如何解決微電網(wǎng)并網(wǎng)的效益問題

微電網(wǎng)(Microgrid)系統(tǒng)為近年世界各國電力科技發(fā)展重點，主要效益歸納為二，首先，由于再生能源為間歇性能源，大量的再生能源併入電網(wǎng)將造成電壓浮動的問題，影響區(qū)域電網(wǎng)供電穩(wěn)定度;微電網(wǎng)具穩(wěn)定電壓及頻率功能，可有效引入再生能源進(jìn)入電網(wǎng)，提升區(qū)域電網(wǎng)再生能源之使用率。其次，微電網(wǎng)具有尖峰用電調(diào)節(jié)(Peak Shaving)作用，可降低尖峰用電的系統(tǒng)設(shè)備需求規(guī)格及成本，配合時間電價制度抑制用電行為，達(dá)到節(jié)能減碳目的。

事實上，日本于2010年即成立智慧社區(qū)(Smart Community)聯(lián)盟，由新能源及工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)于橫濱、豐田、京都府與北九州等四個都市進(jìn)行微電網(wǎng)示範(fàn)計畫;中國大陸則將微電網(wǎng)試點列入十二五計畫，國家電網(wǎng)電力公司已于南麂島和鹿西島分別建置離網(wǎng)型及并網(wǎng)型微電網(wǎng)示范工程。

2012年美國再生能源國家實驗室(NREL)亦與沙加緬度市電力公司(SMUD)于加州建置微電網(wǎng)示範(fàn)系統(tǒng);韓國國網(wǎng)更進(jìn)一步在濟(jì)州島上建置智慧電網(wǎng) (Smart Grid)測試區(qū)。至于歐盟則提出第七期架構(gòu)方案(Framework Programme 7)，由雅典科技大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊于Kythnos島內(nèi)建置微電網(wǎng)測試系統(tǒng);另外，西班牙、葡萄牙、德國和法國等也都有微電網(wǎng)示範(fàn)計畫正在運行。

實現(xiàn)節(jié)能減碳目的核研所加速微電網(wǎng)測試

為接軌國際間節(jié)能減碳風(fēng)潮，臺灣核能研究所(簡稱核研所)亦致力發(fā)展自主式(Autonomous)微電網(wǎng)技術(shù)，并規(guī)畫分叁個階段進(jìn)行，以有效提升國內(nèi)再生能源利用率。第一階段系統(tǒng)將著重分析與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，第二階段則進(jìn)行系統(tǒng)工程整合，以能源電子技術(shù)配合微電網(wǎng)能源管理及儲能技術(shù)，發(fā)展區(qū)域電網(wǎng)再生能源滲透率達(dá)10%(裝置容量20%)的電力控制技術(shù)。

第三階段將進(jìn)行系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)，以分散式發(fā)電架構(gòu)，示範(fàn)并推廣自主式控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)，于市電併聯(lián)與孤島運轉(zhuǎn)平穩(wěn)切換，有效控制微電網(wǎng)再生能源發(fā)電滲透率達(dá) 20%(裝置容量達(dá)40%)，提升國家能源安全、開發(fā)新興國家市場與加入先進(jìn)國家市場供應(yīng)鏈，同時創(chuàng)造綠色就業(yè)機(jī)會及能源新興產(chǎn)業(yè)的契機(jī)。

目前，核研所已完成建置國家級首座一百瓩(kW)級自主式低壓380伏特(V)微型電網(wǎng)示範(fàn)系統(tǒng)及測試平臺(圖1)，提供產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)單位、研究機(jī)構(gòu)、電力公司等進(jìn)行研究與測試，并發(fā)展微電網(wǎng)相關(guān)核心技術(shù)，包含能源電子、電力系統(tǒng)、智慧控制與能源管理、電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)與應(yīng)用工程技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)。

微電網(wǎng)經(jīng)由靜態(tài)開關(guān)與市電併聯(lián)，當(dāng)內(nèi)部發(fā)生故障或外部市電故障時，靜態(tài)開關(guān)運用主動式孤島偵測技術(shù)，快速確認(rèn)故障并完成隔離動作;而儲能系統(tǒng)藉由雙向功率轉(zhuǎn)換器(圖2)連結(jié)微電網(wǎng)電力匯流排，于一個周期內(nèi)，由電流源快速轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定電壓源，提供能量給予負(fù)載使用。

圖1 雙向功率轉(zhuǎn)換器裝置構(gòu)造圖

當(dāng)靜態(tài)開關(guān)跳脫瞬間，微電網(wǎng)電力匯流排電壓將驟降，此時分散式電源搭配具實、虛功率控制及低電壓穿越功能(LVRT)的再生能源電力轉(zhuǎn)換器(圖3)，仍在可容忍電壓範(fàn)圍內(nèi)，持續(xù)與微電網(wǎng)的電力匯流排連接，使微電網(wǎng)內(nèi)部持續(xù)供電，達(dá)成市電併聯(lián)模式與孤島運轉(zhuǎn)模式間之平穩(wěn)切換。當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部故障排除或外部市電恢復(fù)時，靜態(tài)開關(guān)判斷市電正常，則利用雙向功率轉(zhuǎn)換器調(diào)整實、虛功率輸出至微電網(wǎng)電力匯流排，當(dāng)內(nèi)外部的電力匯流排電壓、頻率同步后(圖4)令靜態(tài)開關(guān)閉合，微電網(wǎng)再重新併網(wǎng)。

圖2 具實虛功率控制及低電壓穿越功能的再生能源電力轉(zhuǎn)換器

圖3 微電網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)重新併網(wǎng)的內(nèi)、外電網(wǎng)電壓同步波形。

目前核電所微電網(wǎng)已完成前述具主動式孤島偵測技術(shù)的靜態(tài)開關(guān)、實虛功率輸出控制的雙向功率轉(zhuǎn)換器、電流源轉(zhuǎn)換電壓源平穩(wěn)切換技術(shù)，及具有低電壓穿越功能的再生能源電力轉(zhuǎn)換器等設(shè)備開發(fā)及功能測試。

有別傳統(tǒng)電網(wǎng)微電網(wǎng)電力系統(tǒng)大改造

微電網(wǎng)內(nèi)部包含再生能源系統(tǒng)、分散式電源，如微渦輪機(jī)、燃料電池及各類負(fù)載組成，當(dāng)處于孤島運轉(zhuǎn)時，其電力潮流方向、系統(tǒng)暫態(tài)現(xiàn)象、電力品質(zhì)分析及保護(hù)協(xié)調(diào)機(jī)制，均與傳統(tǒng)電網(wǎng)的需求不同。

目前核研所開發(fā)的微電網(wǎng)叁相潮流解析法，適用于低電壓、高R/X比的叁相不平衡系統(tǒng)或電壓控制型匯流排過多的微電網(wǎng)系統(tǒng)，不論于微電網(wǎng)在併網(wǎng)或孤島運轉(zhuǎn)下，皆能保持強(qiáng)健性及快速收斂、求解的效果。另外，為分析微電網(wǎng)併網(wǎng)、孤島及N-1事件時的系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)，核研所亦已建立高聚光太陽能電池(HCPV)、風(fēng)力機(jī)組、電力轉(zhuǎn)換器及電子負(fù)載等微電網(wǎng)細(xì)部元件的數(shù)學(xué)模型。

由于再生能源使用的電力轉(zhuǎn)換器大多含有電容及電感元件，容易產(chǎn)生系統(tǒng)諧波，因而也須建構(gòu)微電網(wǎng)系統(tǒng)主要元件諧波時域模型，并開發(fā)微電網(wǎng)于併網(wǎng)與孤島不同狀態(tài)的叁相諧波潮流與不平衡分析，以確保微電網(wǎng)電力品質(zhì)?，F(xiàn)階段，業(yè)界已運用主動式電力濾波器(APF)，改善微電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波濾除、無效通濾補(bǔ)償、功率因數(shù)修正與負(fù)載平衡等問題，并實現(xiàn)微電網(wǎng)電力品質(zhì)監(jiān)控平臺;核研所正在研發(fā)中的微電網(wǎng)系統(tǒng)亦可支援上述功能。

此外，微電網(wǎng)所需的電力保護(hù)機(jī)制亦與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不同，業(yè)者須導(dǎo)入具可擴(kuò)充與隨插即用(Plug-and- Play)的模組化微電網(wǎng)保護(hù)協(xié)調(diào)機(jī)制，同時還要依據(jù)微電網(wǎng)區(qū)域串、併聯(lián)形式，開發(fā)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時的電源-負(fù)載配置(Configuration) 方法，減少微電網(wǎng)內(nèi)部故障時須卸除的負(fù)載量，并配合卸載計畫提高供電可靠度。

強(qiáng)化微電網(wǎng)能源管理通訊/儲能系統(tǒng)扮要角

至于微電網(wǎng)控制與管理方面，其監(jiān)控介面與即時量測系統(tǒng)(圖5)須確保各區(qū)域系統(tǒng)訊號的同步性、正確性與精確度，并于系統(tǒng)介面上設(shè)定與執(zhí)行情境測試步驟，截取即時量測波形資料，做為故障偵測演算法、諧波頻譜分析與卸載策略開發(fā)的依據(jù)。

圖4 微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時量測系統(tǒng)

此舉將有助實現(xiàn)微電網(wǎng)生活化應(yīng)用，透過建置家庭微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時量測系統(tǒng)，并開發(fā)負(fù)載用電與再生能源發(fā)電量預(yù)測演算法，結(jié)合儲能系統(tǒng)、電動車與未來時間電價機(jī)制，就可進(jìn)行市電、負(fù)載、儲能系統(tǒng)與再生能源的電力調(diào)度，滿足用戶節(jié)能需求。

未來，微電網(wǎng)將結(jié)合IEC-61850、電力線通訊(PLC)、ZigBee及無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)，與多區(qū)域微電網(wǎng)或臺電配電自動化平臺做連結(jié)，建立混合式通訊介面于微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時量測系統(tǒng)，以達(dá)成併網(wǎng)及多區(qū)域供電調(diào)度功能。

除通訊技術(shù)外，電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)亦是微電網(wǎng)電能管理重要的一環(huán)，供應(yīng)商須整合儲能與微電網(wǎng)監(jiān)控介面、即時量測系統(tǒng)，才能在不同的微電網(wǎng)運轉(zhuǎn)模式下達(dá)成動態(tài)電力調(diào)節(jié)，以確保微電網(wǎng)供電品質(zhì)。然而，新電池的開發(fā)與復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用，除須研發(fā)新的化學(xué)配方研發(fā)與結(jié)構(gòu)設(shè)計外，還須進(jìn)行其特性與應(yīng)用測試，因此測量、評估與分析各種儲能技術(shù)是發(fā)展電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)不可或缺的要務(wù)。

核研所建置儲電電池管理系統(tǒng)測試平臺，主要設(shè)備包括有25kW充放電測試機(jī)、5kW 全釩液流電池(Vanadium Redox Battery， VRB)系統(tǒng)與60kWh磷酸鋰鐵電池組，并逐步建立儲能電池與系統(tǒng)的測量分析能力、建立測試程序與標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行分散與集中化之電能管理系統(tǒng)(EMS)與電池管理系統(tǒng)(BMS)等技術(shù)開發(fā)。

此外，核研所近期更投入全釩氧化還塬液流電池技術(shù)開發(fā)，包含離子交換膜、活性物質(zhì)、雙極板及流道設(shè)計、電池平衡控制系統(tǒng)(BOP)及密封組裝技術(shù)等，并依據(jù)微電網(wǎng)及儲能系統(tǒng)的特性進(jìn)行整合測試及應(yīng)用，提供分散式再生能源微電網(wǎng)之能源有效調(diào)節(jié)運用。

臺產(chǎn)官學(xué)研全力推動微電網(wǎng)

目前臺灣的經(jīng)濟(jì)部已提出智慧電網(wǎng)總體規(guī)畫方案，而國科會能源國家型計畫中，亦已列入智慧電網(wǎng)主軸計畫--微電網(wǎng)先導(dǎo)計畫，同時也與國內(nèi)學(xué)術(shù)單位合作，包括中山大學(xué)、中央大學(xué)、中正大學(xué)、中塬大學(xué)、臺灣大學(xué)、臺灣科技大學(xué)、成功大學(xué)、清華大學(xué)、義守大學(xué)與聯(lián)合大學(xué)等，全力培育國內(nèi)微電網(wǎng)領(lǐng)域的專業(yè)人才，以加速推動未來微電網(wǎng)建置及前瞻性技術(shù)研發(fā)。

核研所扮演產(chǎn)業(yè)與政府之間的溝通橋梁，現(xiàn)已與中華電信研究所簽訂合作備忘錄MOU，共同開發(fā)微電網(wǎng)分布式電力節(jié)點資訊同步整合技術(shù)，并與裕隆集團(tuán)納智捷公司簽訂合作意愿書，推動電動車應(yīng)用。

核研所也已完成微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)先期參與及技術(shù)移轉(zhuǎn)案，包含微電網(wǎng)能源管理與控制、新型諧波與間諧波量測演算法、負(fù)載預(yù)測、低壓穿越測試環(huán)境建置和數(shù)位脈波調(diào)控等技術(shù);并與國內(nèi)多家廠商合作開發(fā)微電網(wǎng)能源管理控制平臺、通訊技術(shù)、儲能系統(tǒng)、微電網(wǎng)電力轉(zhuǎn)換器、智慧家庭微電網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，以促成國內(nèi)產(chǎn)業(yè)加速進(jìn)入微電網(wǎng)供應(yīng)鏈。

除電網(wǎng)建置與新技術(shù)研發(fā)外，臺灣也開始著手推行微電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包含產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)驗證試驗設(shè)施規(guī)畫等工作，如技術(shù)推廣及示範(fàn)教育等，充分讓參訪者了解微電網(wǎng)架構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)況與未來應(yīng)用。

微電網(wǎng)技術(shù)可擴(kuò)大再生能源應(yīng)用，增強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)供電穩(wěn)定及可靠度，配合經(jīng)濟(jì)部澎湖低碳島示範(fàn)計畫、陽光屋頂百萬座及千架海陸風(fēng)力機(jī)等計畫的推動，微電網(wǎng)將扮演重要角色并發(fā)揮效益，未來應(yīng)用于離島、偏遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)莊及中小型社區(qū)等。

在短期效益方面，可提高臺灣電力網(wǎng)路對分散式再生能源電力承載容量，達(dá)成可穩(wěn)定控制再生能源發(fā)電滲透率20%的區(qū)域電網(wǎng)的目標(biāo)。中長期，將結(jié)合電動車、儲能產(chǎn)業(yè)，期望在中小型社區(qū)規(guī)模廣泛運用，降低電能傳輸損失及尖峰負(fù)載用電，有效提升能源使用效率。