義電智慧能源公司(ENEL X)近日正式進入台灣,未來它將以需量反應的方式,提供台電快速頻率控制的服務(在歐洲稱為初級頻率控制,primary frequency control)。
在能源轉型初期,需量反應是滿足各種電力系統彈性需求最具成本有效性的方式,因為調度既有的彈性電力需求,不需要任何前期設置成本。不過,快速頻率控制是甚麼,而為什麼能源轉型過程中,需要更多新式彈性資源來提供這種服務呢?本文來做一簡短說明。
電力系統的初級頻率控制是甚麼?
一般電網中的電都是交流電,因此電網上有頻率此一參數必須做控制。傳統上,因為幾乎所有發電機組都是和電網同頻旋轉的同步發電機,我們可以利用能量守恆公式,將電力系統的發電端模擬成如下圖的等效旋轉體模型。其中,I_G為等效旋轉體的轉動慣量、ω為角速度、Δω為角速度自正常值ω_0的偏移量、P_mech為給予等效旋轉體的機械功率、P_el為自等效旋轉體發出的發電功率、k_P和k_R為發電端為初級頻率控制設定的反應參數。
如果等效旋轉體取得與發出的功率突然不平衡,由於上公式可知,等效旋轉體的頻率會逐步下降。當沒有初級頻率控制介入時,等效旋轉體的頻率下降速率和功率的供需失衡量呈正比、和I_G * ω 成反比(我們將此值稱為電力系統的系統慣性,system inertia),但頻率會持續下滑而無止盡;而初級控制介入後,系統會趨向新的穩態頻率ω_0 + (P_mech,0 — P_el,0) / k_P。因此,我們可以把初級頻率控制想成即時穩定頻率、使其不會無限制偏離正常值的一種電力系統輔助服務。
能源轉型對於系統慣性和初級頻率控制的影響
了解初級頻率控制的功能後,接下來我們要問的是,為什麼未來會需要更多新式彈性資源來提供這種服務呢?
原來當越來越多風能、太陽能等非同步發電機組併網後,電力系統上的傳統同步機組會跟著減少,進而減少電力系統的系統慣性。同時,如果只有傳統機組會提供初級頻率控制,系統的k_P值也會跟著減少。其結果是,電網因同樣程度的供需失衡產生的頻率偏差,不論變化速度或最大偏移量,都會增加,進而影響電網的穩定性。
如下圖所示,在同樣程度的供需失衡下,系統慣性和k_P如果減少為原來的1/8,電網頻率的最大偏移量會因而增加8倍,一開始頻率偏移的速率也較大。
而這就是像需量反應這樣的新式彈性資源進場的契機:它們能取代傳統機組,提供初級頻率控制的服務,讓k_P值不因傳統電廠除役而受到嚴重影響。如下圖所示,如果k_P值得以維持、不因能源轉型而減少,則系統慣性較少(風光等非同步發電機組併網較多者)的情境,雖然頻率偏移的初始速率仍較大,電網頻率的最大偏移量卻可以比前一張圖減少許多。
能源轉型下電力系統控制思維的轉變,就好像從駕駛一輛大卡車換成指揮一隊自行車隊一樣:前者開車時較穩、但一旦出現緊急狀況時往往無法快速反應;後者雖然每台自行車車身較輕、但只要控制得宜,能對突發狀況做更迅速、彈性的調度。因此未來,除了需量反應,新式儲能、甚至風能太陽能等變動型再生能源本身,也都能夠投入在初級頻率控制的服務中,一起為台灣電網這個自行車隊做出貢獻。