台電月刊 - 打開電力新視野

因應電網穩定需求 增設儲能提高虛擬慣量供給

人物專訪:郭政謙 

736期

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文、圖|柯宗鑫

在電網中具備彈性調度效益,可穩定供電發揮關鍵作用的「慣量」,本屬於水力、火力等發電機組的產物;但近年受到能源轉型的趨勢影響,隨著再生能源比重增加而減少水力、火力等機組的運轉情況,造成慣量持續降低。因此,未來勢必透過「虛擬慣量」取代,以解決慣量不足的問題。

大型發電廠中無論是燃煤、燃油或燃氣類型等發電機組,其發電規模都相當龐大。國立臺灣科技大學電機工程系系主任郭政謙教授表示,「這些結構類似於馬達與電扇的發電機組,在透過燃料帶動軸心『轉子』與渦輪葉片轉動,在達到同步轉速、發出電力並維持每秒60赫茲(Hz)頻率的過程中,其實都一直在持續輸入能量功率。」

當轉子的轉速越快,就代表內部存有越多的能量;當轉速減緩時,能量便會瞬間釋出,形成一種儲能的作用,有利於電力調度。郭教授指出,「因此具有轉動慣量的傳統發電機,讓電力系統維持60Hz頻率更加容易。」畢竟發電、用電未必能保持平衡,一旦用電負載增加,雖然會造成轉速變慢,但這代表原本儲存於轉子中的能量已釋出給用戶,在那一刻先滿足了使用者需求,讓電廠有餘裕再增加輸入能量恢復正常轉速。所以慣量的存在,有助於電力系統維持供需平衡的穩定性。

導入虛擬慣量 填補運轉需求

近年來,由於國家再生能源的綠電先行制度,逐漸縮減一般機組的使用,造成慣量持續減少。郭教授指出,「儘管目前再生能源的發電機制,並沒有設計與慣量有關的構造,但因為大家開始意識到慣量的重要性,將促成未來的再生能源發電系統,規劃加入類似的轉動機件,以產生慣量穩定效果,甚至導入結合儲能系統,使其也具有類似慣量作用,這些稱之為『虛擬慣量』。」

在水力、火力等發電機組產生的真實慣量逐漸減少的趨勢下,為維持電力系統的穩定,「虛擬慣量」將是一個深具可能性的解方,但到底需要多少的慣量才能滿足需求?郭教授提到,「早期發電機組大多都直接串聯電力系統,所以透過單純的人工計算方式,就能掌握大致的慣量數據使其維持基本數值。但自從電網納入再生能源後,因應光電尖離峰的機組調度,導致一天內的慣量變化情況愈形複雜,無法再以從前的方法計算。」去(112)年,台電在全臺導入「即時慣量測量系統」,也將結合宜蘭冬山儲能案場,就是為了測量準確的實際系統慣量,並規劃符合電網端的儲能需求量。

郭教授認為,「台電透過啟用的示範場域,將來若能掌握系統實際慣量需求,就可以透過電力交易平台購買輔助服務,或由儲能系統來提供虛擬慣量。但先決條件是必須建置精準的評估系統,掌握慣量的即時量測,才能進一步在電力交易平台購買符合需求的慣量額度,達到最高效益。」

推動儲能設施普及化 加快電力交易市場發展

目前全球各國都在面對慣量減少的情況,為避免影響電力系統穩定性,大多採取透過儲能設施讓太陽能或其它間歇性再生能源,成為可控或部分可控的發電案場。郭教授提到,「在電力自由交易市場發展成熟的國家,較容易出現因應電力公司需求的多元電力商品,如配合推出提供虛擬慣量的商品以協助電力系統穩定。甚至是增加更多的即時性商品,或是簽訂長約性質的服務內容。」

郭教授舉例說明,「目前國內較多都是日前商品,也就是今日購買明日的需求。但所謂的即時性商品,是指經由系統計算,確認在短時間內如半小時、一小時之後所需要的輔助商品,並透過交易平台公告,讓其它電力業者供應。」至於長期合約的部分,則可效法日本的容量市場,以長期規劃的角度與廠商簽訂合約,讓電力商能以一年或更長的時間籌建;時間一到雙方系統即可對接運轉,這種模式亦有利於推動臺灣電力交易市場朝正向發展。

當再生能源滲透率越來越高,隨著儲能需求被廣泛使用,不只會促使儲能系統成本降低,亦不再僅限於發電端,包含輸配電端與用戶端都可設置儲能設備,一旦儲能系統普及化,也會增加更多虛擬慣量供應來源增加調度彈性。

人物專訪 郭政謙

國立臺灣科技大學電機工程系系主任

國立臺灣科技大學博士。現任國立臺灣科技大學電機工程系特聘教授兼系主任。研究領域包含:儲能系統規劃與監控設計、能源與電力監控、設備故障診斷、再生能源衝擊分析、暫態分析、局部放電、嵌入式系統應用等。

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