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關於電網的一個話題:電網如何幫助變動型再生能源的整合 A Word on Grids: How Electricity Grids Can Help Integrate Variable Renewable Energy
2019/02
agora-energiewende
https://www.agora-energiewende.de/fileadmin2/Projekte/2018/A_word_on/A-Word-On-Grid_agora-energiewende_WEB.pdf
隨著成本的下降,風力與太陽光電成為近年全球成長最為快速的發電來源,在可預見的未來裡,此類變動型再生能源(variable renewable energy sources, vRES)於發電配比中的比重勢必與日俱增,連帶使得既有的電網運作模式需要進行相應的調整,才足以提高彈性,因應變動型再生能源間歇性特質對電力供需平衡的挑戰。基此,此篇由德國智庫Agora Energiewende所出版的分析報告,即借鏡目前全球具有較高再生能源發電配比的國家(如德國與丹麥)之發展經驗,從電網的布建規劃與拓展、電力系統管理操作的彈性化等面向,提出透過電網系統整合變動型再生能源的可行作法,主要重點包括:

一、電力系統的穩定取決於電力供需的平衡,而隨著風力與太陽光電等變動型再生能源的加入,其靠天吃飯的間歇性特質,使得電力系統須乘載更頻繁且快速的升降載率(ramp rate)變動,所造成的大幅提高電力調度與管理的複雜度。此外,再生能源發電通常都是利用小型模組化的發電機組,並藉由配電網(distribution grid)就近滿足電力用戶需求,與傳統大型火力發電廠直接匯入輸電網(transmission grid)的運作模式不同,連帶也增加了輸配電業者於建設規劃與電力調度管理方面的難度。

二、電力供應環境的變化通常需要搭配電網的擴建才能方便有效管理,但參考德國與丹麥的經驗發現,透過其他輔助技術與措施,即可在既有的電網基礎設施下,有效調和再生能源發電配比提高對於電力系統管理所帶來的挑戰。例如借助既有輸電線的溫度監控可有助於提高電力線使用效率;移相變壓器(phase-shifting transformer)的安裝則有助於電網營運商優化電流的管控並減輕電網限制;而透過電網重建即可升級現有電力線而無須增建新的電力線,諸如此類都是成效相當不錯的可行作法。此外,雖然並不存在一個通用的解決方案可讓各國迅速採用,但建議應依循GORE(grid optimization before grid reinforcement before grid expansion)原則,也就是優先進行電網優化、其次為電網改造、最後的選擇才是擴建電網設施之順序,按自身電網設施與市場條件進行最佳調和策略的規劃,如此一來,即使電網優化與改造措施已不足以滿足市場需求,而需動用到增設新輸電網路的最後手段,其相關成本與民眾反彈程度才可降至最低。

三、一般電網設置的規劃係依據發電設備的增設與需求來擴建電網系統,然相較於傳統火力電廠,風力與太陽光電通常為小型發電機組,所需設備裝設時間相當短,既有電網設置規劃模式下所需的冗長輸電網布建時間,顯然無法趕得上新增vRES發電設施的裝設進度,因此若要支持vRES發電設施的快速成長,宜就相關發電設施的佈署與輸電網路的布建進行整體性規劃較為合宜。如美國德州所採用的再生能源區域(renewable energy zone; REZ)輸電網路規劃布建程序,亦即先行評估劃定再生能源潛勢發展區域,接著透過成本效益評估選擇最適輸電系統建置規劃方案,就是相當值得借鏡的整體性規劃發展模式。

四、建構完善的電網管理措施可降低當電網擴建速度無法跟上vRES成長步調時,所發生輸電系統壅塞與線路瓶頸,因而必須暫時關閉再生能源機組以縮減電力輸出的情況。然而在vRES的高度間歇性特質下,即使是電網設施相當健全的國家,仍無可避免會發生暫時性輸電系統壅塞的情況,因此電網營運商須訂定明確的因應措施,並利用遠端遙控再生能源發電機組以及隨時掌握即時發電資料等作法,來降低需要關閉再生能源機組以縮減電力輸出的可能性,如此才能為再生能源發電的進一步穩健發展提供支持。

五、為了確保電力系統的穩定性,傳統火力發電業者會提供如頻率與電壓控制、電網電力損失的補償、以及全黑啟動(black start)等相應的輔助服務,而隨著再生能源發電裝置容量的持續攀升,其間歇性與波動性的特質,大幅增添了電力供應連續性與穩定性的難度,使得這些輔助服務變得更為重要。又因若要有效改善再生能源供電配比提高後的電力穩定性問題,可能需要借助增設可變電壓變壓器(variable-voltage transformer)或電壓穩壓器(voltage regulator)等設施,故在再生能源發電配比大幅擴大前,盡早進行相關衝擊影響評估,以預擬相應應變措施並預先規劃或興建所需基礎設施,更是推動再生能源健全發展的重要關鍵。
鄧凱方
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