發電機模組之參數驗證

The Verification of Generator Module Parameters

研究生：黃哲群 撰

指導教授：楊俊哲 博士

義守大學

電機工程學系碩士班

碩士論文

A Thesis Submitted to the

Department of Electrical Engineering

of I-Shou University

in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Master Degree

with a

Major in Electrical Engineering

July 2017

Kaohsiung Taiwan

Republic of China

中華民國 一百零六 年 七 月

I

發電機模組之參數驗證

研究生：黃哲群 指導教授：楊俊哲

義守大學電機工程研究所

中文摘要

發電機系統是一種可以把多種形式的能量轉換成電能的裝置，一般發電機的命

名會以其是讓何種能量轉換為電能而得名，如:核能發電機、火力發電機等。而本論

文之內容主要以探討發電機各項實驗之參數數據，以及如何進行各項發電機實驗，

並了解其實驗之目的，以確保所得參數數據的準確度。由於發電機的維修有一定的

難度，所以參數的測量就會相對來的重要，工程師必須根據所得之數據來進行判斷，

整個發電機系統有無異常，所以發電機的實驗數據如何可以更精準的得知，將會是

未來技術發展之重點。而實驗中將運用 TSAT、PSAT 等參數模擬程式進行，本論文

主要以火力發電機及水力發電機兩部機種來作為模擬之對比。

II

The Verification of Generator Module Parameters

Student: Che-Chun Huang Advisor: Jun-Zhe Yang

Department of Electrical Engineering

I-Shou University

ABSTRACT

The generator system is a device that converts energy into electrical energy.

Basically, the name of the generator will be what energy is converted to electricity, such

as: nuclear generators, thermal generators and so on. The purpose of this paper is to

discuss the experimental data of the generator and understand the purpose of the

experiment to ensure the accuracy of the obtained data. As the maintenance of the

generator has a certain degree of difficulty, so the measurement of the parameters is

relatively important. Engineers must be based on the data obtained to determine whether

the entire generator system abnormal, so how to get more accurate generator data, will be

the focus of future technological development. This thesis focuses on simulation of the

thermal power generators and hydroelectric generators conduct experiment. This

experiment was performed using TSAT, PSAT parameter simulations and the results will

be compared and discussed.

III

致謝

本論文可以完成首先必須感謝本人的指導老師楊俊哲老師，楊老師對於我研究

路上大大小小的困難與阻礙總是耐心且親切的給予我指導，而在我不足的地方也總

是可以給于我適度補充使我對於本論文的完成度可以提升，同時也感謝林堉仁老師

與林穎宏老師可以在繁忙的行程中抽空擔任本人的口試委員，並對於本論文的內容

提供見解，讓本論文的內容可以更進一步的提升及完整。

接著要對於在本人這兩年研究所時期的各位學長學弟表達感謝，學長鐘崇訓在

本人的研究中總是利用自己的所學給予協助，同時也分享許多的經驗讓本人可以在

研究路上節省許多時間及精力，學弟季明賢、吳鴻威、詹順凱、林岱羿則對於本人

的研究總是盡心盡力的給予協助，也因為有這些學長學弟，使得本人的研究生活可

以多采多姿。

最後，對於本人的家人致上最大的感謝，感謝父母對於本人的養育之恩，且一

路從小學到研究所的幫助，可以讓本人無後顧之憂在學業上衝刺，也感謝妹妹對於

本人的幫助與支持，如果沒有家人的付出，就不會有現在的本人，因此家人的恩典

對於本人來說是無上的至寶。

IV

目錄

中文摘要…………………………………………………………………………………I

英文摘要…………………………………………………………………………………II

致 謝……………………………………………………………………………………III

目 錄……………………………………………………………………………………IV

圖目錄…………………………………………………………………………………VI

表目錄 ………………………………………………………………………………IX

第一章 緒論…………………………………………………………………………1

1.1 背景簡介………………………………………………………………………1

1.2 研究動機與目的………………………………………………………………1

1.3 論文架構………………………………………………………………………2

第二章 開路特性(飽和)測試………………………………………………………4

2.1 前言……………………………………………………………………………4

2.2 發電機鐵心製作技術對於發電效能之影響…………………………………4

2.2.1 發電機鐵心(矽鋼片)製作技術……………………………………4

2.2.2 以含矽量簡介(冷軋)矽鋼片及其於發電效能之分析……………5

2.3 不同類型發電機組運轉時的溫度對於發電效能之影響……………………6

2.3.1 大潭發電機組(火力發電)簡介……………………………………6

2.3.2 明潭發電機組(水力發電)簡介……………………………………9

2.3.3 火力發電及水力發電內部溫度對發電效能之比…………………10

2.4 大潭發電廠及明潭發電廠開路特性(飽和)測試之比……………………12

第三章 磁場短路(T’do)測試………………………………………………………19

3.1 勵磁機原理簡介……………………………………………………………19

3.2 直流(DC)勵磁機……………………………………………………………20

3.3 交流(AC)勵磁機……………………………………………………………21

V

3.3.1 旋轉閘流體勵磁系統……………………………………………21

3.3.2 無刷勵磁系統………………………………………………………22

3.4 靜態勵磁系統………………………………………………………………24

3.5 磁場短路測試原理及實驗整理……………………………………………25

3.5.1 大潭(火力)發電機組磁場短路(T’do)測試………………………25

3.5.2 明潭(水力)發電機組磁場短路(T’do)測試………………………31

第四章 發電機組之 d 軸及 q 軸參數測試…………………………………………36

4.1 圓極式發電機與凸極式發電機之特性介紹………………………………36

4.1.1 圓(隱)極式發電機簡介…………………………………………36

4.1.2 凸極式發電機簡介………………………………………………37

4.2 發電機組之 d 軸及 q 軸簡介……………………………………………38

4.2.1 派克轉換(Park's Transformation)……………………………39

4.2.2 克拉克轉換(Clarke transformation)……………………………40

4.3 d 軸參數實驗………………………………………………………………41

4.3.1 大潭(火力)發電廠之 d 軸參數實驗……………………………41

4.3.2 明潭(水力)發電廠之 d 軸參數實驗……………………………45

4.4 q 軸參數實驗………………………………………………………………51

4.4.1 大潭(火力)發電機組之 q 軸參數實驗…………………………51

4.4.2 明潭(水力)發電機組之 q 軸參數實驗…………………………56

第五章 發電機組之電壓調整器步階響應測試……………………………………60

5.1 前言…………………………………………………………………………60

5.2 大潭(火力)發電機組電壓調整器步階響應測試…………………………60

5.3 明潭(水力)發電機組電壓調整器步階響應測試…………………………66

第六章 結論…………………………………………………………………………72

參考文獻…………………………………………………………………………………74

VI

圖目錄

Fig.2.1 三相發電機的原理圖………………………………………………………4

Fig.2.2 朗肯循環(Rankine Cycle)原理圖…………………………………………7

Fig.2.3 開放式布雷頓循環(Brayton Cycle)原理圖………………………………8

Fig.2.4 封閉式布雷頓循環 (Brayton Cycle)原理圖……………………………8

Fig.2.5 金屬材料之電阻與溫度關係曲線………………………………………10

Fig.2.6 火力發電廠運作原理簡易圖……………………………………………11

Fig.2.7 磁化曲線圖(BH 曲線圖)………………………………………………12

Fig.2.8 大潭發電機開回路飽和特性與氣隙線之比較圖………………………14

Fig.2.9 明潭發電機開回路飽和特性與氣隙線之比較圖………………………16

Fig.3.1 直流勵磁系統圖…………………………………………………………21

Fig.3.2 旋轉閘流體勵磁系統圖…………………………………………………22

Fig.3.3 無刷勵磁系統圖…………………………………………………………23

Fig.3.4 靜態勵磁系統圖…………………………………………………………25

Fig.3.5 大潭(火力)發電機組於磁場短路測試之電力潮流檔…………………26

Fig.3.6(a) T’do為 10.0時的大潭(火力)發電機組磁場短路測試動態資料檔……26

Fig.3.6(b) T’do為15.0時的大潭(火力)發電機組磁場短路測試動態資料檔……26

Fig.3.7 大潭(火力)發電機組於磁場短路測試之動態監視檔…………………27

Fig.3.8 大潭(火力)發電機組於磁場短路測試之切換資料檔…………………28

Fig.3.9 大潭(火力)發電機組於磁場短路測試之暫態模擬檔…………………29

Fig.3.10 T’do為10.0與15.0所得之大潭(火力)發電機組磁場短路測試模擬圖…30

Fig.3.11 明潭(水力)發電機組於磁場短路測試之電力潮流檔…………………31

Fig.3.12(a) T’do為 15.0時的明潭(水力)發電機組磁場短路測試動態資料檔……32

Fig.3.12(b) T’do為20.0時的明潭(水力)發電機組磁場短路測試動態資料檔……32

Fig.3.13 明潭(水力)發電機組於磁場短路測試之動態監視檔…………………32

VII

Fig.3.14 明潭(水力)發電機組於磁場短路測試之切換資料檔…………………33

Fig.3.15 明潭(水力)發電機組於磁場短路測試之暫態模擬檔…………………34

Fig.3.16 T’do為 15.0與 20.0所得之明潭(水力)發電機組磁場短路測試模擬…35

Fig.4.1 圓極式旋轉磁極示意圖…………………………………………………37

Fig.4.2 凸極式旋轉磁極示意圖…………………………………………………38

Fig.4.3 發電機組相關座標軸簡易圖……………………………………………39

Fig.4.4 大潭(火力)發電機組d軸參數實驗之電力潮流檔………………………41

Fig.4.5(a) 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之實驗一動態資料檔……………42

Fig.4.5(b) 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之實驗二動態資料檔……………42

Fig.4.6 大潭(火力)發電機組d軸參數實驗之動態監視檔………………………43

Fig.4.7 大潭(火力)發電機組d軸參數實驗之切換資料檔………………………43

Fig.4.8 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之暫態模擬檔 ……………………44

Fig.4.9 大潭(火力)發電機組d軸參數實驗之模擬圖形…………………………45

Fig.4.10 明潭(水力)發電機組d軸參數實驗之電力潮流檔………………………46

Fig.4.11(a)明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之實驗三動態資料檔……………46

Fig.4.11(b)明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之實驗四動態資料檔……………47

Fig.4.12 明潭(水力)發電機組d軸參數實驗之動態監視檔………………………47

Fig.4.13 明潭(水力)發電機組d軸參數實驗之切換資料檔………………………48

Fig.4.14 明潭(水力)發電機組d軸參數實驗之暫態模擬檔………………………49

Fig.4.15 明潭(水力)發電機組d軸參數實驗之模擬圖形…………………………50

Fig.4.16 大潭(火力)發電機組q軸參數實驗之電力潮流檔………………………51

Fig.4.17 大潭(火力)發電機組q軸參數實驗之動態資料檔………………………52

Fig.4.18 大潭(火力)發電機組q軸參數實驗之動態監視檔………………………52

Fig.4.19 大潭(火力)發電機組q軸參數實驗之切換資料檔………………………53

Fig.4.20 大潭(火力)發電機組 q 軸參數實驗之暫態模擬檔………………………54

VIII

Fig.4.21 大潭(火力)發電機組 q 軸參數實驗之模擬圖形…………………………55

Fig.4.22 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之電力潮流檔………………………56

Fig.4.23 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之動態資料檔………………………56

Fig.4.24 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之動態監視檔………………………57

Fig.4.25 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之切換資料檔………………………57

Fig.4.26 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之暫態模擬檔………………………58

Fig.4.27 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之模擬圖形…………………………59

Fig.5.1 大潭(火力)發電機組步階響應測試之電力潮流檔……………………61

Fig.5.2 大潭(火力)發電機組步階響應測試之動態資料檔……………………61

Fig.5.3 大潭(火力)發電機組步階響應測試之動態監視檔……………………62

Fig.5.4 大潭(火力)發電機組步階響應測試之切換資料檔……………………62

Fig.5.5 大潭(火力)發電機組步階響應測試之暫態模擬檔……………………63

Fig.5.6 大潭(火力)發電機組 2%步階響應測試之模擬圖形……………………64

Fig.5.7 大潭(火力)發電機組 5%步階響應測試之模擬圖形……………………65

Fig.5.8 明潭(水力)發電機組步階響應測試之電力潮流檔……………………66

Fig.5.9 明潭(水力)發電機組步階響應測試之動態資料檔……………………67

Fig.5.10 明潭(水力)發電機組步階響應測試之動態監視檔……………………67

Fig.5.11 明潭(水力)發電機組步階響應測試之切換資料檔……………………68

Fig.5.12 明潭(水力)發電機組步階響應測試之暫態模擬檔……………………69

Fig.5.13 明潭(水力)發電機組 5%步階響應測試之模擬圖形……………………70

Fig.5.14 明潭(水力)發電機組 10%步階響應測試之模擬圖形…………………71

IX

表目錄

Table 2.1 大潭(火力)發電機組開回路飽和測試數據列表………………………13

Table 2.2 明潭(水力)發電機組開回路飽和測試數據列表………………………15

Table.5.1 大潭(火力)發電機組步階響應測試之勵磁機參數值列表……………62

Table.5.2 明潭(水力)發電機組步階響應測試之勵磁機參數值列表……………67

1

第一章 緒論

1.1 研究背景

“電力”是人類生活中最仰賴的能源之一，若缺少了電力無論是民生、醫療、

產業等，各方面都會面臨巨大的損失，穩定的電力品質，可以讓國家的人民有穩定

的生活，各項經濟發展也可以穩定成長，就以科技產業來說， 若是該國家電廠的所

輸出的電力，無法達到一定程度的穩定度，該國家的科技產業一定會發展的不順利，

一個半導體的工廠需要 24小時不斷作業，只要有任何電力供應的問題，就會讓一間

公司受到嚴重的打擊，輕則金錢上的損失，嚴重的話可能導致該公司股價大跌引發

其後續效應以致公司倒閉也不無可能。

以台灣最近的一次的電力事故為例，1999年 7月 29日台灣台南以北地區發生

大規模停電事件，俗稱 729全台大停電事件[1]，該事件發生的背景是當時台灣電力

公司大量的興建發電廠，但同時卻未強化輸電線路，以及部分政治與民意的問題導

致鐵塔的建地取得不易，因此使得整體輸電結構脆弱，以至於事故發生時，無法進

行將南部所發之電力向北送的電力調配。

也就是在上述的時空背景下，1999年 7月 29日因為連日的降雨導致位於台南

縣左鎮鄉編號 326輸電鐵塔的地基流失而傾斜後，電廠內的發電機組啟動了保護系

統而跳機，因為這次的跳機進而引發全台大規模發電機組連環跳機，使得眾多產業

受到嚴重影響，幸好醫院與機場都備有緊急供電系統，不至於對醫療與飛安造成威

脅，但各大科技產業就損失慘重，經報導得知，竹科內的半導體製造廠損失超過二

十億，在本次重大電力事故後，台灣電力公司也記取了本次的教訓，在發電機組的

維護與檢修上做了大規模的強化並從國外引進技術，也許天災所導致的事故無法避

免，倘若能事先預防的話，說不定就能將傷害減至最小，甚至進而預防其發生。

1.2 研究動機與目的

隨著電力公司越來越重視發電機組的檢修與機組內各項參數的監控，使得其量

2

測人才與技術的需求隨之增加，但就以臺灣而言，對這方面的技術發展並不是如此

的順利，因此無法有效的取得各種想要的發電機組參數數值，因此由台灣電力公司

組成研究團隊，遠赴加拿大去學習相關量測技術，學成歸國後，將所學得之發電機

量測技術引進國內，並有助於台灣電力公司所持有的發電機組進行參數驗證。

而目前臺灣對於發電機組內部測量技術的人才，處於較為缺乏的情況下，且目

前由於核能電廠所造成的疑慮並未排除以致於核四廠遭到封存，導致了現在各大發

電機組依舊處於滿載的狀態，所以加深了對其機組之各項參數監控的重要性，因此

啟發我學習發電機組的參數量測的意願，也希望可以學成後對於臺灣電力的維護做

出相對的貢獻。

本論文主要研究之目的在於對發電機組進行參數的量測並對其數據進行判別，

而本論文內容主要以四項發電機組的量測實驗所構成，並搭配各項實驗以介紹發電

機組之構造及工作原理，其中四項主要實驗分別為發電機飽和特性實驗、磁場短路

實驗、發電機直交軸參數量測實驗及勵磁機之步階響應實驗，最後，希望在進行完

以上實驗後可以學習並熟知各項實驗之應用，進而成為發電機組量測之技術人員。

1.3 論文架構

本論文內容主要分為六章，其中第二章至第五章為主要內容以講解本論文之進

行的實驗。

第一章 本章節為緒論，主要以探討本論文的研究背景，以及本人選定此題目作

為研究項目的動機與目的，最後介紹本論文之架構。

第二章 本章節之主要內容為說明開路特性(飽和)實驗，並對發電機組內所使用

的鐵心之特性及應用作簡介，及對火力與水力發電廠的分類作介紹。

第三章 本章節之主要內容為說明磁場短路(T’do)實驗，以及介紹勵磁之原理並對

勵磁機的分類與特性做相關簡介。

第四章 本章節之主要內容為說明對發電機組之 d 軸及 q 軸所進行的參數測量，同

時會對發電機的 d 軸及 q 軸做相關介紹，並搭配對發電機組內之旋轉磁極

3

做分類介紹

第五章 本章節之主要內容為說明於兩部不同之發電機組內所進行之電壓調整器步

階響應測試，以不同的電壓調整方式進行模擬後，依照模擬圖形進行其步

階特性之解釋。

第六章 本章節之主要內容為本論文之結論，說明對於各章節的實驗完成後可以得

知何種知識，及對於該章節之實驗結論，最後對於本論文做出總結。

4

第二章 開路特性(飽和)測試

2.1 前言

一部大型發電機組的主要構成是以定子與轉子為其中樞，如附圖 Fig. 2.1[2]所示，

同時搭配各種不同的能源作為使發電機運轉進而生成感應電流以達到發電之目的。

本章節以討論鐵心的製作技術及大小會對於發電機的運轉造成之影響，同時探討不

同類型之發電機，其運轉時的溫度高低，會對其發電效率有何種影響。而本章節之

重點著重於分析兩部不同類型之發電機其開路特性(飽和)測試結果，比較兩者為何

發生差異、發生何種差異，並在最後做出結論。

Fig. 2.1 三相發電機的原理圖

2.2 發電機鐵心製作技術對於發電效能之影響

2.2.1 發電機鐵心(矽鋼片)製作技術之簡介

就目前而言國內外電廠所設立的大型發電機組，其內部定子鐵心所使用之材料

主要由矽鋼片堆疊而成，矽鋼片是一種鐵矽合金所製成的鋼片，其鐵損低、磁場感

應性高、磁的時效性長，是作為定子鐵心最理想的材料之一。同時矽鋼片的沖片性

好，對於製作的工藝上有高度的發展性，而按製造工藝的不同主要分為熱軋和冷軋

5

兩大類。冷軋矽鋼片又有無取向和有取向兩種不同之分別[3]。本小節主要就以矽鋼

片的製作方法，冷軋與熱軋，對於發電機組的發電效能有何之影響，做相關分析。

在早期，無論國內外的發電機組生產工廠，在定子鐵心的生產選擇上，絕大部

分都是以熱軋矽鋼片為製作重心，主因是早期生產技術發展尚不成熟，而近年來隨

著生產技術的提升且冷軋矽鋼片與熱軋矽鋼片相比較來說，冷軋矽鋼片的厚度均勻、

表面品質好、磁性較高、製作的工藝性上發展迅速，所以目前已成為各先進國家發

電機組內鐵心的主要製作方式。

一部發電機組所使用的鐵心來說，損耗越小，相對維修的成本就越低，對於其

發電的品質與穩定度上就會有一定的程度上的影響，所以在製作方面就會盡量將矽

鋼片的厚度縮小，但是過薄的矽鋼片可能會因為絕緣厚度的比例增加，而造成相對

有效磁路的截面積減少，進而使其磁感應的性能降低，所以就以現有之各項參考資

料發現，國內外的製作廠商主要以0.5mm及0.35mm這兩種厚度為主要之製作數值。

2.2.2 以含矽量簡介(冷軋)矽鋼片及其於發電效能之分析

而如上小節所言，就目前各國發展的重心皆擺在冷軋矽鋼片上，但就冷軋矽鋼

片而言，又有兩種不同的製作方式，分別是無取向冷軋矽鋼片和有取向冷軋矽鋼片，

雖然這兩者都屬於冷軋矽鋼片，會將這兩者區分開來主要是因為其含矽量的多寡而

有所不同。一個矽鋼片的含矽量大致可以分為高矽及低矽，含矽量的範圍若在 2.8%

至 4.8%內的矽鋼片皆屬於高矽，因為其磁性較好，但較為脆弱，在製作上不易，所

以常用於變壓器之鐵芯，而含矽量在 2.8%以下的矽鋼片屬於低矽，此種矽鋼片就常

用於製作大型電機及發電機組內的鐵心。

本小節所探討的無取向冷軋矽鋼片及有取向冷軋矽鋼片，也是以含矽量作為區

分點，含矽量若高於 3.0%以上皆屬於有取向的冷軋矽鋼片，而無取向的冷軋矽鋼片

其含矽量坐落於 0.5%至 3.0%之間，因為兩者的含矽量不同，而造就了雖同屬冷軋

矽鋼片，但其用途及性質有所不同，若以製作工藝探討，無取向的冷軋矽鋼片相對

的要求較低，但會以其作為大型電機內的鐵心最主要的考量也就是本章節的重點，

無取向的冷軋矽鋼片的飽和磁場(Bs)相對較高，因為其不易磁飽和的特性比其他種

類更適合作為大型發電機組的定子鐵心。

2.3 不同類型發電機組運轉時的溫度對於發電效能之影響

本論文所做研究之發電機組主要以大潭發電廠(火力發電)及明潭發電廠(水力

發電)為參考機組，在研究相關實驗時，同時也發覺若不同類型的發電機組在運轉時

所產生出的熱能，其溫差的大小也會改變發電機內部的電阻，進而影響其發電之效

能。

2.3.1 大潭發電機組(火力發電)簡介

大潭發電廠，是一座位於臺灣桃園市觀音區大潭里的火力發電廠，其隸屬於台

灣電力公司管理，占地約 102 公頃，為目前全台灣最大的天然氣電廠，發電廠內機

組分為 Stage I、Stage II、緊急燃油及主要燃氣系統[4]。

參考民國 105年台灣電力公司的發電量占比報告可知，火力發電依然是目前台

灣最為仰賴的發電來源，占整體比重高達 79.9%，其中又可細分為燃煤占 36.9%、

燃氣占 36%、燃油占 4.4%及汽電共生占 2.6%[5]，由於台灣本身缺乏這些自有能源，

大部分需仰賴國外進口，加上國際環保組織對於空氣汙染越趨重視，所以目前國家

政策有逐漸想增加天然氣發電的比重，以降低空汙對環境的傷害。

火力發電廠，顧名思義就是以其廠內的設備並整合各項系統，將不同類型的化

石燃料進行”燃燒”後，把所得知熱能轉化為電能，而火力發電廠內所應用之系統

主要分為蒸氣循環(Steam Cycle)系統以及燃氣輪機循環(Gas turbine Cycle)系統，將

這兩種系統與發電機整合後運作之機組稱為複循環機組，但由於兩個系統所生成帶

動循環的方式不同，所應用的熱力學循環原理也有所區別，蒸氣循環系統內使用的

是朗肯循環(Rankine Cycle)原理，如 Fig.2.2[6]所示，經過鍋爐燃燒後所產生高溫高

壓之蒸汽，將其送入蒸汽輪機，使輪機膨脹作功，同時帶動發電機組，產生電能，

而使用過的蒸汽氣體會經由循環系統製作為冷凝水，重新送入鍋爐繼續加熱循環；

6

7

燃氣輪機循環系統內所使用的是布雷頓循環(Brayton Cycle)原理，如 Fig.2.3[7]與

Fig.2.4[8]所示，由於燃氣輪機的系統不像蒸汽輪機可以生產高溫高壓之蒸汽氣體提

供循環使用，此系統必需先將空氣經由壓縮機做壓縮後，視不同類型的發電機再混

入天然氣或是輕油，並點火使其燃燒膨脹，進而讓燃氣輪機產生扭力帶動發電機，

產生電能。目前台灣的火力發電廠所使用的熱力發電機組有些許屬於複循環機組，

使用複循環系統的好處在於其碳排放量低，僅高於核能發電所產生之碳排放量，可

以有效的降低空污，且此系統的電力調度之反應快速，可穩定提供電能使用戶，但

其缺點在於發電成本高，經台灣電力公司估計可知，每度電的發電成本約新台幣 3

元，此價格經比較後皆高於核能及燃煤發電之成本金額。

Fig. 2.2 朗肯循環(Rankine Cycle)原理圖

8

Fig. 2.3 開放式布雷頓循環(Brayton Cycle)原理圖

Fig. 2.4 封閉式布雷頓循環 (Brayton Cycle)原理圖

9

2.3.2 明潭發電機組(水力發電)簡介

明潭發電廠，是一座位於臺灣南投縣水里鄉的水力發電廠，由於其坐落地點鄰

近日月潭西側水里溪之溪谷的優良先天條件，而使得本發電廠可以成為全臺灣最大

的水力發電廠，本發電廠目前隸屬於台灣電力公司，內部包含明潭抽蓄、水里、鉅

工、濁水、北山等五座機組[9]。

在明潭發電廠內部所使用的發電方式有三種，分別為抽蓄式發電、川流式發電

及調整池式發電，其中抽蓄式機組為目前是臺灣繼明湖發電廠以來的第二座抽蓄式

發電廠，而明潭發電廠的規模也成為了全臺水力發電的重要來源。

一座水力發電廠主要由水壩、溢洪道、引水渠及發電站廠房所組成，而其使用

之原理在於利用位能差將引入的水源沖向水輪機，使其轉動後同時帶動發電機組進

行發電，經由不同機組驗證後可得知注入水位的位能差越大，水輪機可轉換的動能

就越強，進而使發電量增加。會將發電的方式有所區分主要是基於不同方式所引用

之水源與蓄水的方式而有所區別。

川流式發電廠主要是依照該發電廠所引用之河川的流量作自然運轉，此類型的

發電廠通常不需大量蓄水，僅需建立一座小型的調整池即可，因為其無需建立大型

水壩的關係，對於環境保育來說是較為自然的發電方式，目前臺灣的水力發電廠大

部分皆運用此種方式進行發電，也因為川流式發電沒有足夠的蓄水池作為調節，所

以對於河川水流的潮汐變化較為敏感，因此無法提供較為穩定的發電量；抽蓄式發

電是一座較為特殊的水力發電廠，與一般慣常式水力電廠不同於其水流為雙向式，

主要是利用電力調度之概念，利用離峰時期的電能將水抽蓄並儲存，到了用電尖峰

期時再將儲存的水量送出發電，雖然此種發電方式可以將電能有效的進行分配不至

於浪費，但因為必需建造上下池，且對於地形的仰賴過大以至於在設立上有一定的

難度；調整池式發電廠整合了川流式及水庫式的發電特色，並將其有用之部分擴大

發展，主要是在河川的上游建立可控制式的閘門，將圍起的部分作為其調整池，因

為調整池的規模大於川流式，並擁有蓄水的功能，所以不會因為水流的不穩定而影

10

響發電量，同時在河川上游所建造的閘門屬於可控制式，不會像水庫式建立後就必

需永久性蓄水，就有利於發電機組的維修，但其缺點也在於蓄水，由於上游興建閘

門，而導致下游的生態環境遭到迫害。

2.3.3 火力發電及水力發電內部溫度對發電效能之比較

對於電阻與溫度之間的關係與影響經實驗可知，在一定溫度範圍的限制下，金

屬材料的電阻值隨著溫度的增加會有線性的上升，如 Fig.2.5[10]所示，統稱正電阻

溫度係數，倘若金屬材料在極高或極低的溫度環境下，電阻與溫度則呈現非線性的

關係。

Fig.2.5 金屬材料之電阻與溫度關係曲線

以目前世界上所發現的物質而言，其內部的電阻值都會因為環境溫度的不同而

有所變化，而變化得情形可歸納為三種，正電阻溫度係數、負電阻溫度係數以及某

些特殊的合金在特定的溫度範圍內無明顯的變化，以金屬導體而言，皆屬於正電阻

溫度係數，經公式推導，如(2.1)[11]所示，假設某一物質在溫度𝑡時，其電阻為𝑅𝑡，

而式中的𝑡𝑐作為參考溫度，𝑅𝑐表在溫度𝑡𝑐時的電阻值，所得α為電阻溫度係數，屬

於比例常數，該公式定義金屬導體每升高(𝑡 − 𝑡𝑐)℃的同時，其電阻變化量與參考電

阻值 Rc 兩者之間的比值。

11

𝛼 =𝑅𝑡 − 𝑅𝑐

𝑅𝑐(𝑡 − 𝑡𝑐) (2.1)

由上述公式可知，金屬導體的電阻值會隨著溫度上升而有線性的改變，在火力

發電廠的機組在進行運轉時因為必需用高溫將水源蒸氣化，內部的溫度動輒上千度，

以至於發電輪機所使用的矽鋼片鐵心也常會受到此特性的影響，導致其內電阻過高

進而影響發電效能，為了解決這個問題，在設計火力發電機組時，在其內部會加裝

冷卻系統，利用抽取大量的海水或將利用完的蒸氣做冷凝，使得存放於渦輪機內部

多餘的熱能冷卻並將其排放至大海，完成整套循環，如 Fig.2.6[12]所示，也因為此

原因，所以火力發電廠的設立大多鄰近海邊。

Fig.2.6 火力發電廠運作原理簡易圖

與火力發電廠相較之下，水力發電廠則與溫度變化較無相關的問題，水力發電

廠內部所使用的機組主要為水輪式發電機，其功能是將水輪機內部的動輪與發電機

轉子做連結，再利用水的位能差從高至低衝擊水輪機使其轉動後帶動發電機內轉子，

而轉子上的線圈與定子上的磁鐵由於轉動的關係造成了磁場的改變，進而產生感應

電流，以達到發電之目的，因為水輪機的作動來源是水的位能，且在其運轉時溫度

12

也屬於可控制之範圍，其內部金屬材質的內電阻的影響也就不會像火力發電機組一

樣，所以水力發電廠內也就不會設立冷卻系統。

2.4 大潭發電廠及明潭發電廠開路特性(飽和)測試之比較

發電機可以產生電能，主要是應用轉子線圈和定子磁鐵兩者持續不斷的改變其

磁場，形成感應電流，達到電磁感應，然而無論是使用再好的金屬導體，因為其具

有鐵磁性的關係，當磁場增加到一定之強度，磁通密度不在有相對明顯之變化的同

時，即達到磁飽和，磁場強度 H 和磁感應強度 B 的關係可如 Fig.2.7[13]所示，而磁

導率 μf可以公式(2.2)[14]推導出，本實驗主要目的在於估計出發電機組的勵磁電流

基準值，勵磁電壓基準值以及推導出發電機的 100%(1.0pu)額定電壓與 120%(1.2pu)

額定電壓下的無載飽和係數 S1.0 與 S1.2。

Fig.2.7 磁化曲線圖(BH 曲線圖)

𝜇 = 𝐵 ⁄ 𝐻 (2.2)

13

本實驗是在發電機組運轉於額定轉速且沒有負載(主斷路器開路)情況下進行。

而實驗之步驟主要對於發電機之靜態勵磁系統，在磁場閃激後，發電機的端電壓由

接近額定值先被降至額定電壓的 30%以下，直至勵磁系統尚可維持正常運行的最低

機端電壓。然後機組磁場電壓向上調整，使得發電機端電壓逐步增加(每個步階約

1000V)，直到機組最大的容忍極限[15]。

進行本實驗時，需參考實際量測後所得之開回路飽和測試數據，如 Table 2.1[16]、

Table 2.2[17]所示，並將各數值製作成曲線圖進行分析並與發電機氣隙線所產生出的

額定端電壓之電流值做比較，即可得出該機組之飽和起始點與飽和穿越點，如

Fig.2.8[18]、Fig.2.9[19]所示。

Table 2.1 大潭(火力)發電機組開回路飽和測試數據列表

勵磁電流(A) 勵磁電壓(V) 機端電壓(kV) 機端電壓(pu)

213.1 22.6 3.7 0.23

234.9 25.1 4.1 0.25

257.4 27.7 4.4 0.28

280.6 29.8 4.8 0.30

323.1 32.7 5.6 0.35

369.5 38.4 6.4 0.40

414.2 42.8 7.1 0.45

457.8 47.0 7.9 0.49

503.0 51.4 8.6 0.54

546.1 54.6 9.4 0.59

570.1 57.3 9.8 0.61

590.9 59.7 10.1 0.63

613.9 62.1 10.4 0.65

637.0 64.4 10.8 0.68

658.0(0.7pu) 66.2 11.1 0.70

680.5 68.3 11.5 0.72

703.9 71.1 11.8 0.74

724.6 72.8 12.1 0.76

14

744.8 74.8 12.5 0.78

769.2 77.4 12.8 0.80

790.2 79.1 13.1 0.82

812.1 81.8 13.4 0.84

833.3 83.4 13.7 0.86

856.3 86.0 14.0 0.87

877.3 87.9 14.3 0.89

898.9 90.3 14.5 0.91

920.7 92.0 14.8 0.93

942.5 94.5 15.0 0.94

962.1 95.7 15.3 0.95

983.2 98.2 15.5 0.97

1004.6 100.2 15.7 0.98

1046.0 105.0 16.1 1.01

1098.9(1.18pu) 109.8 16.5 1.03

1129.2 113.7 16.8 1.05

Fig.2.8 大潭發電機開回路飽和特性與氣隙線之比較圖

15

Table 2.2 明潭(水力)發電機組開回路飽和測試數據列表

勵磁電流 (A) 勵磁電壓 (V) 機端電壓 (kV) 機端電壓 (pu)

56.12 7.50 1.22 0.07

107.00 14.31 2.16 0.13

146.79 21.65 2.95 0.18

208.53 28.97 4.11 0.25

256.10 36.19 5.03 0.30

305.69 45.76 5.95 0.36

311.67 41.66 6.07 0.37

364.12 47.29 7.07 0.43

416.52 57.08 8.05 0.49

443.01 59.87 8.53 0.52

475.68 62.78 9.14 0.55

495.86 65.04 9.52 0.58

515.89(0.6pu) 67.77 9.88 0.6

525.90 69.13 10.06 0.61

556.97 74.71 10.61 0.64

578.22 79.44 11.00 0.67

610.18 80.81 11.55 0.70

639.99 85.11 12.06 0.73

669.16 87.07 12.55 0.76

697.01 93.37 13.00 0.79

732.74 93.40 13.57 0.82

763.20 103.76 14.00 0.85

803.78 106.95 14.60 0.89

835.26 106.66 15.01 0.91

873.53 117.77 15.49 0.94

911.69 122.89 15.97 0.97

960.74 126.45 16.49 1.00

978.95 127.23 16.65 1.01

1008.90 132.18 16.95 1.03

1065.60(1.25pu) 140.77 17.46 1.06

1124.50 150.22 17.99 1.09

16

Fig.2.9 明潭發電機開回路飽和特性與氣隙線之比較圖

發電機之勵磁電流基準值可依據定義求得，當發電機端電壓值所形成生出的氣

隙線到達額定值(發電機之端電壓達 1pu 時)所得之勵磁電流值，即為發電機勵磁電

流的基準值(IfB)，經圖表比較後，可找出大潭發電機組的 IfB 為 933.2A，明潭發電

機組的 IfB 為 849.4A。得知發電機勵磁電流之基準值後，搭配大潭及明潭發電廠所

提供的轉子繞組值，由於在不同的溫度下轉子繞組值也會有所改變，本實驗主要取

發電機運轉時之平均溫度 75℃所得測量值 0.1090Ω及 0.1415 Ω，將兩者相乘後，可

推導出發電機勵磁電壓之基準值(VfB)，為 101.7V 與 120.2V。

而飽和係數的求得，可將 Fig.2.8及 Fig.2.9 內所得之飽和起始點與飽和穿越

點代入公式(2.3)，並將兩者解聯立方程式後，可得所需值，公式(2.3)[20]中，E為

發電機端電壓(Vt)，A、B 為需求出之運算常數。其運算步驟以條列式所示，其運算

數值將以大潭發電機組所測得之數值帶入運算。

E

AEBS

2)( (2.3)

17

步驟(1)、由 Fig.2.8可知，大潭機組的飽和起始點為 Vt0 =0.7(pu)，由於是處於

剛開始飽和的時候，其飽和係數 S 可計為 0，將兩者代入公式(2.3)可得出式(2.4)。

7.0

)7.0()(0

2

0

2

0 AB

V

AVB

t

t

(2.4)

步驟(2)、同樣由 Fig.2.8可知，大潭機組的飽和穿越點為 Vt1 = 1.03(pu)，其對

應之 If1 =1098.9(A)，將 If1 轉換為標么值(If1/IfB)得 1.1776 (pu)，而穿越點之飽和係數

S 可利用公式 S =(If1-Vt1)/Vt 求得為 0.1433，將各求得知數值代入公式(2.3)可得出式

(2.5)。

03.1

)03.1()(1433.0

2

1

2

1 AB

V

AVB

t

t

(2.5)

步驟(3)、將式(2.4)與式(2.5)解聯立方程式後可得，A 為 0.7、B 為 1.355 將兩者

帶回公式(2.3)可得出大潭發電機組求 S 的完整公式，如式(2.6)所示。

E

ES

2)7.0(355.1 (2.6)

步驟(4)、將額定電壓 100%(1.0pu)與 120%(1.2pu)以知數值代入式(2.6)，即可求

得 S1.0=0.12195、S1.2=0.28229，如式(2.7)、(2.8)所示。

12195.00.1

)7.00.1(355.1 2

0.1

S (2.7)

28229.02.1

)7.02.1(355.1 2

2.1

S (2.8)

同時，也可經由此步驟求得明潭發電機組為 S1.0=0.14708 及 S1.2=0.27579。

經過公式求得與圖表比較後，可明顯的發現經實測之飽和特性比依照現有飽和

18

係數所求得之特性發生飽和的時間點更早，而不同的發電機組處於相同的額定電壓

時，所求得之飽和係數大小也有些許之差異，若額定電壓同為 100%(1.0pu)，大潭(火

力)發電機組所得之 S1.0=0.12195 會小於明潭(水力)發電機組所得之 S1.0=0.14708，若

額定電壓同為 120%(1.2pu)時，結果則反之，大潭(火力)發電機組所得之 S1.2=0.28229

大於明潭(水力)發電機組所得之 S1.2=0.27579。同一機組內飽和係數可能會因為勵磁

電壓電流與端電壓電流的不同而有所改變，而不同的機組在相同額定電壓的比較下，

可能會因為其所在環境的不同，或是發電機組內所使用的材料不同也有所影響。

19

第三章 磁場短路(Tdo)測試

3.1 勵磁機原理簡介

「勵磁場」所指的是提供發電電壓所需的磁場環境，而勵磁機就是應用於發電

機組內提供勵磁繞組形成電磁場最重要的來源。三相發電機內要形成感應電動勢需

將導體線圈放置在變化的磁通量中，而發電機本身的轉子通常做為導體線圈製造出

磁場，同時仰賴在轉子外部的定子進行磁場的切割，在兩者的相互作用下，形成感

應電動勢，其中轉子的構成是由勵磁繞組、鐵心、轉軸等零件所組成，而定子則由

電樞繞組、電刷、軸承等零件組成，其中勵磁機就是提供發電機內勵磁繞組形成磁

場的來源機組，而勵磁裝置通常使用在電力系統中的功能以維持發電機之端電壓於

所需的範圍內，同時裝置內也具有調整磁場強弱之功能，可對於磁場進行增強、減

弱或強制其去磁，因此勵磁機組能作為發電機內的調配裝置，所以在大型發電機組

內是非常重要的組成之一，也因此我們可經由對勵磁機組的相關量測進而推斷發電

機組的內部數據，由於發電機組當初設計的目的即是用來發電而不是量測，所以造

成了工程師在對機組進行維護時無法取得內部的相關數據，因此若能以勵磁機的量

測去推斷發電機組相關數據，這樣對發電機的維護將可有效率地進行。

目前勵磁機可因各種不同的裝置或來源來分類，若以電流向來說勵磁機可分為

直流勵磁機與交流勵磁機，直流勵磁機主要用於早期中小型的發電機組，而目前的

大型機組則多用交流勵磁機，倘若以整流器做分類則可分為靜止型整流器勵磁機與

旋轉型整流器勵磁機，兩者的主要區分點在於整流器作業時機體內部是否進行旋轉，

早期整流器的製造都是以靜止型來生產，直到研究人員發現若將整流器內部以旋轉

的形式進行則可有效的將速度提升以配合輸電的頻率，而發明了旋轉型整流器，其

改善了靜止型的弱點並增加了發電機組的功能。

以大型發電機而言，主要的勵磁機分為自勵磁系統與它勵勵磁系統，自勵與它

勵的主要區分點在於其所生成的電源是源自於自身機組的提供或外部的獨立發電機

組，自勵磁系統所生成的交流電是源自於原本發電機組的機端，其機組處於高電容

20

性負載的情況下內部的電壓會隨之增加，而在電壓與電容性負載兩者交互作用下會

產生電容性電流，其在經整流後可直接送入發電機組使用，而它勵勵磁系統所產生

的電源，是源自於一台獨立的勵磁機，而該勵磁機會與目標發電機同軸組成，其發

電後經由轉軸流入發電機組，再視其發出的電流源不同需考慮是否要進行電流的換

向，而隨著工業技術的進步，現今大型發電廠內所使用的勵磁機以從早期的直流勵

磁機逐步被交流勵磁機所取代，除了對於成本的節省之外，在操作或維修方面也會

比較容易。

3.2 直流(DC)勵磁機

在 1960年前的早期，中小型的發電機組內部所使用的勵磁機都是屬於直流勵磁

機的勵磁系統，其系統的結構圖如 Fig. 3.1[21]所示，使用直流勵磁機時通常會與發

電機同軸連接，直流勵磁機開始對其勵磁繞組供電，並產生勵磁電流後，就會將其

電流經由直軸流入滑環，之後分別通過固定在定子上的電刷與轉子上的換向器供其

發電機組發電，會使用直流勵磁機的主要原因在於其供電是由獨立的直流電源所生

成，較不會受到發電機組內端電壓與端電流的影響，具有電流獨立性，所以直流勵

磁機在早期的發電機組技術尚未成熟的時空下，相對來說較為被廣為使用。隨著產

業的發展，各國所需的發電機容量越來越大，而直流勵磁機由於所生成的電源為直

流電，所以在送入發電機組時，需經過電流的換向才可進行轉動而導致其無法因應

大型發電機組的需求容量，且因為換向器內的碳刷與勵磁機組的滑環一直存在著消

耗量過大而需經常進行維修的問題，在 1960年中期，交流勵磁機的興起後，已逐步

被取代，目前的發電機組已經幾乎找不到使用直流勵磁機的勵磁方式。

21

Fig.3.1 直流勵磁系統圖

3.3 交流(AC)勵磁機

在 1960年後，交流勵磁機的興起已取代了直流勵磁機成為了現代大型發電機組

不可或缺的勵磁方式，而早期的交流勵磁機所使用的整流器主要以汞弧整流器為主，

此裝置不僅體積大又笨重，且控制方式複雜，使得交流勵磁機的發展一度受到限制，

直到 1970年代，半導體整流器的出現改善了汞弧整流器的缺點才讓交流勵磁機得以

快速進展。交流勵磁機主要的工作原理與直流發電機大同小異，但其所輸入發電機

的電流源為交流電，經整流後可直接提供給發電機內轉子的勵磁繞組，比起直流勵

磁機還需經過電流的換向來說，其效能較為適合大型發電機組所需要的大容量。

3.3.1 旋轉閘流體勵磁系統

此系統與直流勵磁機的工作模式相似，但不同的是在發電機組的外部加裝的是

一部交流勵磁機，其中此勵磁系統所使用的整流器是以半導體材料所製成之閘流體

為主體的半導體整流器，此種閘流體之功用與二極體相似，因為其可控制導通電流，

且體積小、效率高等原因，在其問世後立刻成為整流器的熱門材料，本系統主要電

源的供應來自於外部的交流勵磁機，因此本系統屬於它勵勵磁系統，其發電原理是

將勵磁機所生成的勵磁電流經過全橋式閘流體整流器進行整流後，送入交流發電機

的勵磁繞組以供其形成勵磁場，而本勵磁系統是作用於一個穩定的靜態磁場內，其

22

系統的結構圖如 Fig. 3.2[22]所示，在本系統內是將整流器與勵磁機的部分進行旋轉，

以增加其發電效率。

Fig.3.2 旋轉閘流體勵磁系統圖

3.3.2 無刷勵磁系統

無刷勵磁系統，其主要由一部主要作為發電用之交流發電機、電流整流器、交

流勵磁機及一部永磁式發電機(Permanent Magnet Generator ,PMG)等機組所構成，其

系統圖如 Fig.3.3[23]所示，其中勵磁機的結構與發電機的結構正好相反，勵磁機的

電樞繞組是裝置在轉子上，勵磁繞組裝置在定子上，發電機則反之，在本勵磁系統

內無需使用任何的碳刷或滑環，主要是源至於其工作原理，首先將勵磁機啟動後，

使其內部的轉子作用並產生出勵磁機之勵磁場，與其定子作用後，將生成的直流電

送入發電機組內轉子，在發電機組的轉子接收到直流電後，即可形成勵磁場，並與

發電機的定子作磁場的切割後，產生感應電動勢進而生成三相交流電，以達到發電

23

之目的。

本勵磁系統最大的技術突破就是拿掉碳刷及滑環，因此在維修成本上省去了更

換其零件的開銷，同時也可避免碳刷因接觸發電機內電阻而磨損所產生的雜質去汙

染發電機組內部的其他零件，同時勵磁機組內的整流器也改以旋轉式整流器代替以

提升其工作速度而配合發電機的輸電頻率，由於在此所討論的是應用於大型發電機

組的勵磁系統，所以在兩組發電機的外部通常會加裝一部永磁式交流發電機以提供

發電機組永久性的磁場作為產生交流電源而應用，由於永磁式交流發電本身無法自

行啟動轉軸，所以其在設立時同常會與交流發電機建立一條可以帶動其轉動的導線，

因為無刷勵磁系統主要以生成三相交流電為主，所以在內部無需再加裝換向器也就

無需使用碳刷，而是改以電控元件作碳刷為替代品，此系統的優點除了降低發電成

本與內部元件之壽命可有效的延長外，其供電品質良好、發電機組的可靠度較高，

且因為有電控元件裝在內部，所以可以進行發電機組的自動化控制。

Fig.3.3 無刷勵磁系統圖

24

3.4 靜態勵磁系統

靜態勵磁系統，本勵磁系統的勵磁電源是來自於連接於發電機組內部的三相變

壓器，由於其勵磁電源是以自身發電機端所提供，所以此系統屬於自勵勵磁系統，

本勵磁系統的發電原理是發電機組處在高電容性負載的環境下，造成內部端電壓的

上升，兩者交互作用後產生電容性電流，將其作為勵磁電流提供給發電機組使用，

由於在他勵勵磁系統內部分整流器或變壓器會以旋轉的方式，以增加其效率，而在

本勵磁系統內勵磁變壓器與整流器皆是靜止的狀態，故本系統得名靜態勵磁系統，

其系統圖如 Fig.3.4[24]所示。

本勵磁系統內部之勵磁變壓器，其功能可將電源電壓調降其至勵磁機組所需的

電壓值，而勵磁變壓器之材質雖然以油性變壓器較適用於大發電容量之發電機組，

但由於安全的考量大多還是以使用乾式變壓器為主，在本勵磁系統內也會使用橋式

閘流體以全波整流並提供直流電壓給機組使用，而閘流體通常會使用空氣氣體對其

做冷卻，而本勵磁系統具有良好的動態效能以及其響應時間非常小，可以有效的降

低發電成本，因此本勵磁系統最常用於水力發電廠內部的水輪式發電機組。

25

Fig.3.4 靜態勵磁系統圖

3.5 磁場短路測試原理及實驗整理

本實驗主要之目的在於比較發電機內勵磁繞組所設定之不同的時間常數(Tdo)

後得出的發電機端電壓與時間曲線圖及發電機處於無負載時所得的內電阻值與時間

常數運算後所得數值，本實驗主要會應用相關測試軟體 TSAT 進行量測。由於本實

驗進行時必需在發電機接近 100%額定端電壓時，開啟斷路器，使內部磁場形成短路

後，才開始記錄其端電壓之變化，再將所得之數據進行模擬，即可得所需之模擬結

果，所以本實驗即命名為磁場短路實驗[25]。

3.5.1 大潭(火力)發電機組磁場短路(Tdo)測試

本實驗首先將比較在設定不同時間參數下所得出的磁場短路模擬圖中端電壓與

時間之相對應數值，進行 TSAT 程式模擬前，需經過一些相關檔案之設定，首先必

須將該實驗機組現場測得之相關電力潮流檔(Power Flow Data)進行設定，如

Fig.3.5所示，其中無限匯流排(INF Bus)所設定之基礎電壓為 230kV，而單機匯流

26

排(Gen Bus)所設定之基礎電壓為 16kV。

Fig.3.5 大潭(火力)發電機組於磁場短路測試之電力潮流檔

之後進行動態資料檔(Dynamic Data)的設定，本資料內包含發電機組參數

(Generator Parameters)、勵磁機組參數(Exciter Parameters)以及調速機參數(Governor

Parameters)，其中 S1.0 與 S1.2 之飽和係數由飽和實驗求得，電抗值與勵磁機組常數

由本實驗及 D、Q 軸參數實驗求得，其他部分參數由原廠給定，而本實驗所假設之

時間參數分別為 10.0 與 15.0 兩者，如 Fig.3.6(a)與 Fig.3.6(b)所示。

Fig.3.6(a) T’do 為 10.0 時的大潭(火力)發電機組磁場短路測試動態資料檔

Fig.3.6(b) T’do 為 15.0 時的大潭(火力)發電機組磁場短路測試動態資料檔

27

接著進行動態監視檔(Monitor Data)的設定，本檔案可在模擬時進行電壓頻率與

其之比例的監控，並記錄其數據，其相關設定如 Fig.3.7所示，其中額外可以設定

所需要的項目，例如：發電機的機械轉矩(Mechanical torque)、勵磁電流(Field current)、

實際電流值(Current real part)及假想電流值(Current imaginary part)，最後將所需監

控的發電機組編號及其 ID 號碼設定完成即可。

Fig.3.7 大潭(火力)發電機組於磁場短路測試之動態監視檔

接著設定切換資料檔(Switching Data)，內容為設定其模擬時間為 110.000(s)、進

行 10 個步階、每步階所工作時間為 0.001(s)、最後設定固定時間模擬器為 RK4，如

圖 Fig.3.8 所示。

28

Fig.3.8 大潭(火力)發電機組於磁場短路測試之切換資料檔

最後將上述的資料彙整並建立一個暫態模擬檔，如 Fig.3.9 所示，以此檔案送入

TSAT 程式進行模擬，而模擬結果如 Fig.3.10 所示，其直軸所設定為發電機的端電壓

值(Generator Terminal Voltage)，其單位為標么值(pu)，橫軸所設定的是時間(Time)，

其單位為秒(s)。

29

Fig.3.9 大潭(火力)發電機組於磁場短路測試之暫態模擬檔

30

Fig.3.10 T’do 為 10.0 與 15.0 所得之大潭(火力)發電機組磁場短路測試模擬圖

由Fig.3.10可比較出若時間常數所設定的越高，發電機端電壓變化的時間越慢，

其端電壓值歸零所需的時間將越長，同時隨著時間常數越低，其電壓下降時的曲線

則越趨垂直，若取同一時間點作比較，時間常數設定的越高，其所得之發電機端電

壓值也會相較來的高。

本實驗同時需求出利用勵磁機組之內電阻值在轉子繞組處於溫度 75oC 的情況

下所計算出的時間常數，在進行磁場斷路前，所测得的發電機轉子繞組的電阻值為

0.09953Ω，將其作為起始電阻值，而在轉子繞組溫度上升到 75oC 時，由大潭發電廠

所提供之電阻值為 0.109Ω，其計算方式為取本實驗中所假設之時間常數 10.0 再起始

電阻值與 75oC 時的實測電阻值相除後所得之數值作乘積，及可得出在轉子繞組處於

75oC 時的時間常數大約為 9.131 秒，若取時間常數 15.0 作計算的話，所得之時間常

31

數則為 13.6968 秒，由此可知，在相同的溫度與電阻值的設定下，其所得的時間長

度也會因為原假設的時間常數越大而有所增加，而實際計算出的數值則略小於假設

的時間常數。

3.5.2 明潭(水力)發電機組磁場短路(Tdo)測試

對明潭發電機組做短路實驗時，與大潭發電機組相同，需經過相關程式與機組

數據的設定，下列也將敘述明潭發機組的設定值。首先也是將該實驗機組現場測得

之相關電力潮流檔(Power Flow Data)進行設定，如 Fig.3.11所示，其中無限匯流

排(INF Bus)所設定之基礎電壓為 230kV，而單機匯流排(Gen Bus)所設定之基礎電

壓為 16.5kV。

Fig.3.11 明潭(水力)發電機組於磁場短路測試之電力潮流檔

之後進行動態資料檔(Dynamic Data)的設定，而時間常數的假設上，分別為 15.0

與 20.0，其檔案如 Fig.3.12(a)與 Fig.3.12(b)所示。

32

Fig.3.12(a) T’do 為 15.0 時的明潭(水力)發電機組磁場短路測試動態資料檔

Fig.3.12(b) T’do 為 20.0 時的明潭(水力)發電機組磁場短路測試動態資料檔

接著進行動態監視檔(Monitor Data)的設定，本檔案與大潭發電廠不同點只在於

機組名稱與遍號的不同而已，其他設定皆相同，其檔案如 Fig.3.13 所示。

Fig.3.13 明潭(水力)發電機組於磁場短路測試之動態監視檔

接著設定切換資料檔(Switching Data)，內容為設定其模擬時間為 43.000(s)、進

行 10 個步階、回報 10 步階的工作、每步階所工作時間為 0.001(s)、最後設定固定時

間模擬器為 RK4，如圖 Fig.3.14 所示。

33

Fig.3.14 明潭(水力)發電機組於磁場短路測試之切換資料檔

最後同樣將上述的資料彙整並建立一個暫態模擬檔，如 Fig.3.15 所示，以此檔

案送入 TSAT 程式進行模擬，而模擬結果如 Fig.3.16 所示，其直軸所設定為發電機

的端電壓值(Generator Terminal Voltage)，其單位為標么值(pu)，橫軸所設定的是時

間(Time)，其單位為秒(s)。

34

Fig.3.15 明潭(水力)發電機組於磁場短路測試之暫態模擬檔

35

Fig.3.16 T’do 為 15.0 與 20.0 所得之明潭(水力)發電機組磁場短路測試模擬圖

由 Fig.3.16 可知於明潭發電廠內的機組在時間常數設定的越小情形下，則發電

機端電壓歸零的時間就越快，另外可由圖觀察到兩者之曲線幾乎成垂直下降，兩者

則分別於端電壓下降至大約 0.4pu 與 0.5pu 時開始趨於水平，同樣，若取同一時間點

作比較，時間常數設定的越高，其所得之發電機端電壓值也會相較來的高

另外本機組在斷路前所測得之轉子繞組的電阻值為 0.134Ω，而在轉子繞組溫度

上升至 75℃時，由明潭發電廠所提供之電阻值為 0.1415Ω，可由這兩個電阻值與假

定的時間常數 15.0 與 20.0 求得在轉子繞組溫度處於 75℃時，相對應之開路的時間

常數，分別為 14.2049 秒與 18.9399 秒，經由計算後可知，在明潭發電機組裡實際計

算出的數值也會略小於假設的時間常數。

36

第四章 發電機組之 d軸及 q軸參數測試

4.1 圓極式發電機與凸極式發電機之特性介紹

以一部同步發電機來說，其內部之轉子可分類為旋轉電樞式與旋轉磁極式，旋

轉電樞式發電機由於是將電樞繞組纏繞於轉子上，因此做為導體的繞組會隨之旋轉，

若轉動速度過大易造成電樞繞組脫落，所以不適合應用於大型容量的發電廠機組，

因此本論文將以旋轉磁極式做為討論主題，其電樞繞組是固定於定子上，旋轉的部

分屬於磁場繞組，並不會發生旋轉電樞式發電機的問題，絕大多數的大型發電機組

皆以旋轉磁極式發電機為主要構成，而旋轉磁極式又可依照其氣隙孔的形狀構成細

分為凸極式以及圓極式。

4.1.1 圓(隱)極式發電機簡介

圓極式發電機組，其內部轉子的結構形狀從外部看起來近似於一圓柱體，兩側

的氣隙孔分布均勻且向內凹入有如隱藏起來，因此又有隱極式發電機的別稱，其形

式如 Fig.4.1[26]所示，圓極式的旋轉磁極如上述所言，其氣隙孔非常平均的分佈在

磁極的兩側，因此發電機組內轉子在轉動時受到的風阻阻力很小，所以適合設置在

其動力較大，內部會進行高速旋轉的發電機組內，以高轉速提升發電機組的發電效

能，如火力電廠之蒸氣式發電機、渦輪式發電機以及核能電廠，由於此磁極會進行

高速轉動，以致於其將處於高離心力的危害下，所以為了避免其在轉動下斷裂造成

機組或電廠的損害，在設計時會將圓極式旋轉磁極的軸承做成細長型以分散其離心

力對轉軸的壓力。

37

Fig.4.1 圓極式旋轉磁極示意圖

4.1.2 凸極式發電機簡介

凸極式發電機，其旋轉磁極的形狀結構向外凸出，有如多軸向外延伸的樣子，

其形式如 Fig.4.2[27]所示，此磁極的構造簡單且其勵磁繞組直接纏繞於磁極上可直

接對其通電，但缺點在於此旋轉磁極的氣隙孔分布不均，在轉動時容易受到風阻的

干擾，因此旋轉磁極式的發電機多設立於像水力發電廠內水輪式發電機此種中低速

轉動的機組內，本磁極因為受到風阻的影響而使其無法像圓極式磁極以高轉速去提

升其發電效能，所以在結構上只好設計較多的磁極已提供其更多的發電效能，另一

方面也因為其不會受到高轉速時離心力的影響，所以凸極式旋轉磁極的設計又可分

為平躺型與直立型，平躺型的構造近似於圓極式旋轉磁極，而直立型則顧名思義是

將整個旋轉磁極以直立的方式所打造，兩者可依照不同性質的發電機組進行搭配使

用，而本節所提到之水輪發電機則多以直立型凸極式旋轉磁極作為使用。

38

Fig.4.2 凸極式旋轉磁極示意圖

4.2 發電機組之 d軸及 q軸簡介

發電機內所稱呼的直軸與交軸，又或稱之為 D(direct)軸與 Q(quadrature)軸，其

實在現實的機組裡這兩軸並無實體，由於發電機內的轉子會因為電感效應而隨之轉

動，造成了早期工程師們在量測向量時的困難，因此有工程師就以座標軸的概念帶

入發電機組裡，以方便其對向量與機組做定位。

首先，工程師們將發電機組以平面二維的視角來看待，先定義一組以發電機組

內定子為中心的座標(α，β)，此組座標不會隨著轉子轉動，而是做為機組的參考座

標，另外，再以轉子為中心定義一組會隨著轉子而轉動的座標(d，q)，其 d軸方向

是與轉子之磁極同向所定義，而 q軸是以與轉子之磁極相互垂直所定義，兩者角度

相差 90度，如 Fig.4.3所示，而隨著轉子的轉速不同，d、q座標軸也可分為三種

系統，分別是靜止、同步及轉子座標系統，其中靜止座標系統就是座標軸為靜止狀

態，而同步與轉子座標系統主要的分別在於同步座標系統會隨著轉子做同步旋轉，

轉子座標系統則可以依照不同轉速的轉子與之調整轉速進行旋轉。

在發電機組內若要進行向量控制的話，通常都會使用到座標轉換的概念進行，

39

座標轉換的計算主要分為兩種，分別是克拉克轉換(Clarke transformation)以及派克

轉換(Park's Transformation)。

Fig.4.3 發電機組相關座標軸簡易圖

4.2.1 派克轉換(Park's Transformation)

派克轉換是目前對於發電機組進行分析時最常使用的一套轉換公式，而本轉換

之概念是於 1929 年時，由美籍工程師 R.H.Park 所提出，派克轉換適用於二維平面

的座標系統轉換，其概念是將設立於定子上的絕對座標系統值以相量投影的方式與

隨轉子轉動著的 d 軸、q 軸座標系統做相互的轉換，因為其轉換概念的發明，使得

對於定子上之電感矩陣可將其對角化，進而簡化了工程師對於發電機組的分析作業

流程。

派克轉換之公式主要分為兩項，如公式(4.1)[28]所示，為派克正轉換，而公式

(4.2)[29]所示為派克逆轉換，若需求得 d 軸、q 軸座標系統值會使用派克正轉換公式

求得，而若需求得定子上的絕對座標系統值，則以派克逆轉換為主要公式，其公式

中因為定子的三項電流之角度互為 120 度，因此取其值作為角度的變化量，而 a、b、

40

c代表了定子的三項電流，d、q分別代表 d軸及 q軸之所求，θ為轉子角度。

𝑖𝑑𝑞𝜃 = 𝑃𝑖𝑎𝑏𝑐 =2

3[

𝑐𝑜𝑠 𝜃 cos(𝜃 − 120°) cos(𝜃 + 120°)

− sin 𝜃 − sin(𝜃 − 120°) − sin(𝜃 + 120°)1

2

1

2

1

2

] [𝑖𝑎𝑖𝑏𝑖𝑐

] (4.1)

𝑖𝑎𝑏𝑐 = 𝑃−1𝑖𝑑𝑞𝜃 = [cos 𝜃 − sin 𝜃 1

cos(𝜃 − 120°) − sin(𝜃 − 120°) 1

cos(𝜃 + 120°) − sin(𝜃 + 120°) 1] [

𝑖𝑑𝑖𝑞𝑖0

] (4.2)

4.2.2 克拉克轉換(Clarke transformation)

克拉克轉換是於 1951年時，由美籍工程師 Edith Clarke 所提出，本轉換概念適

用於對發電機組的三維座標軸與二維座標軸之間做轉換，其發想概念與派克轉換相

似，而克拉克轉換主要應用於簡化三相電路的分析數據，在派克轉換中，主要是將

相量投影到會隨著轉子轉動的座標軸上，但克拉克轉換則是將相量投影到不會移動

的參考座標系統上。

克拉克轉換中也含有兩項公式，若需求三維座標系統值，會使用克拉克正轉換，

如公式(4.3)[30]所示，而若需求二維座標系統值時，則以克拉克逆轉換為使用公式，

如公式(4.4)[31]所示，其中α、β、γ代表三維座標系統，而 a、b、c則為三相電流。

𝑖𝛼𝛽𝛾(𝑡) = 𝑇𝑖𝑎𝑏𝑐(𝑡) =2

3

[

1 −1

2−

1

2

0√3

2−

√3

21

2

1

2

1

2 ]

[

𝑖𝑎(𝑡)

𝑖𝑏(𝑡)

𝑖𝑐(𝑡)] (4.3)

𝑖𝑎𝑏𝑐(𝑡) = 𝑇−1𝑖𝛼𝛽𝛾(𝑡) =

[

1 0 1

−1

2

√3

21

−1

2−

√3

21]

[

𝑖𝛼(𝑡)

𝑖𝛽(𝑡)

𝑖𝛾(𝑡)] (4.4)

41

4.3 d軸參數實驗

本實驗主要目的在於推導出 d 軸於穩態、暫態、次暫態時的電抗值，與其時間

常數值，在進行本實驗時，需先將發電機組並聯進入電力系統，調整有效功率輸出

應儘可能地接近為 0 MW，並且大約輸入 30%額定進相無效功率(超前功率因數)，勵

磁系統使用手動控制模式，然後打開發電機組主斷路器[32]。

本實驗也將以 TSAT 程式進行模擬，所得出之圖形也將記錄機組端電壓與時間

之間的變化，進行模擬前需對 TSAT 程式進行設定與數值之輸入。

4.3.1 大潭(火力)發電廠之 d 軸參數實驗

首先，先將本發電機組的相關數據，以電力潮流檔匯入，如 Fig.4.4 所示，其中

無限匯流排(INF Bus)所設定之基礎電壓為 230kV，而單機匯流排(Gen Bus)所設定之

基礎電壓為 16kV。

Fig.4.4 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之電力潮流檔

之後開始進行動態資料檔之設定，在本實驗中，發電機端電壓在變化時，主要

分為三態，分別為開始垂直下降的次暫態、曲線開始趨近水平的暫態以及呈現水平

變化的穩態，在三態的變化中是由不同數值在控制其變化量，在次暫態的變化裡以

X’’do 對其下降長度做控制，並以 T’’do 對其斜率做控制，在暫態的變化中是以 X’do

42

對其下降長度做控制，並以 T’do 對其斜率做控制，最後的穩態變化則只以 Xdo 對

其做控制，在此檔案中將對這些數值做假設以觀察其變化量。

如 Fig.4.5(a)所示，次暫態中數值設定成 X’’do 為 0.300，T’’do 為 0.050，暫態中

數值設定成 X’do 為 0.500， T’do 為 8.000，穩態數值則設定 Xdo 為 3.000，將此組

數值令為實驗一。

Fig.4.5(a) 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之實驗一動態資料檔

如 Fig.4.5(b)所示，次暫態中數值設定成 X’’do 為 0.600，T’’do 為 0.080，暫態中

數值設定成 X’do 為 0.800， T’do 為 10.000，穩態數值則設定 Xdo 為 5.000，將此組

數值令為實驗二。

Fig.4.5(b) 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之實驗二動態資料檔

接著進行動態監視檔的設定，本檔案設定之內容與進行磁場短路實驗時所設定

之內容相同，如 Fig.4.6 所示。

43

Fig.4.6 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之動態監視檔

接著設定切換資料檔，內容為設定其模擬時間為 160.000(s)、進行 10 個步階、

對此 10 步階進行回報，每步階所工作時間為 0.001(s)、最後設定固定時間模擬器為

RK4，如圖 Fig.4.7 所示。

Fig.4.7 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之切換資料檔

最後同樣將所有資料彙整至暫態模擬檔，如 Fig.4.8 所示，之後將其送入 TSAT

進行模擬，所得之圖形如 Fig.4.9 所示，直軸所設定之數值為端電壓值，其單位為 pu，

而橫軸則為時間，其時間單位為秒。

44

Fig.4.8 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之暫態模擬檔

45

Fig.4.9 大潭(火力)發電機組 d 軸參數實驗之模擬圖形

由 Fig.4.9 可得知數值的大小對於次暫態及穩態較無巨大的影響，其影響部分主

要以處於暫態時的變化較為明顯，可發現數值設定的較小的實驗一其達到穩態所花

的時間會較少，而暫態時的曲線變化也可發現數值設定的越小，其斜率也會越為垂

直，因此以統一時間點來看的話，數值設定的較小，其端電壓數值也會較小。

4.3.2 明潭(水力)發電廠之 d 軸參數實驗

與大潭發電廠進行之實驗流程相同，先將本發電機組的相關數據，以電力潮流

檔匯入，如 Fig.4.10 所示，其中其中無限匯流排(INF Bus)所設定之基礎電壓為 230kV，

而單機匯流排(Gen Bus)所設定之基礎電壓為 16.5kV。

46

Fig.4.10 明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之電力潮流檔

接著同樣對動態資料檔進行設定，在本檔案中也將設定兩組數據進行比較，如

Fig.4.11(a)所示，次暫態中數值設定成 X’’do 為 0.5000，T’’do 為 0.1000，暫態中數

值設定成 X’do 為 0.7500， T’do 為 15.000，穩態數值則設定 Xdo 為 3.000，將此組

數值令為實驗三。

Fig.4.11(a) 明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之實驗三動態資料檔

如 Fig.4.11(b)所示，次暫態中數值設定成 X’’do 為 0.7500，T’’do 為 0.1500，暫

態中數值設定成 X’do 為 1.000， T’do 為 20.000，穩態數值則設定 Xdo 為 5.000，將

此組數值令為實驗四。

47

Fig.4.11(b) 明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之實驗四動態資料檔

接著進行動態監視檔的設定，本檔案設定之內容與進行磁場短路實驗時所設定

之內容相同，如 Fig.4.12 所示。

Fig.4.12 明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之動態監視檔

之後對其切換資料檔進行設定，其模擬時間設定為 42.990(s)，執行 10 步階，每

步階所作用時間為 0.001(s)，同樣要求其對這 10 步階進行回報，並設定固定時間模

擬器為 RK4 後，完成此檔案之設定，如 Fig4.13 所示。

48

Fig.4.13 明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之切換資料檔

最後同樣將所有資料彙整至暫態模擬檔，如 Fig.4.14 所示，之後將其送入 TSAT

進行模擬，所得之圖形如 Fig.4.15 所示，直軸所設定之數值為端電壓值，其單位為

pu，而橫軸則為時間，其時間單位為秒。

49

Fig.4.14 明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之暫態模擬檔

50

Fig.4.15 明潭(水力)發電機組 d 軸參數實驗之模擬圖形

由 Fig.4.15 可知，在明潭機組裡之 d 軸實驗也與大潭機組呈現相似之情形，而

在明潭機組中，其數值設定較小的實驗三在進入穩態後的端電壓值會比實驗四來得

較為低，在暫態時的曲線經觀察後可發現，實驗三的斜率會比實驗四來的稍為大一

點。

51

4.4 q軸參數實驗

本實驗主要目的在於推導出 q 軸於穩態、暫態、次暫態時的電抗值，與其時間

常數值，機組要先並聯入電力系統，調整有效功率輸出及無效功率輸出使發電機電

流與 q 軸對準，在這種運行方式下發電機電流僅有 q 軸分量[33]。

由於發電機之 q 軸是由人們自行想像而成的，在真正的機組中並無此軸，所以

在進行實驗時，無法準確且穩定的得出其相關圖形，因此本實驗將不用兩組數據進

行實驗而是以單一數據組進行模擬後，對其做觀察。

4.4.1 大潭(火力)發電機組之 q 軸參數實驗

在進行模擬前，同樣先將機組資料進行輸入，以電力潮流檔將機組數據輸入並

對其無限匯流排(INF Bus)進行設定，其基礎電壓為 230kV，而單機匯流排(Gen Bus)

所設定之基礎電壓為 16kV，如 Fig.4.16 所示。

Fig.4.16 大潭(火力)發電機組 q 軸參數實驗之電力潮流檔

接著對動態資料檔進行設定，在本檔案中與 d 軸參數實驗不同處在於改為對 q

軸的參數進行更動，而在本實驗中端電壓之變化同樣也分為次暫態、暫態及穩態，

T’’qo 是用於控制次暫態時的曲線變化，而 X’qo 及 T’qo 則分別控制端電壓曲線於

52

穩態時的曲線長度與曲線斜率，最後 Xqo 為穩態時的曲線變化。

在大潭發電機組的動態資料檔的設定上，將 T’’qo 設定為 0.500，X’qo 設定為

1.000，T’qo 設定為 3.000，Xqo 則設定為 2.000，其他相關設定皆以原廠機組所給定

值為基準，如 Fig.4.17 所示。

Fig.4.17 大潭(火力)發電機組 q 軸參數實驗之動態資料檔

接著進行動態監視檔的設定，本檔案設定之內容與 d 軸參數實驗時所設定之內

容相同，如 Fig.4.18 所示。

Fig.4.18 大潭(火力)發電機組 q 軸參數實驗之動態監視檔

之後對其切換資料檔進行設定，其模擬時間設定為 160.000(s)，執行 10 步階，

每步階所作用時間為 0.001(s)，要求其對這 10 步階之工作進行回報，設定固定時間

53

模擬器為 RK4，其檔案如 Fig4.19 所示。

Fig.4.19 大潭(火力)發電機組 q 軸參數實驗之切換資料檔

最後將所有資料彙整至暫態模擬檔，如 Fig.4.20 所示，並將其送入 TSAT 程式

進行模擬，所得之圖形如 Fig.4.21 所示，直軸設定為端電壓值，其單位為 pu，而橫

軸設定為時間，其單位為秒。

54

Fig.4.20 大潭(火力)發電機組 q 軸參數實驗之暫態模擬檔

55

Fig.4.21 大潭(火力)發電機組 q 軸參數實驗之模擬圖形

由 Fig.4.21 可知，在進行多組參數組合進行量測後，依舊無法使其圖形有明顯

的穩態產生，本實驗圖形在穩態的階段，仍然有多雜訊產生，且其他區域之變化也

並不如其他實驗來的穩定。

56

4.4.2 明潭(水力)發電機組之 q 軸參數實驗

進行實驗之步驟與大潭機組相同，以電力潮流檔將機組數據輸入並對其無限匯

流排(INF Bus)進行設定，其基礎電壓為 230kV，而單機匯流排(Gen Bus)所設定之基

礎電壓為 16.5kV，如 Fig.4.22 所示。

Fig.4.22 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之電力潮流檔

在對動態資料檔的設定上，與大潭機組不同的地方在於，明潭機組並沒有穩態

的設定值，其機組只有進行暫態與次暫態的實驗，因此本實驗設定之數值 T”qo 為

0.500，Xqo 為 1.000，其他相關設定皆以原廠機組所給定值為基準，如 Fig.4.23 所示。

Fig.4.23 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之動態資料檔

接著進行動態監視檔的設定，本檔案設定之內容與 d 軸參數實驗時所設定之內

容相同，如 Fig.4.24 所示。

57

Fig.4.24 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之動態監視檔

之後對其切換資料檔進行設定，本實驗之模擬時間設定為 83.940(s)，同樣進行

10 步階，每步階工作時間為 0.001(s)，對此 10 步階需進行回報，設定固定時間模擬

器為 RK4，其檔案如 Fig.4.25 所示。

Fig.4.25 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之切換資料檔

最後進行資料彙整，將其建立至暫態模擬檔，如 Fig.4.26 所示，並將其送入 TSAT

程式進行模擬，所得之圖形如 Fig.4.27 所示，圖形之直軸為端電壓值，單位為 pu，

而橫軸則為時間，其單位為秒。

58

。

Fig.4.26 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之暫態模擬檔

59

Fig.4.27 明潭(水力)發電機組 q 軸參數實驗之模擬圖形

由 Fig.4.27 之觀察可知，在明潭機組所測量之實驗結果也與大潭發電機組是相

似的結果，其圖形極度之不穩定，且無法呈現出如 d 軸實驗時所得之圖形，由於 q

軸實際中並不存在，因此本實驗無法取得其穩定的比例圖形。

60

第五章 發電機組之電壓調整器步階響應測試

5.1 前言

在發電機組實驗中，主要以調整發電機電壓與頻率來觀察機組部分數據的變化，

調整頻率對於發電機組就是以調整其實功部份，而在本實驗中所調整的部分是以電

壓為主，而調整電壓主要就是以調整勵磁機組所做之虛功。電壓調整器步階響應測

試其目的在於對發電機勵磁系統的模型及參數做求證，主要分為 2%步階響應、5%

步階響應及 10%步階響應，其百分比數所代表的就是以調整發電機組電壓之上升比

例，由於本實驗不會受到負載之影響，因此可在於發電機組無負載之額定轉速作用

時進行。

5.2 大潭(火力)發電機組電壓調整器步階響應測試

在大潭發電機組裡，將進行 2%步階響應測試與 5%步階響應測試做比較，而本

實驗將以機組所量測之數據搭配粒子群優演算法(Particle Swarm Optimization,PSO)

做資料之演算後，以 TSAT 程式模擬得出其量測圖形。

進行本實驗時，第一步同樣需將發電機組的機組資料以電力潮流檔匯入 TSAT，

由於兩組步階響應測試是在同一機組所進行，因此電力潮流檔為統一之檔案，如

Fig.5.1 所示，其無限匯流排(INF Bus)所設定之基礎電壓為 230kV，而單機匯流排

(Gen Bus)所設定之基礎電壓為 16kV。

61

Fig.5.1 大潭(火力)發電機組步階響應測試之電力潮流檔

而動態資料檔的設定上，則需加入勵磁機之參數進行模擬，Table.5.1[34]代表步

階響應測試之勵磁機參數，將其與其他發電機參數彙整至動態資料檔，Fig.5.2 為其

步階響應測試之動態資料檔。

Table.5.1 大潭(火力)發電機組步階響應測試之勵磁機參數值列表

Fig.5.2 大潭(火力)發電機組步階響應測試之動態資料檔

之後進行動態監視檔之設定，本檔案之設定與進行本論文其他實驗時相同，利

用本檔案對於其發電機組的電壓頻率進行監控，如 Fig.5.3 所示。

62

Fig.5.3 大潭(火力)發電機組步階響應測試之動態監視檔

接著對於切換資料檔進行設定，如 Fig.5.4 所示，本實驗所進行模擬之時間為 60

秒，進行 10 個步階，每步階所進行之時間為 0.001 秒，對於此 10 步階完成後進行

回報，並設定固定時間模擬器為 RK4，最後設定其在 13.96 秒與 24.58 秒時更換其

參考目標。

Fig.5.4 大潭(火力)發電機組步階響應測試之切換資料檔

實驗的最後一步，同樣將所有設定完成之檔案，以暫態模擬檔彙整後，如 Fig.5.5

所示，將其輸入之 TSAT 程式進行模擬，而模擬之圖形如 Fig.5.6 及 Fig.5.7 所示。

63

Fig.5.5 大潭(火力)發電機組步階響應測試之暫態模擬檔

64

Fig.5.6 大潭(火力)發電機組 2%步階響應測試之模擬圖形

65

Fig.5.7 大潭(火力)發電機組 5%步階響應測試之模擬圖形

在步階響應實驗中，主要調整發電機組之電壓值以觀察其端電壓之變化量，由

於發電機組內的耐壓額度絕大多數的機組都是以發電機組基準值的 10%為限，因此

為避免一開始向上調整電壓值時造成發電機組內電樞繞組因高溫熔解進而引起發電

機組短路而跳機，在進行本實驗時大多都是以先將電壓值向下調整後再向上回升使

其有一定之緩衝，由 Fig.5.6 觀察可知，兩者所進行之時間大同小異，但在進行 5%

步階響應實驗時所模擬出的圖形明顯的比 2%步階響應實驗之模擬圖更可顯示出步

階響應的特性，而在 5%步階響應實驗中，電壓調降與調升時其振幅比例也比 2%步

階響應實驗來得更為清楚。

66

5.3 明潭(水力)發電機組電壓調整器步階響應測試

本實驗在明潭發電機組裡，將進行 5%步階響應測試與 10%步階響應測試做為

比較，其勵磁機組參數同樣由明潭發電廠所提供，本資料也將使用粒子群優演算法

進行運算整合。

本實驗第一步同樣需將發電機組之機組資料以電力潮流檔匯入 TSAT 程式進行

設定，如 Fig.5.8 所示，其無限匯流排(INF Bus)所設定之基礎電壓為 230kV，而單

機匯流排(Gen Bus)所設定之基礎電壓為 16.5kV。

Fig.5.8 明潭(水力)發電機組步階響應測試之電力潮流檔

之後進行動態資料檔的設定，本檔案同樣需加入勵磁機組的參數數據與發電機

組之設定參數一同進行模擬，Table.5.2[35]為明潭發電廠所提供之勵磁機參數數據，

而 Fig.5.9 為將所有資料彙整後之動態資料檔。

Table.5.2 明潭(水力)發電機組步階響應測試之勵磁機參數值列表

67

Fig.5.9 明潭(水力)發電機組步階響應測試之動態資料檔

接著進行動態監視檔之設定，本檔案之設定與進行本論文其他實驗時相同，利

用本檔案對於其發電機組的電壓頻率進行監控，如 Fig.5.10所示。

Fig.5.10 明潭(水力)發電機組步階響應測試之動態監視檔

接著對於切換資料檔進行設定，如 Fig.5.11 所示，本實驗所進行模擬之時間為

43 秒，進行 10 個步階，每步階所進行之時間為 0.001 秒，對於此 10 步階完成後進

行回報，並設定固定時間模擬器為 RK4，最後設定其在 3.9 秒與 18.12 秒時更換其

參考目標。

68

Fig.5.11 明潭(水力)發電機組步階響應測試之切換資料檔

最後將上述所有資料檔案，彙整至暫態模擬檔，如 Fig.5.12 所示，並將其送入

TSAT 程式進行模擬後，所得出 5%步階響應測試之模擬圖形為 Fig.5.13，10%步階

響應測試之模擬圖形為 Fig.5.14。

69

Fig.5.12 明潭(水力)發電機組步階響應測試之暫態模擬檔

70

Fig.5.13 明潭(水力)發電機組 5%步階響應測試之模擬圖形

71

Fig.5.14 明潭(水力)發電機組 10%步階響應測試之模擬圖形

在明潭發電機組中，步階響應測試所使用的方法為先將電壓向上調升之做法，

在上一小節中有提過，由於發電機組所能承受之耐壓額度為 10%，因此在明潭發電

機組所做之步階響應其起始基準值與其他機組常使用的 1pu 不同，而是向下調整，

使其電壓上升時有更多的緩衝空間，不至於發生發電機組內因電壓過載造成電樞繞

組高溫熔解進而引起發電機組短路而跳機。

由 Fig.5.12 與 Fig.5.13 觀察後可發現，在 5%步階響應時所花費之時間較長，但

其端電壓之振幅大小比 10%步階響應測試時所得的值來得較小，而在步階響應特性

方面在 5%步階響應測試時較為顯示得出來。

72

第六章 結論

在第一章節裡經由本國內發生的重大電力事故可知，其電力系統及發電設施的

定期檢修與其機組的數據監控是相當之重要，同時經由國外技術的發展，並將其引

進台灣，對於本國的電力系統防護有大大的加乘效果。

在第二章節裡進行了磁場飽和的實驗，本實驗對於發電機組內部的鐵心有相關

應用，因此本論文對於鐵心進行探討後，得知鐵心之材質與其所在的環境溫度之不

同都會對其造成影響，以至於其特性的改變，同時在本章節也對於火力發電機組與

水力發電機組做了相關介紹，由此可知其機組的分類與其相關應用的發電技術，最

後以實驗成果作為本章節之總結，進行完飽和實驗後，可學習到如何對於發電機組

的飽和數值求解，因此可以在其發電機內部磁場達到飽和前對其發電機組做到提前

維修的準備，而本論文也將大潭發電廠與明潭發電廠的機組進行本實驗後，成功求

得飽和數值。

在第三章節裡，本論文對於勵磁機的工作原理以及其分類做相關介紹後，得知

勵磁機對於發電機組是不可缺少的重要組成之一，若無勵磁機的供電，發電機組則

無法獲得讓其轉動之來源，而使機組無法進行發電，而隨著技術的進步，勵磁機的

種類也隨之更新，以不同的勵磁技術對發電機組進行其勵磁電流的供給，而本章節

所進行的磁場短路實驗，主要就是以求得在勵磁繞組中經由設定不同之時間常數而

得知的端電壓變化量，而對於大潭及明潭發電機組進行完本實驗後可經由模擬圖形

得知在設定不同的時間常數後，其發電機之端電壓值得變化會有些許之改變，時間

常數設定的越小，端電壓曲線進行變化的時間則越快，因此本實驗可對於勵磁繞組

進行調整以控制其變化。

在第四章中，本論文對於發電機組中，不同轉子類型的發電機組進行介紹，由

於本章節是以 d軸及 q軸之量測實驗為重點，因此在本章節中也針對了 d軸與 q軸

進行介紹，並藉此可以瞭解到發電機組的座標轉換公式，利用矩正的運算對於二維

或三維的座標系統進行轉換，也利用向量投影的方式對於三相電流與座標系統進行

73

轉換，而在本章節的實驗中，對於兩台發電機組分別進行 d軸參數實驗與 q軸參數

實驗，尤其結果可明顯的得知在兩台機組所進行的 d軸參數實驗，由於此軸實際存

在於發電機組中，因此模擬之圖形可以明確的顯示出於次暫態、暫態、穩態三項的

端電壓變化量，但於 q軸實驗中，由於此軸是由人們自行想像出的一條軸線，因此

在模擬上，其無法有效的將因得知圖形模擬出來，也因此無法進行相關的討論。

在第五章中，進行了本論文最後一項發電機組量測實驗，電壓調整器之步階響

應測試，在本章節的實驗中利用兩台發電機組以不同的方式進行步階響應測試，由

其所得的模擬圖形可以瞭解到發電機組的端電壓變化量所顯示的步階特性，而本實

驗中也加入了勵磁機組的各項參數，因此經由本章節也可得知對於勵磁機組的各項

參數所代表之意義與其所得之數值。

本論文之內容主要由發電機組的四項參數量測實驗所構成，在完成本論文後，

本人對於發電機組的內部各項設備及其工作原理已充分學習並加以深入探討，在進

行本論文之研究時對其實驗內容也是經指導教授嚴正的指導並多次反覆的進行不同

數據之模擬而得知，因此在模擬結果上，以達到實驗之成果。

74

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