風光主將的後勤部隊 再生能源預測系統和智慧電網

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迎接能源轉型,台電積極與氣象單位合作,不斷精進再生能源預測系統準確度,扎實累積研究能量。再生能源的變動性固然會對電網產生衝擊,臺灣的強項在資通訊產業與人才,新型需求預料也將帶動產業創新與技術提升。

今(109)年6月21日夏至當天下午,正逢難得一見的天文奇景「日環食」,兩個半小時的日食過程,讓太陽能光電驟減168.8萬瓩,針對特殊天文現象,綜合研究所(以下簡稱綜研所)和電力調度處早有預測與規劃,預備機組補上減少的太陽光電。

「再生能源優先併網」的前提之下,發電變動性會造成第一線調度、運轉人員的挑戰,必須要有預測系統輔助。扮演台電智庫角色的綜研所,從101年左右,就展開風力發電的預測技術研究。

攜手氣象專家 綜研所超前部署

「當時雖然風電量不多,但我們『超前部署』準備,現在才能應對能源轉型挑戰!」綜研所能源研究室周儷芬組長回憶。當年AI技術熱議程度不若今日受到普遍關注,一切從頭學習,還包括與氣象專業對話、練習聽懂氣象術語。

周儷芬指出,綜研所目前所開發的預測模型,結合了再生能源發電機組運轉監控(SCADA)資料,與數值氣象預報資料(NWP),並應用模擬人類大腦運作的「類神經網路」技術,分別針對風力發電、太陽光電、水力發電開發預測應用系統:

1.風力發電

► 台電風場6小時風力發電的預測系統,預測頻率15分鐘。

►台電風場48小時風力發電的預測系統,預測頻率1小時。

►民間風場48小時風力發電的預測系統,預測頻率1小時。

2.太陽光電

►台電再生能源處一期光電場48小時預測系統,預測頻率1小時。

►金門地區太陽光電發電量估算系統,估算頻率為5分鐘。

►金門地區太陽光電發電量預測系統,預測頻率為1小時。

3.水力發電

►德基水庫未來1至48小時水庫水位預測系統,預測頻率1小時,可於海上颱風警報發布之時,掌握水庫入流量及水位的變化。

再生能源看老天臉色,因此綜研所參考資料最重要的來源之一,就是最懂老天爺的中央氣象局。周儷芬指出,「預測」依照不同的時間尺度,需要不同的觀測與氣象資料,極短期的預測可以利用過去資料以統計方法去看趨勢,如果要進行未來6小時以上的預測,就一定要結合氣象的資源。

氣象預報的重要性與加值應用

氣象局近年與能源局合作開發的「氣象資訊綠能虛擬營運中心」,自107年建置以來,提供綠能歷史評估、綠能發電量預估、綠能即時監測及離岸風機施工船舶派遣與追踨決策等資訊,對於預估發電量和海上風場的運維管理具有參考作用,台電過去數年來,在研發預測模型的過程,跟氣象局持續互惠與交流,今(109)年起也與氣象局正式簽訂氣象資料服務契約,未來將持續運用新開發的綠能氣象產品。

臺灣的天氣多變化,準確預報氣象並不容易,中央氣象局預報中心呂國臣主任笑說,「在氣象局服務30年,被罵了30年!」他直言,海上資料的取得比起陸地更為困難,一個陸上氣象站成本約要100萬元,但建置海上觀測站的成本相對更高,儀器在海風、鹽分的侵蝕下亦不耐久。

預測系統需大量倚靠儀器和儀器之間的對話,並且根據可能變化的情境,適時校正,建立學習曲線,才能更精準詮釋天氣的變動。「例如5月底時有一天下午金門地區突然一個鋒面過來,風力發電在半小時內從完全沒有風,突然升到滿載,事後電廠控制室協調調度的值班人員說,當時真的好緊張!像這種小區域內天氣系統的突然狀況,就很難預測。」周儷芬說。

「預測和觀察不可能完美,而資料的完整性是最重要的!」呂國臣期待未來隨著離岸風場建設啟動,相關法規能夠修正,讓每一部風機蒐集到的資料回饋給氣象單位,才能建立學習曲線,推進預測精準度。

綜研所近期還進行了「電力氣象地理圖資系統」的開發,未來台電人員可使用從網頁或透過手機直接查詢負責管理維運案場的即時天氣資訊,掌握變動,不論是陸上的發、輸、配、售各系統設施,或是近海的運煤船隻以及離岸風場的海上作業,都可受惠於氣象平台彙整的資訊,有效安排工作。綜研所發展的預測技術也陸續申請並獲得了多項發明(美國專利1件)及設計專利,藉以提升預測產品的未來應用性。綜研所周儷芬組長細數過往與氣象局長期的合作與討論:「這些研究都不是一蹴可幾!政府跨部門間的協力合作一直默默地在進行。」

海上斥候:台電海氣象觀測塔

未來數年將進入離岸風場緊鑼密鼓的建設階段,工程期間對於海象資訊的需求也相當大,但臺灣過去缺乏海上監測資料。105年,台電在彰化王功外海約6公里處,興建一座高97公尺的海氣象觀測塔,所測得的即時海浪、風力、風向、風速、振動、氣壓等彙整成資料庫,可提供台電離岸風機設計與施作時所需數據,並可提供營運期間的運維及發電量評估。

綜研所能源研究室鍾秋峰博士指出,海氣象觀測塔如同打先鋒、先了解海上狀態的「斥侯」,安裝於觀測塔各高度部位的感應儀器,先在海上搜集各種資料,能夠回饋到風場工程,例如海浪對於觀測塔以及未來離岸風機的衝擊程度,「這些對公司來說是很寶貴的資料,可推估未來風場正式運轉後可能遭遇的情況,也可作為未來營運維修的參考。」

這座海氣象觀測塔為臺灣首座國產打造的「MIT產品」,由中鋼、宏華、宇泰工程、台電負責硬體建置,完工後由成功大學負責海氣象監測儀器。鍾秋峰特別提及,觀測塔建置過程挑戰重重,除了臺灣地質特殊,國外鑽探經驗無法完全適用,施工時間點也需要船運、天候、機械吊裝等各方面都配合。發展再生能源的過程中,臺灣也在一步步累積扎實的本土經驗。

風光大將的最佳後盾:智慧電網

預測之外,風光大將能將戰力有效發揮的基礎,是穩定的智慧電網,亦即把傳統電網利用資通訊技術加值,將資料加以視覺化、大數據處理、加上物聯網的功能,特別適合大量間歇性能源加入電網的能源轉型,強化電網韌性。

鍾炳利總經理指出,台電規劃短、中、長期願景,從強化電網供需平衡與事故處理能力,到布建高低壓用戶智慧電表,推動時間電價、需量反應等多元需求面管理方案,皆能提升電網供需運轉效率。

張忠良副總經理也點出,「維持電網穩定,不能只靠台電,電網是公共財,所有再生能源業者都有一起維護的責任和義務,電網穩定,電力市場才能順利交易。」

例如,近期正在推動再生能源併網法規修訂,提供準確預測資訊、自主調控、裝置容量、100 kW 以上案場必須納入即時監測等穩定系統義務要求再生能源業者一同負起穩定供電的責任。

此外,目前各太陽光電案場也必須加裝智慧變流器,可以將太陽光電發出直流電轉換為一般使用的交流電,並能在維持發電功率的狀況下,調整電壓,使併網後的總電壓維持穩定,也可透過遠端控制中心的指令調控,達到運轉監測與即時調度的功能。

「因應能源轉型,未來的趨勢是發展微型、小型區域電網,力求在小區域中自給自足,不夠的話,也有清晰資訊供調度參考。這是電網結構的翻轉。」張忠良指出,近期調度處高雄調度中心對所轄高高屏地區內的傳統機組、風場、太陽光電場,進行即時供電概況分析,則是為了在區域範圍內掌握電力結構,了解區域用電的特性、供電結構與來源,資訊透明化,有利於達成分散型區域電網的概念。

綠電帶動產業創新與技術提升

張忠良指出,臺灣是獨立電網,無法靠外援來解決供需不平衡,「但臺灣的優勢是人才與產業,在綠能和資通訊產業,都有機會開創新型態商業模式,開發多元快速反應彈性資源。」例如利用時間電價,調節用電人行為模式的「需量反應」(Demand Response)形成虛擬電廠,以及能快速反應的儲能系統、可快速起停的燃氣複循環機組等,這些都屬於能助再生能源一臂之力的「輔助服務」。

電力調度處吳進忠處長說,各種輔助服務都有特性和限制,發展上各有需突破之處。例如儲能系統可快充、快放電,彈性很高,但目前相對價格較高;而若要調整電價策略(改成白天電價便宜、晚上電價稍貴),以鼓勵民眾改變用電習慣,將會對一般社會經濟活動產生影響,需要加強與民眾溝通。

未來,台電並非電力市場的唯一參與者,當新需求產生,民間可以不斷創新商業模式,台電也將不斷蛻變體質、積極應戰。

「再生能源對電網一定有衝擊,除了可參考國外作法,臺灣本地的創新能量也很強,只要找到適合本土的方式、有經濟性,就可以帶動產業創新與技術提升,這也是發展再生能源的目的。」吳進忠表示。風光主將雖不好伺候,但激發創意潛能無限,且讓我們樂觀以待。

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