智慧變電所IEC61850結合儲能系統之新技術探討

柯佾寬* 張忠良** 主筆

*台達電子公司解決方案開發部 處長

**台電公司副總經理

　　對電網偶發事件或是特定時間電網發電量與負載用電量供需不平衡時，儲能系統可做為電力調節及調度用途，以維持電網頻率穩定；電網儲能系統亦有電壓穩定之功能，透過儲能系統快速提供電網電壓變化過程中所需虛功補償，使其調控電網電壓在正常變動範圍內。簡言之，儲能系統不只是單一功能之頻率對實功調控，也具有電壓對虛功補償之調控功能，兩者在電網型儲能系統中可同時上線使用。而因應再生能源大量併入電網所造成併聯瞬間或是棄風棄光瞬間之穩定性問題，儲能系統可對再生能源併入電網之變電所母線中進行實功及虛功調控，以達到再生能源供電平滑化，並控制電能輸出穩定之目的。因此，儲能系統可用以協助解決以上所述情況下電網調節及調度之問題。除此之外，依據再生能源發展條例，用電大戶契約容量五千瓩以上須有10%再生能源或是安裝儲能系統做為大用戶之用電自發自用，也是擴大應用儲能系統之場域。

　　儲能系統具有快速反應之特性，其反應時間可達到毫秒級(約100ms)，能即時自動調控電力系統發電與負載供需不平衡之狀況。因此，電力公司可利用儲能系統提供之自動頻率控制(AFC)輔助服務，增加電網之電力調節及調度可用資源，以維持並提升供電之穩定性。

　　儲能系統之應用主要分為功率型及能量型兩種，其中能量型儲能是與電池充放電率(C-rate)密切關連，能量型儲能以低C-rate為應用，在一定儲能容量中，如使用低C-rate電池，其所需數量較多，其佔地面積大及維護電池數量多；功率型儲能則具有高C-rate，能在因應電網突發事件之短時間中提供較大功率給電網做緊急調控用。

　　儲能系統之電源功率模組具有雙向電源傳輸之功效，而目前儲能系統主要是以不同特性之電池做為充電及放電之電力來源，並以電池充放電率(C-rate)來計算充放電之能量及時間，國內主要是以鋰離子電池應用於儲能系統，僅有極少數使用鈉硫電池，國外也以鋰離子電池為主，並有使用燃料電池(SOFC)之案例。儲能系統之運作是透過平常市電對儲能系統充電，當需要儲能系統提供電力時，儲能系統進行放電提供電力使用，而儲能電力之使用不單只是提供實功，也可做虛功補償。因此，儲能電池裝置容量需搭配電源功率模組，並依據可放電時間及搭配功率調節器(PCS)容量進行設計。電池充放電能量不能超過功率調節器，否則就會造成功率調節器過載。雖然功率調節器具有短暫過載能力，但為了儲能設備運轉穩定考量，功率調節器過載是在特殊情況下不得不之短暫緊急因應方式，不是常態模式。

　　透過儲能電池之串聯及併聯可分別增加儲能系統之電壓及容量，而儲能系統之放電時間需考量到電池之充放電率，目前儲能系統均建置有電池量測系統(battery measurement system, BMS)，透過BMS可監測電池之運行狀態，包含電池運轉溫度、電池櫃空調運轉、電池各階層電壓、電池保護及安全機制等，為儲能系統之安全運轉把關。

　　另，儲能系統中也須建置電力設備—包括高壓配電盤、低壓配電盤及配電變壓器等，做為儲能系統與電網之電力銜接，其高壓配電盤具有數位式保護電驛之多用途功能且須符合電力變電所通訊協議IEC61850之準則。桃園建置5MW儲能系統輔助服務(AFC功能)做為對區域電網之自動調頻控制用途，並導入IEC61850通訊協議外，也導入IEC61850通用物件導向變電所事件(GOOSE -Generic Object Oriented Substation Event)新技術之功能，以透過智慧變電所之IEC61850互通性協議並結合儲能系統，使其具備分散式電源整合及監控系統之資料收集及處理等可互通性調控功能，朝向智慧電網邁進。其智慧型數位保護電驛中之各保護電驛點對點(peer-to-peer)快速傳輸(<2ms)數位量達成特有之電力保護及控制等智慧化電力設計，運作快速並具有報文(Reporting)及波形記錄(File Transfer)功能，且均可在監控系統中獲取。另，點對點(peer-to-peer)類比量也納入該項新技術之應用。

　　電網型儲能系統容量一般係以百萬伏特-安培(MVA)為單位，需考慮到電源線引接之容量，應用於電源線N-1之儲能系統容量設計須先了解電力公司之N-1電力系統功能，而電力系統之設計需多元考量電源保護機制，並非單純儲能充電或放電之思維設計。儲能系統內部相關保護功能、狀態監視及維護功能等也需納入安全性準則，以確保儲能系統運轉安全，相對應之警報訊息及通訊傳輸包含遠端控制等功能也須納入。

　　隨著大量再生能源併入電網，電網之用電或發電也呈現變動狀態，對於電網中機組突發事件所導致瞬間發電量受到影響時，分散式大容量儲能系統可迅速做出調頻功能，馬上提供電力並搭配既有之抽蓄水力機組做立即性運行調度，以及視實際情況搭配低頻電驛卸載策略等作法，可使電網之系統頻率能迅速回到新的穩態點，並使電網之供需情況能快速達到平衡，降低對電網之衝擊影響。

　　目前儲能系統之建置以地區性電網調控及調度為主，其儲能容量單一地點建置量未超過引接輸電等級，且都引接至22.8kV/11.4kV系統。未來單一地點裝置更大容量儲能系統時，就須符合力公司併聯準則規定，以引接更高電壓等級。而用戶端設施內如建置儲能系統，也可減輕電網用電需求量，使電網有更多的電力調度彈性。另，用戶端設施內儲能系統也可對其本身用電需求做彈性調控，避免其用電需求超過契約容量，並獲得用戶節電之功效。

　　綜合而言，儲能系統具有預警、保護等安全機制，對電網之整體性而言，具有電網調度之彈性及對電網之調節功效，對於電網穩定度及強韌度具有助益。結合智慧變電所IEC61850之新技術導入儲能系統，可使電網運行上有更多智慧化保護及管理。