是誰讓歐洲的電子鐘變慢了!

南斯拉夫戰爭與這件事情的關聯可能還比再生能源高…

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從一月中旬到三月,歐陸的電子鐘跑得比正常速度還慢。這段期間累積的誤差量大約是六分鐘。對於日常生活來說這大概沒有甚麼(在弗萊堡,你還有機會能趕上同一班電車),對於精密的科學或工程測量來說可能就是一大災難。

電子鐘變慢的主要是歐陸電網的平均頻率下降所致。正常情況下歐陸電網的頻率應該有50赫茲,但這段期間歐陸電網的平均頻率只有49.996赫茲。

有效功率和頻率的關係算是傳統電力工程課程的基本內容:當電網的頻率有所下降時,肯定是哪裡的輸出電力不足造成的。

不過,要徹底了解這次頻率下跌背後的機制,我們還需要更進一步的闡述。

抱歉了,這次的事件和再生能源沒有關係

首先,這次頻率下降的事件和變異型再生能源(風能和太陽能等)並無關係。在德國,再生能源在這段期間供應了40%的淨公用發電量;在歐陸的各個地區,再生能源也持續打破許多發電紀錄,最有名的大概是葡萄牙

在2018年3月,葡萄牙的再生能源發電量高過國內的電力需求!

如果高佔比的再生能源對於電網平均頻率會有任何影響,那大概也是會增加平均頻率才對。不過如此高佔比的再生能源發電量在歐陸可說是日益平常,在這些再生能源發電量大增的情況下電網的控制系統也已經能可靠地保持電網頻率的穩定。


根據歐陸輸電系統調度委員會(ENTSO-E)的說法,這次頻率下降的原因是因為科索沃和塞爾維亞之間供電不平衡造成的。歐陸同步電網的頻率控制系統為何無法妥善處理這個問題的原因,十分有趣同時也令人震驚。

基本上整件事情凸顯了當前歐陸頻率控制系統的一個缺陷。了解這個缺陷以前,我們得先認識歐陸同步電網頻率控制的方式。

誠如名稱中的「同步」所示,歐陸同步電網內只有共同單一的頻率。不過,電網中有許多輸電系統調度員(TSO),每個調度員在自己的控制區域內獨立運作,彼此之間則會適時交換電力。

所以當頻率下降時,電網如何因應?

現在假設某個控制區域內一座電廠故障,使得整個電網的頻率略微下降。

此時,所有簽署初級控制服務合約的併網電廠會馬上接收到此一頻率下降的訊號;作為反應,他們會適當增加自己的電力輸出。

初級控制中,電廠會依據電網頻率的偏離程度,依比例線性調整自己的輸出電力。

不過初級控制服務屬於控制理論中的P型控制;也就是說,單靠他們並不足以使電網頻率完全回復至正常值。

這就是為什麼我們需要各區域TSO提供次級控制服務。次級控制的訊號乃是非預期的輸出電力異常,由下述公式得出:

上式中,delta P_1是初級控制造成的電力輸出變異,而delta P_E則是非預期的電力出口異常。

由於這個機制的特性,沒有發生電廠故障的控制區域內不會接收到次級控制訊號。對他們來說,初級控制造成的電力輸出增加量都會變成非預期的電力出口增量送往發生故障的控制區域,因此上式等號右邊的兩數值恰互相抵銷。

只有在發生電廠故障的控制區域,TSO才需要回應一個正的次級控制訊號。

但假設那個控制區域沒有良好地處理他的次級控制訊號異常呢?在這種情況下,其他控制區域的TSO也無法提供次級控制服務以讓電網頻率回復至預設值,因為他們並沒有接收到任何次級控制訊號。

如此一來,整個電網將只提供初級控制服務。如前所述,初級控制服務無法完全消除頻率的變異,所以電網將在略低於預設頻率的新穩定態中運作。

只有故障發生地的TSO有義務處理區域內的次級控制訊號異常。假若他沒有這麼做,整個電網的平均頻率將略低於預設值。

基本上,這就是塞爾維亞和科索沃之間發生的事情。

他們共享同一個控制區域,而當科索沃內部的供電不足時,理論上塞爾維亞應該提供平衡服務。但由於政治因素,當地的TSO刻意忽視了那段期間次級控制訊號的異常。由此產生了一個固定的供電不平衡,導致全歐陸的電網頻率降低。


真是令人嘆為觀止!一場二十年前的戰爭能夠持續影響著你想像不到的事物。話說回來,我們台灣人應該對這種狀況不太陌生才對。

能源轉型文摘

這系列文章收錄各種能源轉型最新的學術研究、新聞或文章。

Tony Yen

Written by

Tony Yen

A Taiwanese turtle who studies in the master program of Renewable Energy Engineering and Management in University of Freiburg.

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