【綠色觀點】太陽能和風力發電併網的神救援!三分鐘帶你搞懂電力輔助服務

特斯拉花了二個多月的時間在南澳州建置全球最大電網級儲能電站,電站建置完成後就馬上成功避免兩次可能的大規模停電,在電網危急的時候立刻供電給電網。
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REUTERS/達志影像
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本文作者吳進忠,年少時聽聞孫運璿運籌帷幄、指揮若定,如何在五個月內復原臺灣 80% 的供電系統,打敗日本人預言的傳奇故事。長大以後成為電力工程師,眼看著這個活兒就是一輩子。閉著眼睛就知道明天的備轉容量率要亮什麼顏色的燈,卻迷惘於國家的電力系統未來要往哪裡去。近年用心研究各國電力調度與市場的創新策略,曾獲邀擔任亞太經濟合作會議 (APEC) 特聘電力能源專家,同時為台灣科技大學電機系兼任副教授,也是綠學院的綠色帶路人。

原文刊登於綠學院,INSIDE 獲授權轉載。

前面幾篇我們談到再生能源發電的間歇性、不易預測性,以及電動車對負載的不易預測性,這些都是電力調度的最大挑戰,輕者會導致系統頻率不穩定、區域電網電壓變動過大;嚴重時可能導致輸電線路壅塞、區域電網電壓不穩定、系統頻率驟降,引發低頻電驛動作卸載,影響供電可靠度。

工程師遇到問題,首先想的就是要怎麼解決。活潑的再生能源和電動車對電力系統供需平衡與電網運轉產生影響?OK,那我們來看看手上有什麼武器可以處理,以及什麼時間進場處理,可以達到最大的功效。

這個武器,就是電力輔助服務配置足夠的各類電力輔助服務,使系統發電及負載得以維持平衡、確保系統穩定,即使再生能源發電量瞬間減少很多,或是大家忽然都在同一時間替電動車充電,我們也不怕。

電力輔助服務包括快速反應備轉容量(Fast Responsive Reserve)、調頻備轉容量(Regulation Reserve)、即時備轉容量(Spinning Reserve)、補充備轉容量(Supplemental Reserve)四種。翻成白話文的意思就是,當發電端或需求端突然有大變動時,我手上有其他的武器可以調度出來,上場打仗。

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▲各類輔助服務依反應時間及來源分類。資料來源:吳進忠

電力輔助服務的 4 大武器 — 需量反應、儲能系統、發電機組及自用發電設備

武器的來源其實並不多,一般包括需量反應、儲能系統、發電機組及自用發電設備。在之前的文章《政府要工商業大戶強制節電 5%,是絕招還是沒招?》中,我們已經詳細介紹需量反應是如何透過用戶群代表(aggregator)在很短的時間內呼叫他的樁腳們開始降低用電量的。

至於儲能成功救援的最佳案例,就是特斯拉(Tesla)花了二個多月的時間在南澳州建置全球最大電網級 100MW/129MWh 的儲能電站(Battery farm),電站建置完成後就馬上成功避免兩次可能的大規模停電。儲能的啟動速度可以比需量反應更快,只需毫秒就可以將它喚醒,在電網危急的時候立刻供電給電網,堪稱是神救援!

除了需量反應和儲能系統之外,其他的武器需要較長的暖機時間才能喚醒,例如我們在《沒停電不代表系統穩定:台灣電力調度的難題》提過的抽蓄水力機組,他可以在收到併聯發電指令後 3-5 分鐘內進場救援,另外就是燃氣複循環機組,它可以在 15 分鐘內進場,兩者都是後期能提供大量電力的可靠武器。

電力調度的 6 大策略

有了這些武器之後,我們必須在電力調度上採取積極的策略,因為購買武器、保養武器和維護武器可都是要花錢的,要善加運用才能達到最大的效益,少花冤枉錢。我在綠色創業家社群五月(2019)即將舉辦的小聚中,會細部展開下面六大電力調度策略:

1. 建立電力市場機制,推出電力輔助服務

調度中心必須配置適量的各類電力輔助服務,使系統發電及負載得以動態維持平衡;另依國外調度中心運轉經驗,建議宜儘速建立電力市場機制,電力調度中心可透過電力市場取得必要的電力輔助服務,例如「自動反應型需量反應」等,因應大量再生能源併網和電動車對負載的衝擊

2. 提高發電端和需求端的預測能力

我們應該運用科技,提高再生能源發電預測的準確性與重新調度程序,以及增加電動車充電負載變動的參數進系統中。理想上必須準確預測明天 24 小時的發電出力,電力調度中心在日前機組排程(Day-ahead unit commitment)作業才能準確且有效進行。通常在前一天就要依據電網安全限制的要求,同時考慮各電廠各項環保限制進行次一日最經濟的機組發電排程規劃,如此才能確保次一日電力系統的穩定與安全

3. 完善電力調度控制機制與系統

台電和再生能源業者要一起合作建置「再生能源管理系統」,包括再生能源發電量日前及即時預測、監控及調度管理等

4. 修訂再生能源併聯技術法規

再生能源併到電網,應該要遵守電網的遊戲規則,不能只負責發電賺錢,其他的事情都推給台電。設立好責任分界點,管制再生能源於責任分界點的負載變動率 (ΔP)、電壓變動率 (∆V)、電壓 / 頻率穿越(Voltage & Frequency Ride-Through)、功率降載能力(Power Curtailment)、可設定之升 / 降載率(Ramp Rate Limitation)、調速機功能(Governor)等,減少對電網的衝擊,並透過費率機制鼓勵再生能源業者設置適當之儲能設施

5. 增加可快速喚醒的燃氣複循環機組

天然氣雖然有其他問題,但不可否認它是個動作迅速的武器,對於電力調度來說確有必要

6. 增加調度人力專責監控再生能源變動,加強即時運轉控制

因應再生能源發展及電動車負載變動情境,加強電力調度人員相關訓練,針對各種可能風險進行定量分析、改善,並動態考慮特定的風險,包括:最大可能預測誤差、淨負載變動、系統慣性的質量與能量變化、輔助服務需求動態調整等

期待在小聚中與你有更多的交流與討論,上古神器的電網要升級成為智慧電網,需要所有電網的參與者一起齊心齊力,發揮孫運璿那一代人的拚搏精神,再創另一個電力奇蹟!

責任編輯:Mia