電力神救援 認識儲能及輔助系統

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作者
Ian Jiang;編輯: 吳心萍

最近疫情下,除了平日的生活節奏大亂,少雨導致缺水及乾旱,居家防疫讓日常用電增加,而不穩定的供電使得悶熱的夏天彷彿比之前更難耐。經過全台大停電的意外事故,讓我們體會到,原來平日看似按下開關,就唾手可得的電力,其實比想像中的難能可貴。

而每次停電,媒體的討論多聚焦在在電夠不夠? 但電力的供應遠不只發電這一件事。因此,筆者將介紹在跳電或缺電事故發生時,增加電力系統應變能力的救援:儲能及輔助系統。

 

513 跳電 - 人為+天災引發的風暴

 

以5/13的跳電狀況為例,興達電廠因人為疏失,讓電力瞬間損失了約 220 萬千瓩(MW)的發電供給量,而電力系統是需要在一定頻率下運作的,當下讓電力系統頻率從 60 赫茲(Hz) 降到 59.37 左右,而為了避免更大的電力系統事故發生,通常有兩種做法:

  1. 像513的處理方式一樣減少供電,專業用語就是卸載低頻需量

  2. 用電池立刻補充電力,而在台灣,通常是由水力發電扮演類似電池的角色。

 

但不幸的,台灣面臨乾旱,少了水力 80 萬千瓩(MW)發電量的援助。所以,電力系統只好採取1.暫時停止供應電力用戶的電力供給,因而造成了 5/13 台灣許多家庭用戶停電的事故。台灣多重因素造成的停電,也是提醒我們應該要調整電力體質了:也就是要發展儲能系統 (Energy Storage System),才能為電力系統提供輔助服務(Ancilliary Service)。

 

澳洲 - 靠儲能系統挽救電力崩潰 

 

實際上,早在 2017 年澳洲的維多利亞,就曾用特斯拉的電池(儲能系統)成功搶救,避免一場電力系統崩潰的意外。

2017年12月14日澳洲南部維多利亞州的 Loy Yang 煤電三號機組故障,就是靠特斯拉(Tesla) 的 Powerpack 儲能系統 (100MW/129MWh) 在一秒內間內神救援,立刻緩解三號機組故障導致的頻率下降情況,也爭取到時間,讓 Loy Yang 煤電一號機組能接續發電,成功化解了危機。

 

(圖1: HPR儲能系統供電,拯救急遽下降的電網頻率。HPR, Hornsdale Power Reserve為澳洲的儲能系統,由TESLA的電池建置而成。來源:Renew Economy)

 

認識兩種儲能系統+調頻備轉 

 

目前國內適合電池儲能系統參與的輔助服務,分為調頻備轉與即時備轉兩種;因目前儲能系統皆為前者,因此筆者將和大家介紹調頻備轉的兩種類型: 動態調頻 dReg (dynamic Regulation) 與靜態調頻 sReg (steady Regulation) 。

 

一、動態調頻dReg

首先,如下圖,電網的頻率必須維持在CDEF的方形內。也就是說,如果台電電網的頻率往A、B的方向下降時,電池儲能系統會在一秒內偵測到頻率的不正常,從電池中釋放電能,進入電網中。相對的,如果頻率往G及H移動時,代表電太多,儲能系統也會將多餘的電,秒充回電池內。

 

(圖2: dReg調頻示意圖,儲能系統需根據電網不同的頻率,即時做出雙向的調頻反應,維持電網穩定。來源:台電)

 

二、靜態調節 sReg 

和動態調節不同,靜態調節是透過「單向」頻率調整。

如下圖所示,電網頻率在 OEFG 梯形的彈性調整區間中,因此,當台電電網中電能過低、頻率逐漸往 B 點及 C 點下降時,電池儲能系統要在一秒內偵測到頻率的變化,從電池中釋放電能到電網,並在十秒內達到電池系統的 100% 完全輸出功率,盡可能將電網頻率提升回 OEFG 梯形中的安全範圍內。

只是,跟動態調節不一樣,若電網頻率低於 60Hz(即在O點的左側),則靜態調節的儲能系統需等系統頻率回到 60 Hz(回到O點的右側)才能進行充電。

 

(圖3: sReg 調頻示意圖,儲能系統需根據電網不同的頻率,即時做出單向的調頻反應,維持電網穩定。來源:台電)

 

台灣的現況與下一步 

 

在 5/13 跳電狀況發生時,目前已在運作的自動調頻儲能系統機組已於一秒內反應。然而,目前台電的輔助服務僅有12 MW,因此仍無法負荷動輒超過 100 MW 的電力供給缺口。

 

實際上,這樣的電網故障與救援,往往發生在極短時間內,上述澳洲維多利亞州的案例,僅僅在短短五分鐘內就從危機到穩定供電走完全部過程,但這也代表,若在毫無系統穩定措施或是儲能系統的協助下,不到一分鐘的電力事故就可能對大範圍地區的所有家庭及工商用戶帶來難以估計風險與後果。因此,儲能系統對整個電力系統的穩定與維持,只會越來越重要,而根據台電已公布的計畫,也預計在 2025 年前,擴大電力輔助服務至 590 萬千瓩(MW)。

 

在 2020年,台電一共招標了兩次輔助服務,分別是適合動態調頻 dReg 的自動調頻 AFC (Automatic Frequency Control),計15MW;以及適合靜態調頻sReg的快速反應備轉服務 FRR (Fast Response Reserve Service) ,也是15MW 。

 

順帶說明一下, AFC 自動調頻的輔助服務通常由電池儲能系統提供,優勢在於速度快,可在一秒內做出雙向的調頻反應。而 FRR 的電力輔助服務則以用電大戶(用電量高的工廠)為主,

 

希望在不久的將來,透過重新檢視電力系統的調度、發電端及電力輸送的配合、以及儲能系統的輔助服務,穩定且有效率的電力系統能盡快,重回台灣民眾的日常。

 

資料來源

 

來源1 經濟日報:https://money.udn.com/money/story/10860/5462941

來源2 綠學院:https://reurl.cc/kV4gYG

來源3 綠學院:https://reurl.cc/XeOy8a

來源4 Utility Dive: https://reurl.cc/R6Kg6e

來源5 Renew Economy: https://reurl.cc/g8g36p

來源6 台電:https://ncas.taipower.com.tw/qualification/index.html

 

※筆者為前國際投資銀行分析師,專精於全球債券市場及衍生性金融商品交易,具備超過五年的市場數據分析經驗

 
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