台電月刊 - 打開電力新視野

確保供電穩定 強化電網韌性是關鍵

成功大學電機系教授 張簡樂仁

703期

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口述—成功大學電機系教授 張簡樂仁 採訪、整理—李宛澍

在極端氣候下,為電網可能遭受天災衝擊時預作準備,同時善用智慧化工具,做好風險管理;當非預期事故發生時,盡力做到維持關鍵基礎設施正常運作,將受影響範圍降到最小,這也是增強電網韌性的一環。

輸電網路及相關設備包括輸電線、鐵塔、變電所等,是連結電源端與用戶端的橋樑,也是電力的基礎建設,然而這些電力設備通常遭受很多民意阻力,即是所謂「鄰避設施」(not in my back yard),這在國內外都很普遍。因此,輸電網路建設與民意阻力間如何取得平衡,是國內外在推動輸電工程時共通的課題,「優化、強化、擴充」是可以遵循的三大行動步驟。

輸電網路工程 遵循優化、強化、擴充三大原則

第一,「優化」輸電網路之運轉。舉例來說,利用饋線重組與改變功率潮流的方式,透過開關切換,調整網狀迴路,配合無效功率補償的方式,解決輸電線壅塞的問題。

第二,當優化已經到達瓶頸,再來就現有基礎,「強化」輸電系統的傳輸能力。例如,在同一個鐵塔、同一組迴路下,更換耐熱導線,增加輸電容量。

第三,當強化亦到達極限,再做「擴充」。為了因應更多的電力傳輸與負載需求,且亦無法利用現有輸電網路設施做改善的情況下,再來擴建、新建輸變電設施,以因應不足。

台電的輸電網路工程即是遵循「優化、強化、擴充」的原則,處理現在輸電網路所面臨的問題。

例如台電在彰濱外海建置的離岸風電第一期示範風場,所連結的大城變電所優先安裝電壓補償設備「靜態無效電力補償器 」(Static Synchronous Compensator,STATCOM),是穩定電壓以及優化再生能源功率潮流的有效工具,此即是優化的作法。而當「優化」輸電系統的做法到了瓶頸,可以在現有的基礎設施上做強化,例如161kV 通霄到峨眉段約 60公里、161kV林口~東林線的導線更換工程,即是「強化」的最好例證。至於擴充、新建的手段,舉例包括第七輸變電計畫中,345kV 大林~高港線以潛盾工法施工來擴充發電廠供電出口線路、345kV 板橋~龍潭線是為增加傳輸能力以紓緩供電瓶頸、161kV 臺澎海底電纜工程是為擴大再生能源供應容量。

面對極端氣候挑戰 增強電網韌性

因應產業用電需求增加、減碳與提升綠電之要求,加上極端氣候的挑戰,傳統集中式發電與單向電力潮流的電網已無法符合現今的需求,電網亟須轉型以適應分散式電力結構。

另一方面,我們可以發現,一些大規模的停電事故決非單一事件可以引發,皆是在許多不利的環境及條件下碰巧一起發生,不管是國內先前的停電事故,還是今(2021)年年初美國德州因冰風暴所發生的大規模停電事故,皆可看到極端氣候所帶來的影響。

在極端氣候挑戰下,保證電力系統完全不停電是不切實際的想法,因為不可能有完美的系統,即使勉強做得到也要付出龐大的代價,因此先進國家的做法是,為電網可能遭受天災衝擊時預作準備,當非預期事故發生時,能盡力維持關鍵基礎設施正常運作,將受影響範圍降到最小,並且讓被迫切離系統的負載儘速復電,這也是增強電網韌性的一環。

提升輸電網路的韌性,可以遵循以下三項原則:

第一是預防。面對可能的災害,預防之道首先是評估哪些是電網的重要關鍵設施,以及這些關鍵設施面臨哪些風險,並提前做好完善的保護。例如,輸電網路關鍵設施都需要針對火災、水災乃至地震進行風險評估,並做好相應的保護措施,此外,輸電網路要有能及時了解電網狀態的監視系統、自動化投切保護設備,以及因應設備故障的備援系統等。

第二,及時處置。當災害剛開始發生時,應思考如何提升電網的彈性控制能力。例如,降低關鍵基礎設施的負荷,藉由分散風險以提高電網彈性,雖然不能保證供電完全不受影響,但能降低事故衝擊,將災害損失降到最低。

第三,災後儘快復電。當極端因素造成輸電網路設施受到影響,一旦因此發生停電,應儘速掌握關鍵基礎設施受到影響的狀態,在最短時間恢復其功能,依照既有規畫儘速復電,這就是災後復電準則。

善用智慧電網相關設備與技術 做好電網風險管理

以上針對電網韌性的三大原則,都需要靠智慧電網的工具及大數據應用,來幫助人做出更精準的決策與操控。電力系統是動態的,隨著用電趨勢及供電機組狀態而變化,透過智慧化工具與方法可以及時掌握電網狀態、增加控制的彈性,這也是做好風險管理、提升電網韌性的重要手段。目前台電積極推廣智慧電表作為智慧電網之基礎設備,智慧電表即是掌握大數據的基本工具,可以對電力系統狀態進行資料監測、交換、分析,協助預測和控制。

電力穩定攸關民生福祉與社會經濟發展,必須從「電網韌性」與「風險管理機制」的角度,來彌補電網因應事故能力的不足,才能兼顧穩定供電及永續發展。

張簡樂仁

美國普渡大學博士,現任成功大學電機系教授、台灣電力與能源工程協會副理事長。研究領域為電力系統運轉與控制、分散式電源併聯技術、再生能源技術、電力電子技術等。

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