世界各國對低慣性電力系統下規劃與運轉準則之修訂
朱家齊*主筆
*國立清華大學電機系教授
隨著再生能源占比提升，電力系統等效慣量將逐步降低。因此未來電力系統將可能面臨頻率變化率(Rate of Change of Frequency, 簡稱ROCOF)增加、備轉容量降低、以及極端頻率變化的各種新情境。因此，未來的電力系統需要將系統內的旋轉質量視為電力系統不可缺少的一部份，並規定隨時維持在系統中的最小慣量值，以及搭配使用其他慣量補償器，作為技術替代方案。
依據文獻可知，慣量研究與探討仍集中在某些高占比再生能源國家或地區，如美國德州ERCOT、愛爾蘭、英國、以及南澳等相關國家。目前這些國家，已經採取了不同的方法，以確保持再生能源高占比下之系統穩定度。以下簡介各國對電網操作標準之修訂現狀[1]，以作為台灣未來修訂相關電力系統規劃與運轉準則之參考。
1.美國德州電力可靠性委員會
隨著再生能源發電量的不斷增加，一些國家如美國德州電力可靠性委員會(ERCOT)已規劃提出同步慣性響應服務。同步慣性響應定義為發電機組在擾動後的實功率輸出響應。同步發電機、同步調相機、或同步負載的瞬時可用慣性乘以同步慣性響應係數，稱為同步慣性響應[2]。而同步發電機的同步慣性響應係數之計算如式(1)所示:為動能與發電機組運轉下之最低可支持百萬瓦輸出功率比。同步慣性響應係數大小約為15到45秒。它是決定電力系統強度和穩定性的一個重要因素。.jpg) 是系統中產生的實功率的最小額定值。
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德州電力可靠性委員會ERCOT與EirGrid等電網營運商已决定將同步慣性響應規定作為一項系統輔助服務，用以容納新增再生能源的發電量。如果同步慣性響應服務在幾MW的輸出可用，則電力系統可以容納更多的再生能源。該服務僅考慮同步慣性響應係數大於15的同步發電機，其原因是最大限度地利用慣性，以適應來自再生能源的更多發電電源。目前ERCOT已開發了一種工具，可預測具有再生能源高滲透率的電力系統中所需的系統慣性。
2. 愛爾蘭EirGrid的營運
EirGrid是愛爾蘭的電網營運商。因愛爾蘭為一孤立系統，遵循孤島電力系統穩定運轉的操作指標，隨著再生能源發電量增加而適時修訂調整。
2.1 操作指標1
“操作指標1”定義如下:
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在此，.jpg) 是僅由再生能源產生的實功率。
“操作指標1”是來自再生能源的無慣性功率與瞬時負載的比率，作為判定電力系統穩定運轉的再生能源所允許滲透範圍的合適指標。為了穩定運轉，建議此參數的最大限制為70％至80％。
圖1清楚說明電力系統的慣性常數（H）會隨“操作指標1”的增加而減小，“操作指標1”僅在再生能源的滲透率增加時增加。因此，系統慣性的減小導致頻率偏差的增加，並啟用低頻電驛。圖2顯示最大饋入損耗後頻率的最低值與“操作指標1”之間的關係。如果“操作指標1”值小於80%，則頻率保持在允許範圍內。如果“操作指標1”值超過80%，則頻率最低點較高，會影響電力系統的穩定性，並啟用頻率變化率和低頻電驛。
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圖1慣性常數與操作指標1[1]
圖2發電機跳脫後的頻率與操作指標1[1]
2.2 操作指標2
“操作指標2”定義如下:
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而.jpg) 是系統中發電機的最大額定實功率。
“操作指標2”是電力系統中可用動能與最大功率損耗的比值。單位是MWs / MW。它也是電力系統頻率穩定性的一個指標。EirGrid營運商正在尋求故障後的快速有效功率之恢復，並從再生能源中模擬慣性。
圖3說明在最大饋入損耗之後的頻率與“操作指標2”間的關係。當“操作指標2”值小於30時，由於滿足功率損耗的可用動能較小，頻率變化率電驛將啟用。如果“操作指標2”值大於30，則電力系統可以穩定運轉。較高的愛爾蘭頻率變化率標準，可允許EirGrid在較高的再生能源滲透率下運轉。
圖3最大發電機跳脫後的頻率與操作指標2的關係[1]
3.澳大利亞能源市場營運商
澳大利亞能源市場營運商提議使用兩種不同的指標分析電力系統的慣性需求：一是慣性的最小臨界水平，二是慣性的安全運轉水平。最小臨界慣性是指以穩定方式運轉孤島電力系統所必需的慣性量，可保證於偶發事件發生後，頻率變化率和頻率偏差均在允許的範圍內，以這種慣性水平運轉可能需要採用卸載措施。慣性安全運轉水平是指電力系統中可用的慣性量大於最小臨界慣性，如果電力系統的某個區域保持穩定的慣性運轉水平，則可以在需要時將其轉移到電力系統的另一區域。另，澳大利亞能源市場營運商也依據慣性的安全運轉水平計算每個孤島電力系統的慣性短缺（慣性短缺=一般慣性-慣性的安全運轉水平）。
自2017年5月起，澳大利亞為解決低慣性問題而採取的維持同步發電機最低水平的措施如下：
•如果可再生能源發電量介於0和1200 MW間，則至少3台同步發電機必須一起運轉。
•如果再生能源發電量大於1200 MW，則至少4台同步發電機必須一起運轉。
澳大利亞採用此規範後，頻率變化率較前幾個月相比有所下降。
4. 英國國家電網
英國國家電網營運商發現，由於再生能源的持續增長，電力系統的慣性從2013年開始持續下降，爰針對頻率變化率的標準進行了修訂，以適應再生能源滲透的增加，從0.125赫茲/秒增加到0.5赫茲/秒。
英國國家電網提出的低慣性解決方案包括：
•在低負載或同步調相機組模式下，必須使用火力發電廠。
•使用風力渦輪機、太陽能發電廠和儲能設備之快速響應，並藉由降低再生能源之出力，提供同步發電機足夠的運轉空間。
•開發新型同步儲能係統，如壓縮空氣儲能，實現與抽蓄發電廠類似之慣性響應服務。
•通過電動汽車提供慣性給需求側管理。
５.其他小島型獨立系統
如愛爾蘭和英國這樣的電網營運商，已擁有超過500 MW的再生能源發電，正面臨著與頻率變化率相關的問題。而塞浦路斯和夏威夷這樣的小島電網，也經歷了頻率變化率高的偶發事件。目前，夏威夷使用電池儲能系統來管理頻率變化率問題。
總而言之，增加來自無慣性之再生能源發電量，並保持電力系統穩定性的唯一方法是增加電力系統的慣性。
參考文獻
[1] Kamala Sarojini Ratnam, K. Palanisamy, and Guangya Yang. "Future low-inertia power systems: Requirements, issues, and solutions-A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews vol. 124, pp, 109773, 2020.
[2] S. C. Johnson, D. J. Papageorgiou, D. S. Mallapragada, T. A. Deetjen, J. D. Rhodes, and M. E. Webber, “Evaluating rotational inertia as a component of grid reliability with high penetrations of variable renewable energy”, Energy, vol. 180, pp. 258-271, 2019.
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