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電力系統運轉與再生能源併網的影響

2019-11-21

王釿鋊主任、劉致峻研究員

中技社能源暨產業研究中心 


前言
政府為達成能源轉型的目標,已確立讓再生能源占比在未來七年中大幅提升的政策目標,並以風力與太陽光電來扮演重要的供電角色,其間歇與不可預測的特性將會對台灣的電力系統運轉帶來極大的挑戰。本文嘗試以較淺顯的方式,說明電力系統如何運轉、再生能源併網的可能影響,及對應之策,讓讀者一窺究竟。
 

 

 一、 電力系統運轉

電力是生產活動與民眾生活的必要投入,且必須即時滿足。然而,電力的供應卻難以隨意的增減,還因儲存成本偏高難以像其它商品般透過存貨應付短期需求的變化。換言之,電力公司需要靈活地調度發電機組來,才足以即時滿足電力需求(亦稱為負載)的波動,使電力的供需維持在一個穩定的動態平衡中。
 由於電力負載來自各個地區且隨時間、氣溫的變化而變動,電力公司需要事先根據過去的歷史資料推估一定期間內負載變化,當負載的預測值出來後,電力公司即可據此調度的各類發電機組、對外採購電力來供電(例如民營電廠機組或汽電共生廠)。實務上,目前台電公司的「一日前(Day-ahead)」的負載預測(即運轉前一日預測運轉日當天負載)之精準度已經能夠小於3%的誤差範圍,並隨著預測時點與實際運轉時點越接近,精準度還可再為提升。
確保電力負載預測的精準度後,電力公司視各種機組的發電特性與成本的不同,再確保電力系統之供電可靠度、電力品質及最小運轉成本等三項準則下,進行電源與電網的調度。譬如說,燃煤及核能這類基載機組較適合長時間的穩定運轉,一來可獲得較好的發電效率,更因燃料成本較低,可有效降低運轉成本;另一類則是能因應負載變動而快速啟動或反應之發電機組,例如燃氣、燃油、水力(含抽蓄水力)等,可短時間內升降載達數百萬瓦的中、尖載機組,但這類機組的發電成本相當高,若長期間運轉,將大幅增加運轉成本。因此,如何參考機組之冷暖機時間、升降載速率、燃料成本差異,讓不同類型的機組各自扮演好基、中、尖載的角色,即是電力系統運轉的「眉眉角角」。
為了維持機組安全及效率,發電機組需要定期維修,加上環保法規、燃料供應、水資源保存等因素的限制,使得部分機組不能隨時接受調度運轉。例如近年為達成非核家園的政策目標,部分核能機組停止運轉;又如燃煤機組受空污法(總量管制、固定污染源操作可證)及環評法管理,或因地方政府為減少秋冬之際之空氣污染而採取的生煤減量措施等原因而降載;燃氣電廠面臨安全運轉時數限制、噪音管制及固定空氣污染源之環評等限制;上開的種種限制因素均影響整體電力系統的發電能力。
另外,電力供應需經過輸變電線路及設備,相關輸變電線路及設備本身的能力亦有其上限(且線路與設備亦需定期檢修維護,其檢修期間還會進一步降低輸電能力)。而台灣各地區的電源分配相當不平均,目前北部地區的用電量需從中部及南部的發電機組來補足,而北送的電力所經過的輸電幹線皆有最大容量限制。一旦在夏季期間,部分北部地區的發電機組因某些不可抗拒的因素而停止運轉,可能造成輸電線路超過負荷的狀況,適時北部地區用戶勢必面臨停/限電。此亦是為何北部地區的發電能力多寡對當前台灣電力系統的運轉安全影響重大的原因。

 

二、 再生能源併網對電力系統的影響

因火力發電產生的空氣污染物對人體健康的不良影響,且其排放的大量二氧化碳更是氣候變遷加劇的主因,加上一般民眾對於核能發電在安全面上的疑慮,再生能源發電成為各國政府致力發展及推廣的能源選項之一。而我國政府為促進產業及一般民眾裝置再生能源的意願,於2009年通過「再生能源發展條例」,規範電業以優惠價格收購再生能源產生的電力。2016年為了更積極發展再生能源,設立於2025年再生能源發電占總發電量20%的政策目標,其中以太陽光電、陸域及離岸風電為主(詳見表1),適時再生能源的總裝置容量(27.4 GW)將占全系統(73.4 GW)的37.3% 。

表1  台灣再生能源發展目標 (資料來源:經濟部能源局)。
*:我國離岸風力2025年推廣目標為3 GW,依廠商申設情形預計可達5.5 GW。
**:其他包含:地熱、生質能、水力、燃料電池

 

然風力發電與太陽光電具有間歇且不易預測的特性,被歸類為「不可調度型(或稱變動型)」的再生能源 ,無法如傳統電廠一般,接受調度單位的指令,來因應電力負載的變化。在過去,電力系統運轉的不確定性主要來自於突發的機組跳機、輸配電路故障、或是預測不到的負載因素變化。但如今又增加了再生能源受天候、季節、地域及設備性能等因素的不確定性,使得將再生能源併聯至電網後,會對電力系統運轉造成程度不一的額外衝擊。當再生能源發電容量占比還小的時候,其對電力系統的運轉影響不大,但隨著再生能源發電量日漸成長到達到一定比例後,其造成的不確定性將會比傳統發電機組跳機或是輸配電路故障還要廣泛。
舉例來說,離岸風電雖不受日夜變化影響,可擔當中載發電的角色,但同時也深受季節轉換的影響。秋冬之際,離岸風力近乎穩定且滿載,有助解決此一時期因空氣污染而需火力電廠降載的供電緊澀問題。但春夏期間,平均風力偏低且變化劇烈 ,會對電力調度產生莫大挑戰。另外,離岸風電受到鋒面或暴風雨侵襲時,會造成,機組可能因系統頻率出現大幅變化而觸發跳機。加上風力機組未若傳統機組可透過渦輪機或傳動系統來吸收或補償能量的不平衡,難以隨著系統頻率變化來增減發電,導致系統調頻能力下降、慣量不足,此時一旦遇上跳機,會增加系統卸載的可能性。另外,傳統發電機組,而風力機組不具備傳統機組維持穩定電壓的能力,容易造成大規模風機跳機的問題 。
相對於風力發電,太陽光電則容易受季節性因素影響。例如冬季時,太陽光電在早上七點後才逐步發電,難以滿足早上五點即開始上升的電力負載;太陽光電的發電量在下午兩點半後便迅速下降,也無法滿足傍晚五~六點才達到的負載尖峰,造成所謂的「鴨子曲線 」的出現。這個現象有兩個問題,一是可能會讓系統在短時間內的升降載需求變大,若機組短時間升降載能力有限,供需無法即時平衡,系統頻率將會大幅度變化,嚴重影響系統穩定;二是供應中載的燃氣複循環機組必須在早上五點~七點升載/併聯,並在早上九點後陸續降載/解聯,然後又在下午兩點接續升載/併聯,並在半夜再度接連降載/解聯。如此頻繁的解併聯,容易造成機組壽命的減損。另外,當太陽光電裝置容量占比到達一定規模時,系統頻率更難以維持,難以應對大型機組跳機事件 。最後,太陽光電的案場相對較小,也更容易受區域天候變化的影響(如雲層遮蔽效應)。

 

 

三、 再生能源併網衝擊的因應對策

既然控制再生能源的發電量有相當的難度,退而求其次地,應知道再生能源未來的發電量是多少,才易於調度傳統電廠的發電量來滿足負載的變動,故精進再生能源發電預測即是減少再生能源併往衝擊的首要工作。
運轉日當天再生能源發電變動的時間,短則以分秒計,長則達小時、日、週、月甚至年等,其特性無法一概而論,難以用任何單一時間軸的預測方法來適用所有情況。故為了使再生能源發電預測能更適配地為系統調度所使用,不同時間軸的再生能源預測也因應而生 。例如數小時內(通常一至六小時)的發電預測值可讓調度人員用來作為準備調頻調度的參考,以日(通常為兩日至一周)為時間軸的發電預測值則作為每日機組排程的參考。更長期的發電預測值則作為機組年度燃料、排放量、維修管理的參考。
然而,由於風力或太陽光電的預測是否足夠準確,取決於對氣候預測的精準度,故其精準度難與第一節提及的負載預測相比擬。使得過去習慣使用負載預測來調度機組發電的方式不再適用。因此,當高占比的再生能源納入電力系統時,還需要有更新的思維及方法。例如:儲能系統、需量反應、輔助服務市場等策略。結合這些策略,互補其優缺點,將有助減少再生能源併網的可能衝擊。

(一) 儲能系統
為降低上述大規模再生能源併網可能造成的運轉風險,各國已陸續推動大型儲能示範計畫,藉由儲能系統協助電力運轉的穩定。儲能系統在運轉面的應用有兩種,一是做為電能平衡之用,電池一般採用電化學形式儲能及釋能,故可隨需求快速轉換出力狀態來平抑系統中供需平衡問題。然而目前儲能電池成本仍過於昂貴,且其壽命比風力或太陽光電設備壽命短,使得再生能源搭配儲能系統組合的選項尚不具吸引力。除耐心等待技術進步平抑成本外,另外的可行作法是提供費率誘因,讓再生能源業者增設儲能設備,以提供電能平衡服務。第二種應用是頻率調節,過往電力系統多採用水力機組或大型抽蓄水力電廠來做頻率調節(因為水力機組的反應速度比火力機組迅速)。但面對變化更為劇烈之再生能源,水力機組的反應速率仍不夠迅速。相對來說,儲能電池具有速度更快及充放電轉換自由等優勢,故儲能電池可提供極短期頻率調節服務。
 
(二) 需量反應
需量反應則是從需求面著手處理,藉由抑低電力負載以因應供電緊澀的情勢,確保電力供需平衡。當預期未來可能缺電時,向可轉移負載時段的廠家商議在該特定時段停止用電,並以電費減免或購電方式補償廠家讓出電力所受的損失。其最大優勢在於能讓電力系統在較低成本下有效舒緩短期供電緊澀的窘境,並提升整日能源供應的效率,此作法適用於低備轉容量的情況。根據台電公司數據,在一年當中,多達98%的時間,系統負載都不到尖峰負載的93%。因此,面對這僅占2%時間之短期供電緊澀問題,推動需量反應,比新建一座電廠更為經濟。另外,可快速反應的需量反應有助於緩解再生能源發電的變動性,尤其可與太陽光電可形成強大的互補效用。
 
(三) 輔助服務與其市場
輔助服務則是降低大量再生能源併網衝擊的另一有效方法,可隨時因應系統變化做出調整,協助穩定系統,故應積極地建立公平且有效率的電力輔助服務市場,創造誘因使業者提供更多的輔助服務。輔助服務市場有三種類型:一是提供「備轉容量服務」:包括調頻備轉容量(Regulation Reserve)、即時備轉容量(Responsive Reserve)及補充備轉容量(Non-Spinning Reserve),這項服務的提供者不限於傳統發電機組,亦包含儲能系統。第二類則是將(二)提及的「需量反應服務」納入,根據電力供需狀況由輔助服務市場提供需量反應的服務,例如在日前市場中,先以再生能源發電預測得知可能的供電緊澀狀況,再透過「需量競價」方式,由市場得到用戶端可以減少的負載量,以舒緩供電壓力。另需量反應可提供電力系統類似保險的服務,當系統運轉正常時不執行,但提供相當的容量費率給業者,當事故發生時,即卸載業者的負載容量,並根據執行時間給予能量費率。最後一類是「全黑啟動服務」,當發生大規模事故,而造成區域電網解聯時,可配合區域調度中心指令逐步併聯,協助系統恢復供電。

 

結語
推動再生能源是我國既定的能源政策,亦是舒緩傳統電廠空汙排放的解方,但如何將高容量的再生能源併入電力系統且穩定運轉是政府、台電公司、與再生能源業者不可迴避的議題。本文從電力系統運轉的角度,認為若能透過準確的再生能源發電預測,並結合儲能系統、需量反應、輔助服務市場等策略,互補其優缺點,將有助減少再生能源併網的可能衝擊,希冀能達到改善環境品質、增加能源自主、確保供電穩定等目標。

 

參考資料

1. 林法正 (2017),「電業改革與能源轉型下再生能源業者之角色與定位」與談資料,電業改革與能源轉型論壇第三場次,中華民國能源經濟學會。

2. 根據國際能源總署的能源技術系統分析計畫( IEA-ETSAP)與國際再生能源署(IRENA)於2015年共同發佈的《Renewable Energy Integration In Power Grids:Technology Brief》報告,將再生能源分為「可調度」及「不可調度」兩大類,前者如生質能、地熱、水力及包含儲能設施在內的太陽光電,後者則如風能、太陽光電及海洋能。

3. 陳一成,風力發電實際量測與變動分析,再生能源發電預測研討會,2018年6月28日。

4. 傳統機組配備激磁系統,具備虛功調控功能,可隨負載的高低調整虛功輸出以維持電壓穩定。但風力機組是透過變流器將電流併上電網(只有實功),導致系統電壓容易受到風力發電輸出的變化而變動。此問題在電壓下降時特別危險,因電壓的下降若不受控制,會觸發變流器的保護動作,而切離電網,並造成連鎖效應,使眾多風機同時跳機。(張簡樂仁,2018)

5. 在冬季與春季因為中午的電力負載不高,但中午的太陽光電發電量又特別多的狀況下,電力系統的淨負載曲線(負載扣除再生能源發電量)會在中午期間顯著減少,呈現下凹趨勢,但當傍晚太陽光電發電量快速下降的同時,卻是負載開始爬升的階段,此時淨負載急遽上升。上述狀況的系統淨負載曲線宛如一隻鴨子,故取名鴨子曲線。

6. 太陽光電與風力發電類似,均以變流器將其發電饋入電網,當其發電足以取代多部傳統機組時,將使傳統機組出力大幅降低,甚至處於解聯待機狀況,導致系統慣量不足,此時若有大型機組跳機,頻率的下降將非常劇烈,導致容易觸發低頻卸載事件。(張簡樂仁,2018)

7. 陳彥銘,太陽光預測技術簡介,再生能源發電預測研討會,2018年6月28日;C. Voyant, etl. (2017), “Machine learning methods for solar radiation forecasting: A review”, Renewable Energy, 105, 569-582.


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