離岸風電併網之暫態穩定度分析

柯佾寬*主筆

*海洋大學電機系助理教授

台灣為海島地形，每年約有半年以上的東北季風期，早期台灣風力發電主要以陸域為主。近幾年來，由於台灣外海風能資源相當豐富，政府積極規劃建設大規模離岸風力發電場，2019年年底，首座海洋風電離岸風場128MW完成，後續大型離岸風場亦陸續建置中。

為達成2025年再生能源發電量占台灣總發電量20%之能源政策目標，離岸風電會逐步併入電網運行。離岸風電併網時，需要依靠最大功率點追蹤(Maximum power point tracking, MPPT)，以測量或估計風速和風力機轉速，讓風力機組能夠​​隨時得到最大的輸出功率，並具有低電壓穿越能力(Low voltage ride through，LVRT)，俾在併入電網時，其電壓下降瞬間仍能依循電壓驟降曲線運行準則，持續保有電能輸出能力。

未來台灣電力系統中風力發電機組逐漸增加，意味著台灣本島電力系統中某些傳統機組將會進行汰換或是減少發電量，系統慣量勢必會減少，若遭遇到大事故時，系統中併入高佔比風電的頻率響應將比原先傳統機組的系統來得較差。因此，既有的系統頻率控制方式必須隨之調整。現今系統頻率控制包含以複循環機組的控制及低頻卸載等作法，並且依靠水力機組來迅速反應調整系統頻率，使系統保持穩定。而為因應快速調頻反應需求，未來將有更多之儲能系統加入電網，以提升其頻率調控功能，使其遇到偶發事件之機組出力問題或是瓶頸時，系統能快速有效達到新的供需平衡點，使系統持續運行。因此，在併入風電時，需考慮其併網是否會衝擊電力系統而造成系統不穩定。

離岸風電併網主要是觀察其對電網穩定度之影響，其穩定度可分為轉子角度穩定、頻率穩定及電壓穩定等三種，其中以轉子角度穩定度分析為主要考量，其目的是電力系統運轉時，不會因為受到擾動而導致大區域的停電，而首要關鍵在於系統中的發電機組受到擾動後，發電機的轉子角度仍然能持續與其他發電機組維持同步穩定運轉的能力。

在穩態條件下，每部發電機的輸入機械轉矩與輸出電磁轉矩維持平衡的狀態，並且發電機轉子轉速保持恆定；在暫態條件下，可分為小擾動角度穩定度以及大擾動角度穩定度兩種類別，其中小擾動角度穩定度又稱為小訊號穩定度，如在一部發電機組的激磁系統中的自動電壓調節器之增益變化，就是小擾動的例子，其主要取決於系統的初始運行狀態，當系統遭受到一個或多個小擾動干擾時，系統能夠立即回復至穩態運轉情況，稱為穩態穩定(steady-state stable)，而大擾動角度穩定度又稱為暫態穩定度(transiently stable)，是指電力系統在遭受嚴重干擾時，發電機轉子角度維持穩定的能力，其可能影響的因素有輸電系統故障、負載急遽變化、發電機組跳機以及線路切換等，都是屬於較大的擾動因素。

由於大量風電在併入電網後，機組會受到天氣變化所導致的間歇性風速變動，使風力機組發電量不斷的變化，若風速劇烈的驟降導致風力機組無法穩定輸出功率，使得原電力系統供需不平衡，系統頻率可能會超出台電規範的低頻卸載規劃準則之正常頻率範圍，影響到用戶端用電權益，進而考驗電力系統的穩定度。因此，風力機組須具備有遠方調控之功能，透過結合智慧逆變器及通訊系統達到遠方調控，增加風力機組併入電網之穩定性。

建置離岸風電有多項問題需要考量及面對，包含離岸風力機組施工和維修都比陸上困難、離岸風電場對環境以及當地的漁業影響、海底電纜及光纖佈置、離岸風電設備國產化、海上變電站建置、以及從目前海底電纜引接至陸上變電站進而併入系統之穩定度分析等。隨著未來再生能源的發展，高佔比的再生能源併網將會對電網系統穩定度造成相對的影響，如考慮不同季節之再生能源輸出功率變化特性，可利用具有提供快速備轉容量的水力機組或是可提供調頻功能的儲能系統，以提供充足的備轉容量，快速及有效維持著電力系統的穩定。