電能與彈性能力：淺談未來電力市場的各種商品與其特性

未來的電力市場將會就哪些商品進行交易？它們各自的特性和須突破的技術或制度限制又是甚麼？

我們可以將電力市場中的服務，以提供的價值分成兩種：電能價值與彈性能力價值。進一步來說，彈性彈性價值還可以區分成空間均質（spatially homogeneous）與空間異質（spatially heterogeneous）的彈性能力。本文會簡述這三種商品的意義與各自的特性。
（注：本文僅是介紹一種簡便的商品區分方式；根據不同需求，電力市場的交易種類尚有其他分法，比如依據能源轉型經濟學，可將再生能源的彈性能力價值再細分為特性價值、平衡價值、與電網價值。）

電能價值

電能價值即使用電力這種能源，對用戶可以產生的經濟效益。因此，電能價值的交易，也就是對一定時間內供電裝置的可發電量的交易。

一般綠能的電能價值交易，往往又分為物理性購電協議和虛擬性購電協議；前者即常言的電證合一、後者則為發電過程中僅買憑證的財務合約（電證分離）。台灣因為目前僅允許物理性購電協議，對於沒有綠能義務、亦沒有購買綠電憑證意願的小用戶而言，便沒有向再生能源受電業購電的誘因。

由於電能價值的交易，往往涉及電子在輸配電網的物理性傳輸，此類交易受到現有法規限制較大。目前在台灣，電能價值的交易，受到的限制大概有下列幾種：

• 交易對象受限：根據電業法規定，非發電業的一般民眾所安裝的再生能源自用發電設備，僅能販售電力給公用售電業（目前僅台電，即一般所謂的躉購合約）；而登記成為發電業的程序冗長、所費不貲，也非一般民眾所能參與的管道。
• 交易形式受限：即使登記成為再生能源發電業，目前台電提供的轉供契約，交易時間長度、交易執行條件十分僵化。相關限制包括：轉供執行期間必須至少一個月、供需雙方無法中途更改、無法彈性決定轉供執行的要件（只要買方在該月尚有綠電購買額度、且有在用電，賣方有發綠電就一定得將其買下來）等等。

綠電市場的四大障礙

不論從再生能源自用發電設備或再生能源發電業目前的交易自由度來看，台灣當前任何P2P的綠電交易構想，是難以達成的。然而，尤其是再生能源自用發電設備的持有者（又稱為產銷者prosumer或自發自用者self-consumer）自由交易的權利，在能源轉型先進國家中已被重視；歐盟2018年對再生能源的指令即要求成員國確保再生能源自發自用者不受歧視儲存、販售其生產之綠能，這當然也包括了使用電網進行購電協議或P2P交易的權利。晚近，歐盟內部對於該指令的執行成效也出現檢討聲音；毫不意外地，德國在這方面成效最佳，東歐、法國等習慣集中式電業的國家則對這股浪潮最抗拒。

歐盟2018年的再生能源指令，保障再生能源自發自用者自由交易、儲存電能，不受限制的權利。

空間均質的彈性能力價值

空間均質的彈性能力係指電力系統中，幾乎不因供給者所在位置產生不同影響的彈性能力服務；這主要屬於供電裕度和電力系統可靠度的範疇。此類商品最典型的例子便是長期備用容量。另外，電網正常運作或微小擾動下的調頻備轉、殘載變動所需的調度彈性，也可以視為此種商品。

再生能源的存在，本身便能提供一定程度的長期備用容量價值，同時也能提升儲能技術提供相同容量價值的成本有效性。另一方面，搭配當代逆變器的再生能源和新式儲能、或者需量反應，理論上能提供比傳統同步發電機組更快的頻率反應，改善電網供需擾動產生的頻率變動問題。

其他條件相同下，初級頻率控制資源越多，供需擾動對電網頻率變動的影響會減輕。詳細說明請參考這篇文章。原始R語言程式碼請見此。

值得一提的是，逆變器為主的再生能源和新式儲能不若傳統同步發電機組，沒有物理上的旋轉讓發電頻率和供需平衡情況有自然耦合的情況。因此，系統慣性的提升和更快速頻率反應兩者如何搭配，以維持可被允許的系統穩定度，是能源轉型的重要課題。

另外，彈性能力價值雖然不直接涉及電子利用輸配電網做傳送來交易，其執行仍有可能影響到電能交易。舉例而言，讀者可以想像，一同時提供負備轉容量和售電給特定用戶的再生能源發電廠，如果執行負備轉容量的平衡訊號而降載時，其原售電用戶卻會繼續用電；此時便需要一套公平的結算機制，讓不同市場參與者都得到／付出合理的報酬／成本。

空間異質的彈性能力價值

有些彈性能力有空間異質性，亦即不同地點的供應者，可以產生的效應可能大不相同。孤島情況下的慣性與備轉容量是其中一種例子，電壓控制則是另一個更常被討論的此類服務。

由於電力潮流方程式的非線性特性，即使是穩態條件下，電力系統電壓的求解也不容易，遑論在系統既有限制下做成本、再生能源削減率等目標函數的最佳化了。下圖便是一條具有3部太陽能系統的饋線上，假設上游兩座太陽能出力不做調整，最下游的太陽能系統的可行解、電壓超額解、電壓崩潰解等控制區域。

一條具有3部太陽能系統的饋線上，假設上游兩座太陽能出力不做調整，最下游的太陽能系統的可行解（右圖綠色區域）、電壓超額解（右圖橙色區域）、電壓崩潰解（右圖紅色區域）等控制區域。詳細說明請見這裡。原始R語言程式碼請見此。

幸好，在一些適當假設下（比如饋線長度不長、阻抗造成的功率損失可以忽略等等），前述單條饋線的太陽能發電量最佳化，可被簡化成二次限制式線性規劃問題（Quadratically Constrained Linear Program，QCLP）。在這樣的假設下，單一饋線上的太陽能系統持有者只要知曉各節點間阻抗與各節點電壓等基本但非敏感的資訊，便可以透過互相招標競價的方式，交易發出有效電力的權利與無效電力的發電量，以達成滿足該饋線上電壓限制下的太陽能發電量最大化。

適當假設下，單一饋線上的太陽能系統持有者，可以透過互相招標競價的方式，交換發出有效電力的權利與無效電力的發電量，以逐步達成滿足該饋線上電壓現制下的太陽能發電量最大化。詳細說明見這裡。原始R語言程式碼請見此。

和空間均質的彈性能力相同，空間異質的彈性能力執行時，可能會間接影響電能交易的結果，也因此需要對應公平的結算機制。額外地，像電壓控制這樣的彈性能力，節點的電壓資訊和阻抗資訊對市場參與者的決策有極大的影響，確保這些資訊的正確性、並確立錯誤發生時的責任歸屬原則，也是這種市場能成立的關鍵。

延伸閱讀

能源轉型中，電力市場將如何運作？

變動型再生能源的備用容量價值應該如何計算？

需量反應將如何改善電力系統的快速頻率控制？

再生能源的公共效益與量化方式