Small Is New Big 以小見大的電網未來

672期

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台電近年揭示「低碳園區、低碳社區和低碳島」願景,希望透過智慧電網同時兼顧區域的能源、經濟和環境,亦即將創能(再生能源)、節能(需求面管理、節約能源和需量反應)和儲能整合起來,使電力系統即時做出最佳反應,達到供電穩定、節能減碳和應變天候災害的目標。目前台電從智慧電表的布建基礎,延伸出不同型態的微電網示範場域,未來更可能擴大範圍發展成區域型電網,讓臺灣逐步轉向低碳的智慧經濟社會。

再生能源變數多 如何掌握成關鍵

「智慧電網是能源轉型的關鍵,須和電力市場連結在一起,藉此有效整合所有電力資源。」台電綜合研究所洪紹平所長表示,如今電力結構正在面臨巨大轉型,過去以火力、核能基載作為基礎,其他能源跟它協調搭配,而未來則以發展再生能源為基礎,因再生能源具有間歇性與瞬間變動性之特性,需要智慧電網作為核心平台、並且結合資通訊技術,連結供給面與需求面的資源,做有效且及時的最佳化管控。

國外推動智慧電網時,追求的是「環境永續」和「再生能源極大化」,希望達到低碳甚至零碳排放的目標。但是再生能源會隨著天候變動,難以掌控,而傳統電力系統採取集中式調度,由供給端追隨需求端,亦即發電追隨負載,現在以不穩定的再生能源作為供電基礎,將會增加供電的變數。傳統電力系統將遭遇供給端與需求端都在動態變動的困境,即是智慧電網在推動能源轉型時的優勢。

「我們反過來思考,是否可能由負載端去追隨發電端,如果可以更即時掌握負載端資訊,將來就可以用多元需量反應方案調控需求,這樣一來提供調度更大的彈性,如果供給端面臨尖峰負載供電吃緊的情況,就可以透過用戶端的需量反應抑制尖峰用電。」沈德振副所長解釋,「另一種方式是,有時太陽光電的發電量充足,供給端遠遠大於需求端,多餘的太陽光電的電力透過儲能系統存起來,有需要時再釋放出來,調度變得更有彈性,比傳統電力系統多了需量反應、多了儲能的功用可以扮演供給端和需求端的平衡角色。」

按照國家能源政策的目標,114年發電量要達到再生能源占比20%,為了快速、即時地掌握再生能源運轉的狀況和資訊,並完成穩定供電的任務,資通訊技術的重要性不言而喻。然而新的資通訊技術與智慧電子設備加入電網時,必須要通過多項驗證,同時也要解決新舊設備、系統、技術等整合與介面的問題,先從小區域進行先導試驗,確定技術可行再加以推廣應用,因此智慧電網會逐年試驗、發展,並非一步到位。

智慧電網的小型實驗室─打造微電網

智慧配電網的主要架構可由變電所及其涵蓋的區域構成,可視為一個智慧電網的單元,甚至個人住家單元都可以構成一個最小的系統。因此台電嘗試規劃不同型態的電網實驗場域,以因應未來臺灣社會發展的多元可能性。

微電網是由分散式電源、儲能設備、負載、能源管理系統(含監控)等組成的小型電網,具備自我控制、保護和管理能力,且可與電網併聯運轉,或自主運轉。

分散式區域(微)電網目前尚處於實驗建置階段,世界先進國家如美、日等國皆有示範案例,例如日本的「東松島市智慧防災生態城」,在災難事故發生導致停電時,可提供緊急維生電力需求;美國的「加州Borrego Springs鎮微電網」,由於地處偏遠,建置微電網供電可節省電網新建成本;「日本柏之葉智慧城市」,結合社區機能需求及都市計劃發展,可配合智慧電能管理發展自給電能供應。

目前國內微電網可分成三種類型如下:

第一種是「防災型微電網」,設置於經常發生災害的地區之避難中心,其運作的三個基本要素為再生能源、儲能系統和傳統的小型或柴油發電機,例如烏來福山國小微電網。104年蘇迪勒颱風侵襲烏來,福山部落對外道路中斷,並且停電長達17天,台電因而著手規劃福山國小防災型微電網,並於106年1月18日正式啟用,可提供當地避難收容處所緊急用電,規劃的2處緊急避難中心(福山國小及福山活動中心),設置成本新臺幣750萬元,設置太陽能發電29kW、儲能設備約30kW/50度、備用發電機60kW。當天然災害造成配電線路出現問題時,即可藉由微電網,供應當地避難收容處所基本維生的電力。

第二種是「離島型微電網」,由於在離島使用柴油發電機成本昂貴,再生能源則相對便宜,因此以增加再生能源占比,減少離島燃料成本,做為推動離島型微電網之原則。例如澎湖七美島微電網,於107年5月16日建置完成,目前有355kW太陽光電場及4部柴油機組,並採用250kW/300kWh鋰電池儲能系統1套,主要將再生能源發電平滑化,協助調控系統柴油機組的電壓與頻率,以達到增加再生能源併網容量的目的。此外,台電正在評估規劃澎湖縣望安島微電網,希望達到將其打造成一個低碳島之目標。

第三種是「社區型微電網」,由社區自建可併聯市電提供輔助服務,亦可短暫自主運轉,特色在於將來可以普遍地融入經濟社會,例如鳳山智慧綠社區。不過沈德振副所長也解釋,微電網須具備孤島運轉的能力,即電力資源可以併網也可以離網獨立運作,然而鳳山智慧綠社區無法獨立運轉,所以不算嚴格定義的微電網,但可視為虛擬電廠,虛擬電廠也是將發電、儲能與需量反應整合在一起;未來鳳山智慧綠社區如具有孤島運轉能力就可能成為鳳山地區的微電網。

另一個社區型微電網示範場域,即位於龍潭的中山科學研究院核能研究所,核研所微電網既可獨立運轉、自主供電,也可配合台電桃園區營業處調度中心,進行平衡電力供需的調度。

電動車就是移動的發電廠

除此之外,社區型微電網還會納入電動車,電動車屬於一種移動式的儲能系統,德國在今(107)年已率先踏出電動車可將電力回輸電網的第一步,其經驗將值得臺灣借鏡;也會布建智慧電表,結合智慧家庭,一個社區裡有電動車、微電網元素和智慧電網,配合需求面管理、需量反應,就能組合起來成為虛擬電廠。

配電處許墩貴副處長提及,「將來我們希望微電網也就是虛擬電廠概念,可以從虛擬電廠調度電力來填補系統不足,這在技術上已經成熟,核研所就可以接受本公司桃園區營業處調度電力,除了可以自主供電外,亦可以調度100kW的電力回到饋線中,這就是虛擬電廠的實際調度,也是分散式電網的雛型。」

106年《電業法》修法之後,未來民間也可生產、銷售綠電,配電處陳銘樹處長表示,「社區型微電網類似公民電廠儲電於民的概念,在台電停電時可以維持運作,居民若有共識,平常就是公民電廠可以小額販售用餘的綠電。」雖然目前微電網的技術堪稱成熟,不過建置費用和運維成本仍相當昂貴,成了微電網難以推動普及的主因。

從微電網到區域電網 難度不是倍數 而是幾何倍數

除此之外,未來用戶不只是消費者,還同時扮演生產、消費甚至產銷的角色。微電網通常會連結到產銷者,接近在地居民、就近供應電力,在電網中屬於最基層級,並且具有孤島運轉的能力;當微電網的規模和範圍擴大,就可能升級為區域電網,可以針對不同特性的區域做電力資源的整合,並且從用戶端連結到配電系統,假如再往上連結到系統電網,就屬於輸電的層級。

洪紹平所長表示,區域型電網的構成非常複雜,還會牽涉到產業問題,需要綠電產業、電動車產業、儲能業者、顧問公司、系統整合業者的加入,最後擴大到整個城市。洪紹平所長也指出,從微電網走向區域電網所面臨的挑戰有以下五點,第一是資通訊技術和電力應用技術的融合;第二是電網層級式的融合,未來電網將會是層級式的,希望儘量在底層就供需平衡,電力不夠再往上調節,透過層級式調節可讓電網變得強健、有彈性,做電力資源最佳化的控制,特別是區域和中央系統的連結,區域牽涉到區域調度、中央系統則是中央調度,兩者必須融合在一起。

第三,過去的電力潮流是單向式,加入再生能源後則是雙向式,用戶也可以是生產者、將電力回送電力系統,因此必須達到雙向的融合。第四,以電力為核心,融合資訊、電力市場的交易和經營,創造最大價值。第五,不同廠牌的設備與系統融合,由於電力系統有著各式各樣廠牌的軟硬體設備,而現在重構電力系統,廠牌的融合就變得至關重要。發展智慧電網的過程中,將會和外界密切合作,而合作方式主要分成兩部分:一是產官學合作,由政府、產業界與學界和台電協作,使實證和實用相融合;另一是和設備廠商合作,屆時會有多種廠牌的設備與系統進入,所以需要透過資通訊規格標準化讓廠牌有效串連整合互通運作。

達到上述五大融合的關鍵就是資通訊規格的標準化,因此目前台電積極推動國際資通訊標準,並由標準檢驗局制定為國家標準,奠定發展智慧電網的基礎。目前位於龍潭的行政院核能研究所,不但作為智慧電網中的微電網示範基地,更負責驗證微電網的電子技術,務求符合國際資通訊標準,以利後續整合發展。

「為什麼台電要積極推動電網資通訊的標準化?因為如果資通訊規格沒辦法互通的話,那麼這些資訊的溝通就有問題,設備與系統間無法互通、互相操作,無法快速回應電網的調控需求。像傳統大型集中式能源、電網設備、太陽光電、風力發電、儲能系統、電動車等即時發電與運轉資訊必須即時掌握互相流通,並與系統調度充分配合運作,以達到最佳化的調控。」沈德振副所長進一步說明:「未來也會推動國內智慧家庭裝置互連協定的標準化,由標檢局訂定為國家標準,讓家電業者、智慧家庭端都能遵循這個標準,這跟電網資通訊標準都是很重要的一環,電網和家庭端這兩者還是要連結起來。」

實踐就是最好的練習─南科和南科工示範場域

為讓相關技術有更多練兵的機會,考量「南部科學工業園區」和「台南科技工業區」對電力品質的要求甚高,且為完全新建的工業園區,適合做為推動提升再生能源加速併網、智慧電表AMI加值運用等的示範區。台電初期在這兩處建立完整的試驗場域,先布建智慧電表AMI掌握用戶資訊,進行用戶行為分析並做需求面管理,接著建置再生能源併網容量開放平台供查詢、發展配電與饋線自動化、重要變壓器監控系統等示範應用。

另外,亦可經由用戶群代表(Aggregator)機制,評估在南科和南科工推動立即性、自動化的需量反應的可能性,希望在南科和南科工建立完整的區域型智慧電網示範場域,未來再將成果推廣到其他工業區和科學園區。

台電綜研所沈德振副所長進一步解釋:「由於南科和南科工用電量較大,一般變電所都有容量限制,當廠家愈來愈多時,我們可能需要改建、擴充設備或者饋線,這個工程投資就很浩大。那我們是否可能透過再生能源併網與地理圖資視覺化互動平台(再生能源發電可併網容量查詢平台),加速提升區內再生能源裝置容量,利用太陽光電提供這個區域必要的電力,這樣就不用靠外電輸送到園區,首先,可以減少線損,因為從外面輸電進來可能造成線路損失;另外,變電所容量或饋線可能有壅塞的問題,在地發電、在地使用就可以維持這個區域裡的供需平衡。我們當時的想法是讓太陽光電極大化,盡量在園區內蓋太陽光電、確定饋線沒問題、容量足夠,鼓勵用戶加蓋太陽光電與儲能系統。」

「區域型智慧電網加值運用涉及許多層面,包括如何推動太陽光電併網、做配電自動化、提升科學園區的供電品質、自動化需量反應等,目前我們針對南科和南科工做了幾個重要的應用示範;至於再生能源併網與地理圖資視覺化互動平台應用的部分,台電已經在全國推動。」洪紹平所長認為,「目前台電所做的金門智慧電網,是最能呈現完整功能和加值成果的場域,預計會在108年底建置完成。」

在金門區域電網中有塔山與夏興電廠、4個變電站、39條饋線,包含太陽光電、風力發電、柴油發電機等,範圍涵蓋整個區域,現在有進行14項完整的技術整合應用示範(包括智慧電廠、智慧變電所、能源管理系統、儲能系統、智慧電表、配電自動化、通訊系統、資訊系統、再生能源預測、機組性能監診調校、特殊保護系統、發電與饋線系統監測、資產管理、能源物聯網),希望未來能將其經驗複製到本島推廣實施。洪紹平所長也提醒:「臺灣本島除了南科和南科工外,是否還有更具代表性的場域可以做為示範,也是後續要思考的問題。」

在一方天地體驗廣闊智慧未來

為了讓民眾更親近智慧電網的概念,並體驗智慧生活的無限可能,台電綜研所在樹林所區建構了研發基地的示範場域,以微型電網為基礎,融合太陽光電、風力發電等再生能源,以及儲能系統、自動需量反應,做為智慧電網研發基地,希望未來將相關經驗進一步推廣到離島或社區,從研發與示範場域開始,逐步落實智慧電網的發展。

為讓外界瞭解政府能源轉型政策與智慧電網,以及透過展示館與展示區互動,目前台電已建置三個展示點,包括北部綜研所樹林所區展示館、南部鳳山展示館及總管理處展示場,讓民眾有感及探索未來智慧生活。

北部綜研所樹林所區智慧電網展示館以「智慧電業新趨勢」作為主題,規劃成三個展區,主題分別為電力供給、電力需求和電力供需平衡。具體的空間配置包括:「智慧能源發展」展區,展示項目有再生能源監測與推估平台、再生能源發電系統資訊分析與預測、儲能電池於台電綜研所微型電網之建置與應用、智慧燃調監診、先進維護技術之研發。「需求面管理」展區,展示項目包含高壓用戶服務入口網站、用戶能源管理整合自動需量反應技術、太陽光電土地與電網地理圖資視覺化互動化平台;「智慧電力網」展區,展示項目包含相量量測單元(Precision Measurement Unit,PMU)應用、再生能源動態模擬與試驗、微電網示範區與未來應用、資通信基礎建設、智慧電表系統建置技術標準與試驗。

近在咫尺的智慧未來

從107年12月開始,台電總管理處一樓大廳也規劃了小而美的智慧電網特展,除彰顯智慧電網的創能、節能、儲能系統的整合功能之外,也讓民眾了解能源趨勢、智慧電業的內涵與發展願景,另也透過模型及互動設備與民眾接觸、互動,對近在咫尺的智慧生活更加有感。

臺灣在全球氣候變遷及能源的背景下,加速對電力議題的討論並且積極展開能源轉型,以提高再生能源占比、節能減碳為目標,並同時兼顧供電穩定需求,因而配合智慧電網的建置與策略來發展,包括提升再生能源併網容量及穩定供電能力、進行電業改革、強化輸配電的網路數位化與自動化的操控能力、進行用戶端的智慧電表布建等。

經過多年努力,智慧電網將在110年從布建、推廣走向廣泛應用,未來不但會建立更加強韌的電力環境,更將進一步深入用戶家庭,創造更環保、便利、友善的智慧居家生活,相信臺灣將持續在國家政策主導、台電執行配合和推廣宣傳以及民眾的響應下,邁向環境永續、節能低碳的智慧經濟社會。

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