互聯微電網簡介

洪穎怡＊主筆

* 中原大學電機系教授

    傳統的微電網大家都較為熟悉，微電網通常是在配電系統裡，由一群分散式電源、儲能系統與負載等所組成，其操作的模式可為電力系統與微電網連接模式(Grid-tied Mode)、孤島模式(Islanded Mode)及兩種模式混合後所組成。微電網以一種較為彈性的方式如熱插拔(Plug-and-Play)的形式，以併聯或解聯微電網系統上的電能。以台電福山微電網為例，因2015年蘇迪勒颱風侵襲，重創新北市烏來區，導致最深山的福山部落對外失聯、無電可用；以此為鑑，台電以福山國小以及社區活動中心(避難中心)為主，設計兼顧防災與生態功能之微電網系統；福山微電網PV有29kW，儲能有50kWh及柴油發電機50kW。另外，美國能源部及國防部於2012年起支持的SPIDER(Smart Power Infrastructure Demonstration for Energy Reliability and Security)計畫，建構一個移動式微電網，它利用分佈式電源及應用智慧電網技術，透過電力電子技術實現無縫孤島運轉，並且孤島運轉時間可至少維持關鍵負載72小時連續供電。

    本文所謂互聯微電網(Networked microgrid)又稱多重微電網(Multi-microgrid)、微電網群集(Microgrid cluster)或聯結微電網(Interconnected microgrid)。顧名思義，互聯微電網是由多個微電網互聯所組成。互聯微電網的優勢:

(a) 提供與相鄰微電網的相互功率共享，以提高微電網的可靠性並降低運營成本。

(b)在大電網發生故障或缺電情況後，恢復對客戶的服務，有效利用微電網中的再生能源。

(c)在孤島運轉模式中相互支持，並減輕主電網併網運轉的負擔。

    互聯微電網架構可分為星狀(star-connected)、環狀(ring-connected)及網狀(mesh-connected)三種。以星狀為例，它又可分為(i)全部微電網同時與大電網併聯，(ii)由單一微電網負責與大電網併聯，其餘微電網相互併聯，如圖1所示。其中圖1(b)對大電網相對單純，因為責任分界點僅有一個，由MG1負責所有微電網。

圖1 互聯微電網架構

    互聯微電網能源管理系統(Energy Management System，EMS)架構，可能有三種: (a)系統所有設備及負載，包括微電網內部各個分散式電源均受中央EMS指揮調度；(b)互聯微電網中的每個微電網有自己的EMS，每個微電網的EMS僅與鄰近的微電網EMS互相溝通，這屬於分布(distributed)式架構；(c)互聯微電網中的每個微電網有自己的EMS，這些EMS僅與大電網的EMS相互傳遞訊息，這屬於階層(hierarchical)式架構。如圖2所示。

圖2互聯微電網能源管理系統

    以美國Alaska州的St. Mary 和 Mountain Villages為例，St. Mary約有550人，全年尖峰負載發生在冬季夜晚，約600kW；Mountain Villages約有820人，全年尖峰負載也發生在冬季夜晚，約500kW，如圖3所示。這兩個村莊面臨能源韌性挑戰，包括(a)兩個村都是屬於農村微電網，由柴油發電機組供電；(b)柴油由育空(Yukon)河運輸，8-4月結冰無法通行；(c) 如果柴油在冬季用完，則會危及居民生命；(d)能源成本高，占平均家庭收入的25%以上。為了降低成本並提高電網可靠度和韌性，電力公司Alaska Village Electric Company (AVEC)實施三階段計畫：第一階段先建立風力發電機900kW，以減少燃料使用；第二階段建設基於儲能的電網橋接系統（Grid Bridge System，GBS），做為備轉容量用；第三階段透過 12.47 kV 聯絡線(20 miles=32.2kM)將 St. Mary’s微電網與 Mountain Village微電網互聯。
圖4為St. Mary和Mountain Villages的相對位置。   

 圖3 Alaska的(a) St. Mary 和 (b) Mountain Villages的Google空照圖

圖4  St. Mary和Mountain Villages的相對位置

    台灣在互聯微電網是有機會發展的，日前台電在霧台鄉佳暮村、牡丹鄉旭海村、東源村、石門村、獅子鄉草埔村、丹路村和南世村等11個部落設避難中心，建置防災型微電網系統。防災型微電網可藉由太陽光電、儲能系統及柴油發電機供給當地用電，在各自的能源管理系統調控下，於災害發生時自主供電逾72小時。以牡丹鄉為例，在東源、旭海及大梅三個活動中心各設置一個EMS，各自有5kW的太陽光電、10kW電能控制系統、37kWh的儲能電池及10kW的發電機。倘若這些各自獨立的EMS彼此可以藉由通訊網路系統(如圖2)，在經濟及技術雙重考量下，建設如星狀、環狀或網狀的互聯微電網，便可增加部落微電網在孤島運轉時的系統韌性及供電可靠度。

參考文獻

[1] M. Islam, F. Yang, M. Amin, “Control and optimisation of networked microgrids: A review,” IET Renewable Power Generation, Vol. 15, no. 6, pp. 1133-1148, 2021.

[2] J. Stamp, “Experiences and Lessons Learned from SPIDERS Microgrids Rollout and Demonstrations,” Sandia National Laboratories, 2014 IEEE PES General Meeting.

[3] D. Ton, “Microgrid R&D Program at the U.S. DOE,” Advanced Grid Research, DOE of USA, 2018.

[4]https://www.chinatimes.com/realtimenews/20220411003898-260405?chdtv