如何解決微電網(wǎng)并網(wǎng)的效益問題

微電網(wǎng)(Microgrid)系統(tǒng)為近年世界各國電力科技發(fā)展重點(diǎn)，主要效益歸納為二，首先，由于再生能源為間歇性能源，大量的再生能源閎氳繽將造成電壓浮動的問題，影響區(qū)域電網(wǎng)供電穩(wěn)定度;微電網(wǎng)具穩(wěn)定電壓及頻率功能，可有效引入再生能源進(jìn)入電網(wǎng)，提升區(qū)域電網(wǎng)再生能源之使用率。其次，微電網(wǎng)具有尖峰用電調(diào)節(jié)(Peak Shaving)作用，可降低尖峰用電的系統(tǒng)設(shè)備需求規(guī)格及成本，配合時間電價制度抑制用電行為，達(dá)到節(jié)能減碳目的。

事實(shí)上，日本于2010年即成立智慧社區(qū)(Smart Community)聯(lián)盟，由新能源及工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO)于橫濱、豐田、京都府與北九州等四個都市進(jìn)行微電網(wǎng)示計畫;中國大陸則將微電網(wǎng)試點(diǎn)列入十二五計畫，國家電網(wǎng)電力公司已于南麂島和鹿西島分別建置離網(wǎng)型及并網(wǎng)型微電網(wǎng)示范工程。

2012年美國再生能源國家實(shí)驗室(NREL)亦與沙加緬度市電力公司(SMUD)于加州建置微電網(wǎng)示系統(tǒng);韓國國網(wǎng)更進(jìn)一步在濟(jì)州島上建置智慧電網(wǎng) (Smart Grid)測試區(qū)。至于歐盟則提出第七期架構(gòu)方案(Framework Programme 7)，由雅典科技大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊于Kythnos島內(nèi)建置微電網(wǎng)測試系統(tǒng);另外，西班牙、葡萄牙、德國和法國等也都有微電網(wǎng)示計畫正在運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳目的核研所加速微電網(wǎng)測試

為接軌國際間節(jié)能減碳風(fēng)潮，臺灣核能研究所(簡稱核研所)亦致力發(fā)展自主式(Autonomous)微電網(wǎng)技術(shù)，并規(guī)畫分叁個階段進(jìn)行，以有效提升國內(nèi)再生能源利用率。第一階段系統(tǒng)將著重分析與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，第二階段則進(jìn)行系統(tǒng)工程整合，以能源電子技術(shù)配合微電網(wǎng)能源管理及儲能技術(shù)，發(fā)展區(qū)域電網(wǎng)再生能源滲透率達(dá)10%(裝置容量20%)的電力控制技術(shù)。

第三階段將進(jìn)行系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)，以分散式發(fā)電架構(gòu)，示并推廣自主式控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)，于市電懔與孤島運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)切換，有效控制微電網(wǎng)再生能源發(fā)電滲透率達(dá) 20%(裝置容量達(dá)40%)，提升國家能源安全、開發(fā)新興國家市場與加入先進(jìn)國家市場供應(yīng)鏈，同時創(chuàng)造綠色就業(yè)機(jī)會及能源新興產(chǎn)業(yè)的契機(jī)。

目前，核研所已完成建置國家級首座一百(kW)級自主式低壓380伏特(V)微型電網(wǎng)示系統(tǒng)及測試平臺(圖1)，提供產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)單位、研究機(jī)構(gòu)、電力公司等進(jìn)行研究與測試，并發(fā)展微電網(wǎng)相關(guān)核心技術(shù)，包含能源電子、電力系統(tǒng)、智慧控制與能源管理、電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)與應(yīng)用工程技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)。

微電網(wǎng)經(jīng)由靜態(tài)開關(guān)與市電懔，當(dāng)內(nèi)部發(fā)生故障或外部市電故障時，靜態(tài)開關(guān)運(yùn)用主動式孤島偵測技術(shù)，快速確認(rèn)故障并完成隔離動作;而儲能系統(tǒng)藉由雙向功率轉(zhuǎn)換器(圖2)連結(jié)微電網(wǎng)電力R流排，于一個周期內(nèi)，由電流源快速轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定電壓源，提供能量給予負(fù)載使用。

圖1 雙向功率轉(zhuǎn)換器裝置構(gòu)造圖

當(dāng)靜態(tài)開關(guān)跳脫瞬間，微電網(wǎng)電力R流排電壓將驟降，此時分散式電源搭配具實(shí)、虛功率控制及低電壓穿越功能(LVRT)的再生能源電力轉(zhuǎn)換器(圖3)，仍在可容忍電壓圍內(nèi)，持續(xù)與微電網(wǎng)的電力R流排連接，使微電網(wǎng)內(nèi)部持續(xù)供電，達(dá)成市電懔模式與孤島運(yùn)轉(zhuǎn)模式間之平穩(wěn)切換。當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部故障排除或外部市電恢褪保靜態(tài)開關(guān)判斷市電正常，則利用雙向功率轉(zhuǎn)換器調(diào)整實(shí)、虛功率輸出至微電網(wǎng)電力R流排，當(dāng)內(nèi)外部的電力R流排電壓、頻率同步后(圖4)令靜態(tài)開關(guān)閉合，微電網(wǎng)再重新閫。

圖2 具實(shí)虛功率控制及低電壓穿越功能的再生能源電力轉(zhuǎn)換器

圖3 微電網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)重新閫的內(nèi)、外電網(wǎng)電壓同步波形。

目前核電所微電網(wǎng)已完成前述具主動式孤島偵測技術(shù)的靜態(tài)開關(guān)、實(shí)虛功率輸出控制的雙向功率轉(zhuǎn)換器、電流源轉(zhuǎn)換電壓源平穩(wěn)切換技術(shù)，及具有低電壓穿越功能的再生能源電力轉(zhuǎn)換器等設(shè)備開發(fā)及功能測試。

有別傳統(tǒng)電網(wǎng)微電網(wǎng)電力系統(tǒng)大改造

微電網(wǎng)內(nèi)部包含再生能源系統(tǒng)、分散式電源，如微渦輪機(jī)、燃料電池及各類負(fù)載組成，當(dāng)處于孤島運(yùn)轉(zhuǎn)時，其電力潮流方向、系統(tǒng)暫態(tài)現(xiàn)象、電力品質(zhì)分析及保護(hù)協(xié)調(diào)機(jī)制，均與傳統(tǒng)電網(wǎng)的需求不同。

目前核研所開發(fā)的微電網(wǎng)叁相潮流解析法，適用于低電壓、高R/X比的叁相不平衡系統(tǒng)或電壓控制型R流排過多的微電網(wǎng)系統(tǒng)，不論于微電網(wǎng)在閫或孤島運(yùn)轉(zhuǎn)下，皆能保持強(qiáng)健性及快速收斂、求解的效果。另外，為分析微電網(wǎng)閫、孤島及N-1事件時的系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)，核研所亦已建立高聚光太陽能電池(HCPV)、風(fēng)力機(jī)組、電力轉(zhuǎn)換器及電子負(fù)載等微電網(wǎng)細(xì)部元件的數(shù)學(xué)模型。