以上反相器電路設計方式是將輸出電力經截波器(chopper)與反相器(inverter)兩個階段,故以上為可能發生損失之處。反相器將增大直流輸入電壓且降低輸出電流,必須要降低反相器元件損失以提昇效率。考慮整體之反相器效率為93~94%,大約是相同程度。 3. 反相器的電路設計之未來動向 反相器於電力電子產業領域,目前IGBT功率元件正普及,使用起來方便,加上持續地進展降低元件損失等,皆使得IGBT功率元件未來在燃料電池發電設備之反相器電路設計變成主流。其中反相器電路設計尤以使用600V及l2OOV之泛用IGBT功率元件可以降低成本,這對於燃料電池發電的普及化有很大的貢獻。就燃料電池發電機能上而言,市電電力網路停電時等意外發生時,只要供給燃料氣體的話,亦可自行運轉發電,此時功能是類似緊急用電源。因此,如圖 25所示以上構想已被提出作為高品質與高信賴之電源系統[19][20]。 一般與市電電力並聯作系統連接時,通常是由燃料電池堆(fuel cell-stack)的直流輸出電力將一部分發電剩餘電力連接到雙向反相器與系統連線輸出到市電電力網路之路線來供給電力,另一部分經反相器直接連接給電力於負載以提供高品質電力。當負載變小時,此時將燃料電池發電量之絕大部分作為剩餘電力藉由雙向反相器往市電並聯電力網路或往其他的負載去供應。當與市電並聯系統截止或切斷時,燃料電池之發電直流電力藉由反相器轉換為交流電力繼續供應,此時當作備用電源(back-up power source)。燃料電池發電所需要之燃料可以由都市瓦斯管線切換至液態瓦斯桶(LPG)等輔助性燃料,而成為高信賴性的電力系統。另外,200kW級磷酸燃料電池(PAFC)被大量設置成分散型電源的情況下,可以想像有可能得到系統電壓與頻率之不安定等之問題發生。在反相器的電路設計時,因很容易控制無效電力與頻率(AFC)等之故,亦被期待設計成系統安定化裝置之附加機能[9][19]。 另一方面,在實際運轉之下導因於反相器之意外問題亦常有之[21],最好配合設置條件對於系統連線預先制定漣波對策與突波電壓(serge)之控制等措施,有必要進一步提高系統的信賴性。再者還可以使用電話網路連進行遠端監控與預防保全技術與維護,亦為穩定燃料電池應用的有效措失[22]。 第4節 燃料電池發電與市電電力網路之系統連線技術要件與課題 1. 與市電電力網路之系統連線技術要件 (i) 市電電力網路品質現況 所謂「高品質的電力供給」是指即使負載變動之情況下還是將供給電力之電壓與頻率維持固定與不間斷地供應給客戶。電力的品質是以電壓與頻率基準值之變動程度與停電的程度來表示之。 有關系統電壓基準值,依據「電力事業法」對於低電壓用戶之供給電壓應維持 在以下之範圍內: 圖二十五、高品質、高信賴之電源系統 , 標準電壓1OOV(例如,電燈負載):不超過1OlV?6V之範圍 , 標準電壓2OOV(例如,動力負載):不超過2O2V?20V之範圍 電力公司對於高電壓配電線之電壓變動並沒有特別規定,但為了維持供給低電壓用戶穩定之電壓,必須要依用戶負載之大小調整配電線之送出電壓,於是在配電線之中途再置入電壓調整器與改變電線桿上變壓器之插座等措施。 電力公司於電力事業法內容上對於所傳送交流電力頻率的變動方面,並沒有特別規定頻率變動正常範圍的確定數值,一般是以基準頻率之?0.1~0.3 Hz為容許偏差的目標值。 其他供電的規定,還包括停電程度的特別規定為停電次數與停電時間,在日本地區數十年間關於停電已經是特別地減少,電力服務與歐美地區比較整體來說是維持著高水準 [25]。 (ii) 系統連線技術要件指導方針之修改 燃料電池發電是被定位為分散型電源的一種,其他的分散型電源還包括太陽光發電、風力發電等自然能源發電、垃圾、生質能(bio mass)與廚餘發電等。為了鼓勵這些分散型電源而導入以下措施之一,乃將家庭用發電設備為了與市電並聯之系統連線於電力網路之技術要件經整理以後被制定為「系統連線技術要件指導方針」[7]。 圖二十六、「系統連線技術要件指導方針」的修改 將「系統連線技術要件指導方針」自制定開始到目前為止的修改如圖26所示,上半部份為「環境保護下電力之社會變遷」,下半部份為「系統連線技術要件指導方針之變遷」,詳細內容如下所列: (a)1986年8月為了汽電共生等家庭用戶發電設備與高壓電以上電力網路作系統連線,日本由當時通產省資源能源廳公益事業部通知開始制定「系統連線技術要件指導方針」。 (b)1990年6月追加了燃料電池發電、太陽光發電等直流電力發電設備與反相器直流轉交流電力作系統連線,1991年3月再追加燃料電池發電、太陽光發電等小規模分散型電源與低電壓配電在無逆饋功率下作系統連線技術要件。 (c)1991年10月追加家庭用發電設備作系統連線於單點電力網路配電線時之技術要件。 (d)1993年3月追加家庭用發電設備於有逆饋功率下作系統連線於低電壓與高電壓一般配電線時之技術要件。 (e)1995年10月隨著修正電力事業法而考慮將獨立發電事業者(IPP)等之新事業者修改指導方針,特別是修正對特別高電壓系統之大規模競標電源指導方針與系統連線區分等。 (f)1998年3月追加了低電壓配電線與旋轉機械作系統連線之條件,進行修改高電壓配電線之單獨運轉連線檢出功能明確化等。如表9所列為「系統連線技術要件指導方針」目前的使用狀況。表中「交流發電設備」是指使用柴油引擎與氣渦輪機等之旋轉機械之汽電共生設備等與同步發電機等作系統連線,「風力發電」是與同步發動機或感應發電機等作系統連線。「直流發電設備」是指燃料電池或太陽光發電等使用反相器將直流電力轉交流電力作系統連線。如表中所列,「系統連線技術要件指導方針」是針對所有種類的發電設備皆可與市電電力網路作系統連線之所需之技術要件加以使用。但是還有因以下附註之理由而仍未當作系統連線之對象。 表 9 「系統連線技術要件指導方針」目前的整備狀況 系統連線之區分 低電壓系統高電壓系統點電力網路特高壓系統 連線 連線 系統連線 連線 交流發電設無逆饋功率 1988年31986年81991年101986年8 備 月使用 月制定 月使用 月制定 有逆饋功率 [註1] 1993年3[註2] 1986年8 月使用(高月制定 電壓專用線 為1986年 8月制定) 直流發電設無逆饋功率 1991年31990年61991年101990年6備(反相器) 月使用 月使用 月使用 月使用 有逆饋功率 1991年31993年3[註2] 1990年6 月使用 月使用(高月使用 電壓專用線 為1990年 6月使用) 註1: 有逆饋功率之情況下作單獨運轉時所需要之保護裝置與技術,但實際上尚未成熟之故,故暫時以無逆饋功率為主。 註2: 點電力網路作系統連線以無逆饋功率為主。 (g)「交流發電設備」之低電壓系統連線有逆饋功率,單獨運轉時因發電機本身具有慣性很難急速變化頻率與電壓之特徵,將此狀態檢測並加以保護之技術尚未成熟,因此而仍未當作系統連線之對象。 (h)關於「交流發電設備」及「直流發電設備」之點電力網路作系統連線有逆饋功率,點電力網路(spot-network)之電力網路保護器(network protector)開始動作,系統連線發生事故時無法分辨是事故電流還是逆饋所造成之故,仍未當作系統連線之對象。 (i)「交流發電設備」與「直流發電設備」之高電壓系統連線有逆饋功率,若連配電用變電所都發生逆饋功率的話,將會對該配電線之電壓控制產生不良影響,因此設定高電壓系統連線有逆饋功率之上限為「於該發電設備作系統連線之配電用變電所之處始終不發生逆饋功率」。 為來分散型電源會逐漸普及化,與市電電力網路 作系統連線而形成多數發電系統連線的話,將可能會有種種的問題發生,此乃令人擔心之事,相關問題將於下面的內容中敘述。 (iii)「系統連線技術要件指導方針」之內容[7][25][26] 「系統連線技術要件指導方針」之內容如圖27所示,其內容大致上可以區分為與系統連線無關之共通事項,自第1章總則~第2章第1節共通事項,與按照系統連線之分類規定的技術要件,自第2章第2節~第5節。以下敘述「系統連線技術要件指導分針」之主要內容。 第1章 總則 1、目的---說明本指導方針的目的是為了讓發電設備作系統連線於商用電力系統或電力網路所需的技術要件。 2、適用範圍---說明適用於一般電力事業業者與電力批發以外業者設置發電設備作系統連線時之注意事項。 3、連線之分類---依電力容量大小來決定系統連線的分類,詳細的具體分類如表10所列。電力容量是指發電電力或與系統連線之發電設備輸出容量較大者。 4、協議---敘述本指導方針並非規定,而是發電設備之投資者與系統方面電力事業者進行協議時的指導原則。 第2章 系統連線時之必要條件 第1節 共通事項 1、 輸電方式---敘述有關發電設備之輸電方式與系統連線之輸電方式相同,由於發 電設備之容量非常小,因相位之間不平衡實際上不會造成影響,不需要額外措施。 2、 功率因數---敘述發電設備之投資者於用戶處之功率因數?85%,作系統連線時 由電力網路方面來看避免為領先功率因數,由發電設備方面方面來看避免為落後 功率因數之處理。 圖二十七、「系統連線技術要件指導方針」的結構 技術要件之基本事頂: 為了將分散型電源作系統連線於電力網路之要件中 1、 維持既存電力網路供給之信賴度之[保護協調] 2、 既存電力網路供給信賴度之維持 3、 確保安全無慮 以下指出有關上述3個項目之具體技術要件 (i) 既存電力網路供給信賴度之維持 [分散型電源---防止電力網路之突波與內部發生事故] 當分散型電源發生事故時,必須檢測出用戶內部之過電流、接地電流等,並將分散型電源脫離電力網路以免事故波及。此外,分散型電源之控制異常時,必須要檢測出造成的電壓上昇或電壓下降等電壓異常現象之原因,有必要將分散型電源脫離電力網路。 表 10 「系統連線技術要件指導方針」之系統連線分類 (依個別設置者的電力容量作的分類[註1]) 系統連線之區分 低電壓系高電壓系點電力網特高壓系統連線 統連線 統連線 路系統連低於35kV高於35kV 線 以下配電線以下配電線 處理 處理 交流發電無逆饋功原則上發原則上發原則上發原則上發電無規定 設備 率 電容量低電容量低電容量低容量低於 於50kW 於於10000kW 2000kW 10000kW 有逆饋功--- × 率 直流發電無逆饋功原則上發原則上發原則上發原則上發電無規定 設備(反率 電容量低電容量低電容量低容量低於相器) 於50kW 於於10000kW 2000kW 10000kW 有逆饋功 率 註: 「電力容量」是指受電電力容量與系統連線發電設備之輸出容量兩者較大者。「受 電電力」是指「契約電力」,「契約電力」是平時之契約電力與預備之契約電力(家庭用補充電力)之和。「發電設備之輸出容量」是指在交流發電設備為固定等級輸出或直流發電設備則為反相器之固定等級輸出。 [一旦發生短路事故時將分散型電源立即脫離電力網路] 一旦發生短路事故時將分散型電源立即脫離電力網路,如果分散型電源繼續供給短路電流的話,造成無法檢測出電力網路發生事故的真正原因。如果是在用戶內部發生短路事故的話,變成由電力網路與分散型電源之雙方來供給短路電源,若此短路電流之合計值超過遮斷器之短路容量的話,將造成無法切斷而使得事故持續下去。在此一情況下,必須抑制來自分散型電源之短路電流。如果電力網路一側發生接地事故時,必須在分散型電源處檢測出接地電流與接地過電壓,並自電力網路一側切離分散型電源。因高壓配電系統沒有接地,發生系統連線之接地事故時,會由分散型電源流出接地電流比較小,有可能無法檢出接地電流而造成操作困難之故,此時有必要去檢測出接地過電壓。 對於上述分散型電源發生內部事故或電力網路事故,為了維持電力網路之供給可靠度,必須在分散型電源處設置安全保護功能,並與電力網路作協調以防止事故繼續波及與擴大下去。另外,在設定保護裝置之固定值時,對於電力網路之系統切換與瞬間電壓下降等短時間干擾不必過敏地回應。 (ii)維持既存電力網路之電力品質 從維持既存電力網路之電力品質觀點來看,抑制由分散型電源之系統連線引起經常與瞬間之配電線電壓變動,及有必要抑制使用了反相器分散型電源流出高次諧波電流。 [抑制經常電壓之變動] 分散型電源作系統連線時,沒有來自發電設備逆饋功率,自電力網路來看的話,少了發電輸出部分使得負載變小,傳統之電壓管理就能應付,但是若是運轉中發生發電機故障等造成脫離的話,則將造成負載變大,恐怕會造成比較大程度的電壓下降。在以上情況下就必須要限制用戶之負載,以防止電壓繼續下降。有逆饋功率時會發生配電線上電壓增大之故,以傳統之電壓管理來應付此電壓增加是很困難的,恐怕無法再維持低壓配電線之固定電壓值。此一情況下,對於逆饋所引起的電壓上 昇,必須要在分散型電源處進行調整無效電力,由電力網路所看之落後無效電力必須產生補償逆饋功率所造成電壓上昇的部份。 [抑制瞬時電壓之變動] 如果個人電腦與OA機器等資訊機器發生固定10%以上等級瞬時電壓下降的話,資訊機器有因瞬時電壓下降可能停止,因此必須抑制分散型電源與電力網路並聯產生的瞬時電壓下降。此外,風力發電伴隨風速變化引起輸出電壓之變動,必須要有對應對策,燃料電池發電電力大致為固定的情況下,並不會發生此一問題。 [抑制高次諧波] 分散型電源之直流電力使用反相器轉交流電力並作系統連線之情況下,會自反相器處流出高次諧波電流。高次諧波電流會引起用戶之電力用電容、馬達用煞車、漏電截止器、家電製品等發生過熱、燒壞損毀、誤動作等意外發生,必須弄清楚其發生原因並施以適合對策。一般就發電設備而言,理想的綜合電流之斜率應該在5%以下。關於高次諧波電流方面,於1994年日本制定「抑制高壓或特別電壓受電用戶之高次諧波對策指導方針」,而自「系統連線技術要件指導方針」被移除,但從維持良好的電力品質之觀點來看是很重要的,因此仍將其列出。 (iii) 確保安全 將分散型電源與系統連線時,由確保安全之觀點來說,最重要的事莫過於防止單獨運轉。 [防止單獨運轉] 「單獨運轉」的狀態是分散型電源單獨往電力網路供給發電電力,系統連線無逆饋功率之條件下,設置逆電力繼電器、不足電力繼電器或頻率下降繼電器,可以高速確實地檢測出「單獨運轉」狀態。另一方面,系統連線有逆饋功率之條件下,無法使用逆電力繼電器等,但因單獨運轉,無法平衡分散型電源之發電輸出與負載,以致於產生電壓與頻率之變動,設置電壓異常繼電器與頻率異常繼電器便可以檢測出「單獨運轉」狀態。然而,分散型電源電力輸出與負載之有效電力與無效電力同時大致平衡的時候,有這些保護繼電器仍無法檢測出「單獨運轉」狀態,此時有必要於分散型電源處設置單獨運轉檢出功能之機器,才可以檢測出單獨運轉而自動地使其從電力網路切離。 [檢出單獨運轉之功能] 檢出單獨運轉之功能有被動式與主動式兩大類,目前為止被提出之主要方式如 表11所列。被動式是檢測出「單獨運轉」轉移時之電壓相位與頻率等發生驟變之方式,一般而言在高速性上有良好表現,但有一些感覺遲鈍必須留意急遽的負載變動等可能為誤動作的原因。主動式是藉著發電設備的控制系統與附加於外部電路等引起某種變動,「單獨運轉」轉移時利用此一變動顯著之性質而予以檢測出方法。主動式原理上沒有感覺遲鈍為其優點,但是檢測時間相當耗時,且當同一系統上有採用其他主動式之發電設備時可能會無法有效地動作。 表11檢出單獨運轉功能之主要方式 種類 概要 適用 特徵 交直 流流 發發 電電 (旋(反 轉相 機) 器) ? ? 被電壓相檢查單獨運轉連線點之電壓相檢出感度佳,但無法動位跳躍位,檢出發電輸出與負載之不平檢出發電輸出與負方檢出方衡引起的電壓相位急劇變化。 載之平衡狀態。 式 式 × ? 第三次檢查由電流控制型反相器進行低不受發電輸出與負 高次諧電壓系統連線上單獨運轉時連線載之平衡狀態所影 波電壓點之電壓之走樣(第三次高次諧響,皆可檢出。但是 走樣急波電壓),將電線桿上變壓器勵磁連線的方式被限 增檢出所致第三次高次諧波電壓之增加制,無法使用平衡三 方式 予以檢出。 相電路檢出。 ? ? 頻率變檢查單獨運轉移轉時連線點之頻檢出感度佳,但無法 化率檢率,因發電輸出與負載之不平衡檢出發電輸出與負 出方式 之急劇變化予以檢出。 載之平衡狀態。 ? ? 主輸出電給定發電輸出之週期性無效或有不受發電輸出與負 動力變動效電力或電壓設定值之變動,檢載之平衡狀態所影 方方式 查單獨運轉移轉時出現週期性頻響,皆可檢出。與平 式 率變動、電壓變動等。[系統連線衡繼電器併用成為 以後,頻率、電壓變動等大致固高感度狀態,但是與 定] 反相器之控制系統 會互相干擾而有可 能變成不安定狀態。 ? ? 負載變與發電設備並聯以後,瞬間與週1.不受發電輸出與動方式 期性插入阻抗,檢查單獨運轉移負載之平衡狀態所 轉時出現流入阻抗電流分擔比之影響,皆可檢出。但 變化。 是有可能不依賴反 相器等內部機能之 單獨設置。 2.若系統之電感過 高的話有可能發生 誤動作,易受高次諧 波的影。 × ? 頻率偏為了與系統電壓取得同步之反相1.不受發電輸出與移方式 器逆饋電路阻抗,將調變加於逆負載之平衡狀態所 饋波形之相位與加偏壓與反相器影響,皆可檢出。與 自走頻率,使在單獨運轉移轉時頻率繼電器併用可 讓頻率自律性地發散以檢測出頻成為高感度狀態,即 率異常之現象。 使多台運轉也不會 降低感度。 2.過度調整偏壓頻 率的話會使同步變 得不安定。 表12 將燃料電池與電力網路做系統連線時之技術要件 型態 1 2 3 4 系統連線之分低壓配電線上系統連線之情況 高壓配電線上系統連線之情況 類 無逆饋功率之有逆饋功率之無逆饋功率之有逆饋功率之 情況 情況 情況 情況 保護系統?OVR?UVR ?OVR?UVR ?OVR?UVR ?OVR?UVR 功能 保護?UFR?RPR ?OFR?UFR ?UFR?OVGR ?UFR?OVGR 裝置 ?RPR ?RPR ?逆充電檢出或?單獨運轉被動?線路無電壓確?逆充電檢出或 單獨運轉檢出方式檢出。 認裝置或單獨單獨運轉檢出 與逆饋時相等運轉檢出與逆與逆饋時相等 之措施。 饋時相等之措之措施。 施。 反相?單獨運轉檢?單獨運轉主動?單獨運轉檢?單獨運轉主動 器 出,與逆饋時方式檢出。 出,與逆饋時方式檢出或轉 相等之措施。 相等之措施。 送切斷裝置。 ?防止直流流出往電力網路,原則上設置變壓器或以其他的保護功 能替代。 功率因數 [發電設備] [受電點] [受電點] ?95%以上 ?85%以上 ?85%以上 電壓變動 ?電壓101?6V,202?20V以內,當電壓變動大時有必要調整自家 發電設備之電壓[除了無效電力控制功能以外]。 高次諧波 ?綜合電流偏差率在5%以下,各次電流偏差率在3%以下。 [註]:OVR:過電壓繼電器; UFR:頻率下降繼電器 UVR:不足電壓繼電器; OVGR:接地過電壓繼電器 OFR:頻率上昇繼電器; RPR:逆電力繼電器 將上述之(i)~(ii)之想法應用於系統連線分類者為如圖27之系統連線技術要件指導方針之構成與第2節~第5節所示。各節之內容大致上為(1)每個系統連線分類中 必要的保護裝置與設置場所、設置相數與保護裝置啟動時之解脫位置,(2)是否需要絕緣用變壓器,(3)電壓變動對策,(4)短路容量對策,(5)單獨運轉對策,(6)連絡體制等。 關於這些技術要件,為了尋求降低系統連線成本,必須要根據系統連線裝置之技術進步性與系統連線實績等加以單純化與簡化。實際應用時,有必要依據技術要件之主旨與系統方面電力事業者進行協議。 將燃料電池導入工廠與一般家庭等,並與電力網力進行系統連線時,系統連線 技術要件指導分針之摘要如圖12所示。依照表中記載著,截至目前為止所導入的實績、燃料電池至低壓配電線之系統連線與往高壓配電線作系統連線之技術要件。 2. 往電力網路進行大量系統連線之技術課題 (1)大量導入之可能性 由電力網路之所提供系統電源是利用發電電源之大規模化以提昇發電效率,改善經濟性等之大尺度優點,關於這點而言包括、核能、火力、水力等佔了絕大部分。然而,關於今後之火力發電,依據二氧化碳造成地球溫暖化氣體及排放有害物質之限制條件,讓新設或增設火力發電廠變得更困難。此外,關於核能發電,由地理條件上的問題等,建設上需要一段長的時間。再者關於水利發電,主要地點開發殆盡,似乎無法期待為新的供給源。處於以上之狀況下,高效率且對於環境造成的負擔少之分散型電源方面,燃料電池發電技術被寄予厚望。 由發電系統之角度來觀察燃料電池發電技術的話,由(1)小型化是可能,(2)設置場所限制少,(3)建設期間短等特點,未來的電力網路上有可能作為大規模電源之互補性的高,可期待其扮演重要的角色。 由社會制度面來看,法律規定鬆綁與電力市場自由化正進展著,燃料電池發電技術正持續備齊著邁向擴大普及化之條件。亦即,由1995年10月修正電力事業法,發電部門加入新事業者、小規模電源之系統連線、批發託送與自行託送等已被認可,於2000年3月電力零售部分自由化也開始。預料今後將擴大往電力網路之新加入者,就手段而言,燃料電池之導人是被期待的。 由以上的環境方面、系統方面、社會方面等,今後考慮燃料電池之成 本降低的話,可說於逐漸地形成電力網路中大量導入燃料電池技術。 (2)大量之系統連線時之技術課題 如果燃料電池發電設備被大量地系統連線的話,前面將進一步擴大所述之種種問題點,可能發生特別重大問題如下列: (a)電壓變動之發生與增大--目前之配電系統為放射狀,且目前在配電系統方面並未假定存在電源。配電系統方面之電壓管理,實際狀況只單獨考慮由變電所往客戶單一方向的功率輸送而設計。若配電系統大量導入燃料電池發電設備的話,將產生逆饋功率,此一結果導致受電端用戶之系統電壓上昇。因此,現行之配電線電壓控制有以下的問題產生。(i) 由電線桿上變壓器進行低壓配電線之電壓管理,但對於由逆饋功率所造成之電壓上昇的電壓管理非常困難。(ii) 一般變電所送出之配電線電壓區塊(bank)為單位控制,與配電線單位上負載特性明顯地不同之情況下,無法適切地進行電壓控制。(iii)風力發電與太陽光發電進行大量系統連線時,擔心101?6V之範圍內之頻繁的電壓變動。但是,燃料電池因發電電力變動較小之 故,此種問題比較少。 (b)短路容量之增大--燃料電池發電設備,短路容量將較燃料電池未導入時為大。短路容量增大,大於已設截止器之截止容量的話,恐怕會在造成事故時無法截止 之情況。但利用反相器之特性抑制短路電流,對於固定等級之2倍左右之過電流,瞬間過電流起保護作用時,對於短路容量增大並無貢獻。 (c)單獨運轉檢出之感度下降--由於大量導入燃料電池發電設備與負載之有效電力/無效電力取得平衡狀態的話,就被動式反相器而言,存在以電壓繼電器與頻率繼電器有無法檢出之感覺遲鈍地帶。另外,若將感度提升的話,誤動作之機率會增加, 感度下降的話,會有擴大感覺遲鈍地帶等問題發生。另一方面,設置具有各種單獨運轉檢出功能之多台燃料電池發電設備情況下主動方式會發生相互干涉情況,有可能會使檢出感度下降。此外,雜亂信號之重疊亦可能使系統電力的品質惡化。如上所述,無論是被動方式或主動方式皆因於大量導入燃料電池發電設備單獨運轉之檢出會成為問題之故,有必要開發對電力網路無影響且確實地檢出之技術。 (d)高次諧波之增大--欲將燃料電池等直流發電設備與電力網路作系統連線時,有必要使用將直流轉交流之反相器。但是反相器原理上成為高次諧波產生源之故,一直是遵守高次諧波指導方針下來作系統連線。大量導入燃料電池發電設備時,雖然個別發電設備雖在目標水準之下,但是綜合的電壓偏差率也有超過目標水準之情況。 電力網路上之高次諧波如表13所示,也有引起種種障礙的時候,有必要依次地正 確地掌握數台燃料電池發電設備之個別狀況。 表 13 高次諧波造成的典型障礙 機器障礙 範例 電力電子用電容 機器本體、串聯電抗器 過電流所致燒毀、過熱、 振動、噪音等 保險絲 過電流所致熔斷、誤動作 馬達用切斷器、漏電切斷器 誤動作 家庭電器製品 音響、電視 產生雜音、影像閃爍 其他 馬達、升降梯、各種控制產生噪音、振動、誤動作、 機器、高次諧波濾波器 過電流致停止運轉 (e)其他問題—關於電力品質有以下問題亦令人擔心: (i)直流流出量之增加--由直流發電設備往電力網路方面之直流流出部分被管理在固定等級之1%以下,但是如果增加系統連線之台數的話,增加的部分會重疊,這有可能會對於電力機器有壞的影響。 (ii)高次諧波雜音之發生--反相器中因載波頻率之關係會產生高次諧波雜音(傳導雜音、放射雜音)。如果增大發電容量與設置台數的話,容易發生機器故障等問題。此外,若與電力網路進行連線方面之運用及設備計畫方面的問題令人操心。 (iii)燃料電池設備一起停止等發生過負載現象—如果瞬時電壓下降與配電線發生事故時,若一起停止燃料電池發電,結果發生再閉路時之線路過負載 (iv)系統切換上的問題--有許多分散型電源作系統連線時,單方面兩系統之間於或系統末端,系統電壓與相位角擴大造成系統切換變得困難。此外,作系統切換時必須停止燃料電池等設備,必須要考慮運用上的問題。 (v)負載實際狀態管理?功率輸送監視等問題—與系統連線之電力網路方面,無法監視燃料電池設備之輸出電力時,無法掌握總電力需求容量等管理變得困難。 (vi)設備?運用計畫上的問題--需要假設電力需求與負載,需要適當增加輸出時期 之判斷變得困難。此一結果與過剩發電設備投資或供給之降低信賴度有關。另 外,在電力網路方面,實施系統變更與線路工事等時,對於系統連線時燃料電 池發電設備之保護裝置適用性,有必要再檢查電壓變動等系統連線之條件。 3. 電力網路之新的思考方式 電能或電力是產業、社會活動與一般日常生活上不可或缺的,而目前電能或電力的供給主要藉由電力網路。電力網路至目前為止絕大部分是由電力公司所營運,另外,電力公司於許多規定之下是被賦予安定供給的義務。然而,由於競爭原理與規定逐漸緩和,燃料電池已經出現被給予電能或電力之新的活躍場所可能性。於規定緩和之下所考慮的內容為以下: , 將電力網路分割成發電、送變電、配電 , 發電部門分割為數個公司並導入競爭原理 , 利用用戶與電力公司之直接契約使買賣電力之變為可能 , 承認小規模分散電源發電電力販賣 等事項被公佈。對燃料電池而言最大的優勢為將過剩發電電力可販賣給電力公司。 (1) 燃料電池之運用及配置的想法: (i) 運用 欲將燃料電池技術往社會浸透下去時,其中重要的是要進行更經濟的運用才可 以。以目前而言,因燃料電池之設備成本很難說是低,因此必須要有更長時間加 以運用固定等級設備以提高利用率。在進行如此之運用之際,將剩餘發電電力藉 由電力網路可販賣之制度顯得特別地重要。與電力網路能夠進行發電電力之相互 來往可以將燃料電池之經濟性飛躍地提高。此事對於電力負載小的家庭而言更是 重要。但若僅是發電電力之互相來往,絕大多數之燃料電池設備被導入之情況 下,對於電力網路所給的負擔將變成大問題。 (ii) 配置 由燃料電池的發電容量來看,可考慮電力網路作系統連線的最主要是配電系統。 配電系統上燃料電池被連接的話,可以想像到有 , 已設置燃料電池之發電電力與鄰接之客戶直接連接之故,減少來自電力網路 之電力供給,能夠供給足夠大容量的配電系統。 , 減少配電線上之電流致使減少配電系統之損失。 , 雖然燃料電池電壓控制有所不同,但對配電系統電壓安定化是有所貢獻。 , 發生事故時配電線上連接被允許的話,將可以大大提高信賴性。 等之優點。將這些優點做最大限度的活用,更進一步來說,對於利用自然能源當 作分散電源時也可以建立能夠安定之供給。 (2) 多品質電力供給等之新服務: 鑑於社會規定緩和之下之電力網路,回應用戶要求之多種類的服務將會變成可能。例如,家庭電力供應對於數分鐘左右之短時間停電並不是那麼受影響的電冰箱與暖氣等電器與瞬間停電會受到很大影響的資訊機器等,自然地將改變於各自需要的電力品質供給上。另外,將高價但不停電之電力供給與廉價但短時間可停電之電力供給等不同需求,配合客戶的不同目的能夠作可選擇般之服務。為了達成此一目的之一,可以考慮由電力網路管理者獨自擁有燃料電池與電力儲存裝置的供與運用各種不同品質的電力與需求。 参考文獻 [1] 自家発電からの余剰電力購入のご案内 (平成13年度) 廃棄物発電からの余剰電力購入のご案内 太陽光発電等からの余剰電力購入のご案内 中小規模,事業目的の風力発電からの電力購入のご案内 平成14年度風力発電系統蓮糸事前検討説明会の実施について 以上,九州電力資料 [2] 電気学会:半導体電カ変換回路,pp?7-9 (1987) [3] 堀幸正編:パワーエレクトロニクス。オーム社 (1996) [4] パワーエレクトロニクスガイドブック,オーム社 (1998) [5] 新エネルギー用半導体電カ変換技術の現状と動向,電気学会技術報告,No? 551 August (1995) [6] 電力設備へのパワーエレクトロニクス技術の応用と将来動向,電気協同研究, 第54巻,第6号,March (1999) [7] 資源エネルギー庁編:電力系統連茶技術要件ガイドライン,July (1998) [8] 美江登,高原正憲,―瀬雅哉,二見基生,上田茂太,清藤康弘,今家和宏,後藤益雄,鈴木 和夫,前川聡 : 風力,電池ハイブリッドシステム,電気学会論文誌(B),121, 6,pp?715-721,June (2001) [9] 渡海政人,大島洋 : 燃料発電用電カ変換装置の動ぬ,平成11年,電気学会産 業応用部門全国大会,5?7-4,August (1999) [10]玉井伸三,川村光弘,他 : 永久磁石同期発電機を用いた可変速風力発電シス テム,電気学会産業応用部門全国大会,N0?250,August (1999) [11]高田昇, 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