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。
