如何充分發揮再生能源的彈性能力?

再生能源系統能提供的慣性、頻率以及無效電力控制

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之前我寫過的數篇文章裡,不斷強調再生能源裝置已經能滿足部分時間尺度內的彈性能力,甚至其能力還優於傳統電廠。在這篇文章中,我會繼續深論再生能源是如何展現這些彈性能力的。

會想寫這文章的原因,是因為之前氣候營隊期間有新認識的朋友向我詳細詢問可變型再生能源能提供的彈性服務有哪些,而目前真正需要傳統電廠需要的彈性能力又有哪些。底下我們會看到,可變型再生能源發電系統已經能提供大部分極短時間內的彈性能力,只剩下小時尺度的彈性能力(殘載彈性)必須要彈性傳統電廠做搭配。

複習:電力系統需要的彈性能力

首先,我們再次拿出IEA的電力系統變遷現況報告,來看看系統需要的彈性能力有哪些。

從上表可以看出,依時間尺度來區分,電力系統需要的彈性能力可分為:次秒級(ultra-short-term)、秒級(very-short-term)、次小時級(short term)、小時級(medium-term)、日級(long-term)以及月級(very long-term)等服務。

我們知道,日級和月級的彈性能力很大程度是和電源規劃和開發有關,此時能透過再生能源的裝置容量貢獻(capacity value)來考慮實際上需要開發或上線的傳統電廠,將會降低對傳統電廠裝置容量和發電量的需求。

至於次小時級以下的彈性能力,再生能源裝置則可透過相關的電子元件,做出比傳統電廠更好的反應能力。

同步逆變器、調節器:滿足次秒級尺度彈性要求

在電力系統中,「系統慣性」(system inertia)指的是系統頻率變動的難易程度。傳統上,渦輪轉動的動能能提供一定程度的機械慣性,避免電力系統頻率迅速改變。

新的電力系統中可以繼續保留這些機組,改裝成不發電、只提供輔助服務的同步補償器(synchronous condensers);這樣的電子元件除了能透過調節無效電力進行電壓控制以外,它們仍然具有轉動動能而得以繼續提供電力系統所需的慣性。

另一方面,日益成熟的同步逆變器(synchronverter),則能透過模仿機械慣性的方式,提供「合成慣性」(synthetic inertia)給電力系統。風能機群則因為本身具有轉動機械,亦可以利用葉片的轉動動能提供合成慣性。

先進控制、虛擬電廠、電池:滿足次小時級尺度彈性要求

系統慣性雖然很重要,但它只是在延遲突發事件造成的影響,在那之後仍需要更進一步的穩定性控制,以讓系統回復到可以接受的穩定態。

如果再生能源要對於電力系統的頻率、電壓等等電力品質穩定性控制做出貢獻,就必須提供秒級和次小時級的彈性要求。這些包括我們之前文章寫過的初級和次級頻率控制,以及無效電力控制(也就是電壓控制)。

加州一座300MW的太陽能電廠在2016年8月的測試中,證明了可變型再生能源只要經過恰當的整合和良好控制,在多數情況下能夠提供足夠的頻率、電壓控制,有些服務的品質甚至還比傳統電廠還要好。

針對太陽能電廠的測試中,次級頻率控制的精確度遠大於調度業者對傳統電廠的要求
太陽能電廠的無效電力控制範圍理論上大於傳統同步電廠,並且由於太陽能電廠屬於分散式電廠,更能因地制宜,針對局部性的電壓變動做出反應

至於所謂的「虛擬電廠」,在輔助服務的部分,和單一電廠的控制原理類似,只是現在虛擬電廠的營運者要控制的是四散各地的各個分散式再生能源電廠、甚至是各個居家太陽能系統,因此在訊息跟控制指令的整合上又更加複雜。

當然,如果你像南澳州一樣擁有大型電池的話,進行這些輔助服務就更加容易了。

再生能源能提供更好的彈性能力服務…但傳統電廠的彈性能力依舊不可輕忽

雖然上述種種次小時級的彈性能力可以漸漸由併網的再生能源勝任,在轉型進程中,大量仍舊在線上的傳統電廠對電力系統穩定性的影響依舊不可輕忽。

對於傳統同步電廠的頻率控制如果不夠精確,這些電廠會在突發事件發生後,產生不利電力系統穩定性的現象;在澳洲東部,因為輔助服務市場設計不良,出現了這樣的問題;底下的影片有做出詳細說明。

請注意,講者並沒有把電力品質穩定性下降的原因歸罪於再生能源;相反地影片中講者不斷強調,在這些突發事件中再生能源反而扮演了「基載電力」理論上要扮演的角色,提供穩定電力,打破了過去對於再生能源間歇性會危害電網穩定的迷思

講者也肯定新的再生能源系統的電力品質控制遠優於傳統電廠,只是轉型過程中仍應認真研究傳統同步電廠,並且重新思考放寬頻率控制範圍可能產生的負面影響。

東澳的一次突發事件中,傳統同步電廠因頻率控制不佳而發生非預期共振,反倒是再生能源的電力輸出穩定而不受系統的頻率震盪影響。

「系統必載」將有效降低

就像前面我寫過的文章提到的,可變型再生能源目前尚不能提供的彈性服務,只剩下小時尺度的「殘載彈性」。

不過,當再生能源漸漸取代傳統電廠,開始提供電力系統頻率穩定、電壓穩定等等輔助服務時,對於電力系統的殘載彈性能力也將有所助益。

這是因為,當越多再生能源提供輔助服務,必須持續維持在線上的傳統電廠(「系統必載」)就會漸漸下降,這會讓風光電力輸出大增時,傳統電廠的發電量下降得更低,提升可變型再生能源的滲透潛力。

當然,可變型再生能源提供很多輔助服務時,需要先行削減電力輸出,但一來提供輔助服務將可以得到經濟上的回饋,二來系統上的滲透潛力增加,對於未來更多再生能源併網將提供更友善的環境。這是對政策制定者和再生能源業者來說都有利的雙贏局面。

因此,能讓再生能源充分發揮彈性能力的電力市場設計和調度原則,在能源轉型過程中也將扮演重要角色。


有人一直來問我(善意或惡意的),所以我這邊補充一下這篇文章跟台灣能源政策的主要關聯。

現在我們的光能2.5GW、風能0.7GW,要發展到2025年光能20GW、風能6.7GW的情境,最直觀的作法就是按照現行的售電模式,擴大規模,盡可能能發多少併多少電力進電網。這樣是短期內讓各機組發電量貢獻最高的一條路徑,也符合綠能優先調度的思維。

以2025的情境來說,這樣的政策,電力系統因應上不會有太大的問題,再生能源的電力輸出削減率也不會太多。

不過,我們的再生能源政策不會只停留在2025年20%,隨著更高佔比的再生能源繼續發生,一定會有一個臨界點,就是再生能源開始提供輔助服務,會比早期的發多少併多少思維更有利於再生能源發展。

因為遲早再生能源會面臨殘載過低、必須削減出力的情況,與其白白浪費這些削減出力,此時不如拿來提供輔助服務。

當然,要做到這個程度,與再生能源搭配的電子元件、控制技術,以及調度法規、市場規則,也都得漸步做出調整。至於這樣的調整應該何時開始,就是一個現下可以討論的點。