类别
作者 Pierre Chen
更新日期 November 02, 2022

电力系统如何运作?

电力系统是用多少电发多少电,也就是说发电输出等于用电负载,而在同一电网中的所有发电机、输配电设备和负载端的用户均须使用相同电网工作频率的交流电。以台湾为例,台湾的电网频率为60Hz,不管是火力、核能还是水力的旋转电机转速都必须遵循这个频率供电。当电网的负载小于发电输出时,频率会上升,反之当电网的负载大于发电输出时,频率会下降。电网频率太高或太低都会损坏电力系统的设备,因此为了维持电网频率,电力公司会调整发电机组的输出使之等于负载。

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一般而言,电力公司会根据各地区随着时间、气温的变化还有历史数据推估未来一段时间内的用电情形,再配合用电负载的预测调度发电机组或对外采购的电力供电,并且会依照不同发电机组的特性进行调度,例如,依台湾能源规划,第一类为燃煤或核能可提供稳定且连续的供电,作为基载电力来源;燃气、抽蓄水力、锂电池储能系统等则为第二类,是能因应负载变动而快速启动并反应的电力来源,此类电力来源通常供电成本较高因而作为中、尖载电力来源;风力、太阳能等具有不易预测性的供电则属第三类,为不可调度型的间歇性的能源,必须搭配储能系统才能变成可靠稳定的电力来源。当用电量超乎电力公司预期,而发电机组的调度又因各类检修或故障不足以因应,导致电网频率将低到相当程度时,为了维持整体电力系统的运作就必须切断一部分负载以避免电力系统崩溃,也就是俗称的跳电。
 

什么是电力系统的系统惯量?

传统上,交流电网频率的来源绝大部分是来自旋转电机的转速,而传统大型发电机组的旋转电机可重达好几公吨,这个阻止旋转电机转子转速变化的惯量,也就是阻止交流电网发生频率变化的惯量,能为发电系统争取到数分钟的时间以调度供电输出维持平衡。然而,风力、太阳能等再生能源发电是使用电力电子设备并网,并无类似传统发电机组可透过涡轮机吸收能量的不平衡,几乎不能为电网提供系统惯量,因而一旦遇上大型机组跳机时,造成系统低频卸除的可能性增加。随着越来越多风力、太阳能等经由电力电子设备并网的再生能源比例提高,电力系统也必须随之转型。

IEA将间歇性再生能源(Variable Renewable Energy, VRE) 并网分成六个阶段:

  • 在早期(阶段 1、2)VRE占比不高,既有电网设备即足以应付或仅需作轻微调整
  • 中期(阶段 3、4)电力系统调度模式有明显改变且电力系统需要升级以因应高占比的VRE
  • 末期(阶段 5、6)则会长时间出现电力过剩或缺电的情况,需要有长时间储能设备来供应一年四季不同能源调度,例如使用氢能或其他长时间储能技术

 

VRE占比提高,电网转变的六阶段

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Source: IEA
 

何谓Grid-following 和 Grid-forming 储能逆变器技术

在电网转型的同时,越来越多储能系统代替传统能源的发电机组为电网提供调频等短时供电服务。传统并网的逆变器采用Grid-following的模式,此模式根据接收电网的电压角和频率等信息来控制电力输出,即便逆变器能快速的对电网频率做出反应,当失去电网频率和电压讯号时,将无法继续对电网提供服务,甚至随着并网的储能设备数量不断增加,电网频率的波动也可能触发连锁反应造成电网崩溃,在此模式下电网频率的调节主要仍取决于传统的发电机组。相比之下,Grid-forming模式的逆变器能够模拟传统同步发电机,主动地控制其频率输出,使得逆变器的频率与功率输出主动满足当前负载的需求,确保电力系统能够稳定地运行。

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