台電月刊 - 打開電力新視野

電力心電圖 台電導入「即時慣量測量系統」強韌電網

732期

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文|邱立楷 圖|楊宗燁、公眾服務處

由於全臺再生能源裝置容量不斷攀升,未來更要在2050年發電占比達到60至70%,當再生能源不斷增加下,為了提供高電力品質,台電啟動「即時慣量測量系統」在全臺10個電力場域設置高精度的觀測器,並結合宜蘭冬山儲能案場,除了測量準確的實際系統慣量外,也能參考測量數據規劃出符合電網端的儲能需求量。

解開慣量神祕面紗 一窺電力重要指標

台電電力調度處處長周芳正解釋,電力系統有很多的特性,也跟人體很相似,其中電壓就相當於血壓,電力頻率就等於心搏率,也因為有這些測量數據後,才會去討論「慣量」對電網的影響力。

過去在討論慣量的內容相當少,主要是各國電網都有穩靠大型且可控的發電機組持續運行,因此整體慣量會隨電力系統增加擴大,同時也會提升承擔風險的可靠性,因此慣量的相關研究較少。但當以變流器( Inverter-based resource, IBR)為基礎的再生能源及分散式資源蓬勃發展下,逐漸顯現慣量研究的重要性。

慣量是電力系統的重要指標,可以把電力系統的慣量想成電力系統的體重,以前傳統發電機是透過蒸氣、水力或其他動力源來推動轉子轉動來發電,只要有轉動就會有旋轉的慣性,並且隨著電網讓所有機組維持同步運轉,就可以確保整體供電穩定。

「就像汽車在行駛時會有慣性,發電機也是一樣的」,周處長解釋,現在的台電整體電網的發電機累加起來就是像是裝滿貨物的貨車,當貨車與小轎車同樣以時速60公里行駛時,如果同時放開油門,貨車往前移動的距離一定比小轎車來的長遠,發電機的慣量也是一樣,當用電量有變化時、電網頻率有波動,以現在大型傳統發電機組占比仍高的條件下運轉系統,一定程度內仍然可以由大型傳統發電機組所產生旋轉慣量來調整吸收,但未來再生能源占比逐漸提高,電力系統的等效慣量將會逐步降低,所以才需要觀測慣量、累積資料。

慣量與用戶端息息相關 更牽涉供電穩定

當傳統發電機組在運作時,轉子會以每分鐘3,600轉,讓電網維持在頻率60Hz,當用電量增加時,頻率會下降,傳統機組會啟動穩定措施釋放動能,瞬間提升輸出功率,如果頻率還一直往下,電網就會啟動保護措施,確保不會拖累整體電網。

至於系統慣量實際應如何操作與落實以強化電網安全?周處長說,目前部分發電機會配有調速機,會因應電網頻率變化來增加或減少其功率輸出,而台電電力交易平台吸引民間大量分散式電力資源加入系統提供輔助服務,例如併網型儲能系統,其具備快速反應與可儲存電能之特性,當電網頻率低於59.98Hz時,儲能會開始小功率放電,當頻率低於59.75Hz時儲能就會全功率放電,讓頻率可以維持不會一下子掉太多,而這樣的反應都會在一秒鐘之內,比起傳統發電機的操作快上許多、也更精準的調控。因此推動電力系統即時慣量測量計畫實有必要,也是前瞻部署的重要一步。

沒有慣量的太陽光電 大量併網將增加調度挑戰

當太陽光電等再生能源大量併網後,逐漸取代現有的傳統發電。由於光電是直接讓光能轉換成電能,中間沒有動能的轉換,因此就不存在慣量;引起整體電網的慣量減少,面對電網有變化時,就少了第一道調整防線,為了事先了解再生能源對電網的影響,觀測系統慣量也就成為重要發展項目之一。

周處長解釋,目前電力系統頻率採分段管理,設定頻率低於59.75Hz儲能即會全功率放電來調控;低於59.5Hz以下時,若抽蓄水力機組當下為抽水狀態下即會斷開、減少系統負載來提升頻率;如果低於59.2Hz時則會啟動保護措施,讓低頻電驛作動減少系統負載,讓整體電網不會被拖累,後續再調度燃氣複循環機組、水力機組,增加電網的供電能力。但在這些調度因應機制之外,調度單位應擘劃其他可調度資源以因應未來的再生能源高滲透率。

克服萬難架設即時慣量測量系統 捕捉電網細微變化

為了要一窺慣量的樣貌,台電規劃在全臺10處設立即時頻率及頻率變化率測量設備,同時也結合冬山儲能導入週期性功率調變功能(Function of Periodic Power Modulation, FPPM)計算電網系統慣量,能全天候偵測各地電網的頻率變化,進一步推估慣量的實際變化情形。

周處長表示,這10處監測系統使用非常精密的偵測器,能精準到毫秒,並且透過行動網路傳輸,可以時時刻刻的把觀測數據傳回資料中心。不過只有數據還不夠,還需要配合每天的電力變化,才能勾勒出完整的慣量圖形。

但是要監測細微的慣量變化,除了電網發生意外時,其餘時間卻不容易看清。周處長舉例,現在導入冬山儲能的系統來製造對電網不至於有重大影響的極微小的波動,透過波動變化,就可看到全臺最即時的慣量資訊,就有點像是地震觀測,透過人造地震來蒐集資料,慣量測量也好比同樣的情況。

周處長說,有了這套監測系統後,就可以了解慣量的變化。由於儲能的建置成本目前仍相當高昂,為了不造成機組閒置,後續在規劃儲能設備時,也能依照電網所需的量來設置,在兼顧供電穩定的情況下,又能減少成本支出。

慣量觀察世界剛起步 台電成亞洲第一

由於再生能源大量併網是在過去這10年當中發生,因此對於慣量的影響也才逐漸被重視,尤其臺灣是屬於島國獨立電網,這樣的影響就相當重要,目前國際上已經展開研究,臺灣也向同為獨立電網的英國簽訂慣量監測的合作案,希望共同找出慣量對電網的影響性。

也因為臺英簽署合作案,意外讓遠在中東的阿布達比發現臺灣開始觀測後,表達希望能參考臺灣的經驗,後續在其境內可以建置相關慣量監測系統,希望臺阿兩國可以互相交流,在未來再生能源高滲透率的情況下,找出穩定電網的解方。

電力小辭典:慣量(Inertia)

電力系統穩定運轉需維持一定頻率,而系統會因發電、用電或機組跳機停電突發事件等受影響波動。慣量即指能夠抵抗這些頻率變化的因應能力,因發電特性,主要由具有轉動慣量的傳統發電機組提供。

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