2021.02.05 - 焦點話題

【離岸風電第7期】獨立電業監管機制 邁向臺灣智慧電網新紀元 By Xin-en Wu 吳心恩

 

  

採訪、撰寫/吳心恩

  

發電及輸配電設備的供電能力,在不同的時空背景及政策考量下,會被能源政策執行者或電網實際規劃調度者重新估計,其實可以理解…」課堂上,總是能用平易近人的詞彙解釋複雜的電力系統,現任中山大學電機工程學系教授的盧展南侃侃而談。一輩子以工程師的角色努力培養大電力人才,擔任政府單位、研究單位、公司及電力公司顧問,參與各項重大電力建設諮詢,曾擔任臺灣電力與能源工程協會創會理事長的盧展南,很早就看到全球再生能源使用的趨勢,也看到了再生能源對當時,甚至是對現行臺灣電力網的衝擊和問題。   

配合政策 鼓勵投資 提高技術性規範 在臺灣 三者相互配合抑或是相互牽制 ?  

 

現行政府公告 50/30/20 總發電量配比 ( 天然氣占總發電量之 50%,燃煤占 30%,再生能源占 20%),然而,為了落實政府所訂出來的規定,也就是為了滿足再生能源發電配比 20%的政策要求,一方面,能源局 / 台電必須積極鼓勵再生能源業者開發達成目標,另一方面也不太敢甚至無法在技術層面多做要求,因為對技術規範多做要求可能會讓開發商的開發成本增加致使投資意願降低。  

 

現行臺灣的再生能源系統併聯要點辦法裡面,盧展南發現,對於系統技術要求臺灣與歐美規範有很大的落差。「這些規範牽涉到電力系統的穩定性。幾年前,我們面臨到的情境可能只是少數風機、幾個太陽能發電模組,電力併進來,即使變動,對於區域的電力系統運轉影響不大。可是現在離岸風場與大的地面型太陽能案場已經在建置,我們面臨到的等於是一個區塊或另一個區塊的電力容量,每一個區塊規模很有可能就是一個現有電廠機組的容量,1,000~2,000MW(1GW~2GW) 這樣的一個建置規模,即使各風場由不同開發商進行開發,但最後這些風場的電纜會併聯到變電所,這樣規模的併聯容量若有變動,對系統的衝擊和影響就大了。」盧展南表示。  

 

就系統運轉面來看,再生能源本身相對於傳統發電的方式而言是具有變動性,常被批評或被視為「麻煩製造者」,這會產生一種迷思,認為裝置多大的容量,就一定要準備相同的備用或備轉容量去滿足中間的變動,但其實常被拿來當成政治操作的工具或錯誤的口號。  

 

「台電本身也意識到規範要求的必要,但回到政策層面去考量,既要達到政策目標,又要鼓勵人家來投資,等於鼓勵之餘又設定很多限制,或是運轉技術的需求,如此推動投資計畫的效率就不會高。」盧展南認為。  

 

現行臺灣電網的規劃、運轉與管理幾乎由台電全權負責,台電雖有逐步開放相關電業資料,但電力系統的即時資訊、外部成本、可靠度、供電瓶頸因應對策及調度輔助服務及未來棄風棄光規則等系統運轉資訊,外界能獲得的資訊相當有限,參與度不高。而電力調度時常卡在安全性、運轉成本、備轉容量燈號、政治議題矛盾之間,因為資訊透明度不夠高,容易出現爭議。  

 

再生能源運轉規劃第一步 : 好的預測 好的調度  

 

盧展南認為,解決綠能造成的問題可以分成三個層次探討。「第一,電力公司,或者是說獨立的系統調度機構 ( 在美國和歐洲及其他電業自由化的國家,其電力都是由獨立的系統調度機構調度 ),如果系統調度機構可以做好的預測、好的調度,再生能源併網的影響,不是我們想像般地那麼嚴重。我們往往看到報紙,看到評論者說,再生能源就是太陽一下山,電力就沒了。太陽會下山沒有錯,可是重點在於我們知道太陽什麼時候下山,也就是說,透過供需預測、機組排程和機組的調度,我們可以明確知道太陽下山前電力供需的狀況並有因應,並不是說下一秒太陽光電力就瞬間變成零,這就是調度需依靠好的供需預測。」盧展南表示。  

 

盧展南強調,電力供需預測如果能夠做好,再生能源電力的「變動」,對系統的影響其實是可控的。甚至,如果使用 Smart Inverter( 智慧換流器 ) 技術,再生能源不僅不再是麻煩製造者,還能進一步協助現行電力系統調度。「過去,軋鋼廠用電會使用電弧爐,電弧爐是利用很大的短路電流所產生的熱去融化廢鋼,在短路的過程中,電流會有非常快速的變化,進而導致功率產生很大的變化。對於變動性用電,台電會限制大煉鋼廠瞬間用電變動所造成的電壓變動不能超過某一個限制。過去,對這種變動性的負載,是加裝一些設備去降低那些變動,同樣道理,再生能源和離岸風電所造成的變動同樣可能會超過電力系統可接受的範圍,五年,甚至十年前,早在美國和歐洲這些國家,會由獨立的電業監管單位,針對變動性對系統的影響提出規範,甚至在系統產生擾動的時候,要求再生能源電廠進行調度協助,進而穩定系統的正常運轉。」  

 

在規劃再生能源的發展,面對電力變動性的問題,首要考量即是做好的預測以及做好的調度,降低變動性的影響,這是第一步。

 

 

  

 

併聯技術要點 針對降低變動的措施加以規範

 

良好的再生能源規劃,其第二步就是從併聯技術要點裡面好好規範「必須規範」的要求。現行電網併聯要點欠缺針對降低對輸配電系統衝擊所需的實 / 虛功率控制及對輸出變動率加以管制。「規範的核心並不是去阻止『變動』,而是指當變動超過某個程度,我們可以根據國際的標準,也就是國際通用的技術,制定規範,讓整個系統參與者跟據共同訂定的規範降低擾動造成的影響。不管是從電網買電或者賣電給電網,針對變動擾動對系統的影響加以規範。這是第二步」。  

 

輔助服務市場甫開放 挑戰在於如何有效管理和監控

 

第三步即為輔助服務市場的開放和管理。台電今年甫推出「輔助服務及備用容量交易試行平臺」。過去台電調度傳統大型機組維持電網穩定,為了累積經驗,台電推動「輔助服務及備用容量交易試行平臺」,預期透過試行平臺,由自用發電設備設置者、需量反應提供者,以及儲能設備擁有者相互競價,提供穩定電網所需之調頻備轉容量調度輔助服務。而在電業法規定的廠網分離之後,台電原有發電機組如何與輔助服務市場參與者競價,球員與裁判角色的衝突或將浮現。

 

「電力系統運轉的關鍵就是保持頻率和電壓的穩定,也就是實功虛功電力必須供需平衡。過往電力運轉的思維在於 : 我容許你有變動,我也容許負載有部分的變動,當這些變動如果是在我的電力系統,也是在我自己可以調校的範圍裡,讓運轉維持在某一個頻率範圍沒有問題,但問題是當變動因子占比越來越高,例如在春節回娘家的時候,如果剛好系統用電最少,而太陽能和風力均有很大輸出的時候,那一瞬間,再生能源電力輸出量的占比可以達到 20% 或更高,像美國德州今年初就有達到 60% 的紀錄。想想,60%,如果全部的電量都是變動電力,這樣的變動對系統的衝擊就很大,所謂電力的輔助服務就是去買一個『彈性備轉容量服務』,來降低這些實功和虛功不平衡所造成的衝擊。」盧展南進一步解釋。  

 

首先,電力公司針對再生能源進行好的預測,再者規範設備或是系統商降低變動的程度,進而透過輔助服務降低其所造成的不平衡影響。上述三種方式,可以說是一種以結合安全、經濟和彈性調度的思維,因應再生能源可持續發展和控制電力變化的機制。

  
獨立電業監管機制的必要  
 
整體瞬間大量變動是再生能源常為人所抨擊的觀點,再生能源屬於分散式電源,分散的好處就是當產生變動時,是個別在變動,不是整體一起同時變動。「其實,如果仔細觀察目前扣除再生能源發電需由傳統機組供電的曲線,也就是 Net Load( 淨負載 ),當中的變化並非我們想像的那樣大。再生能源,也就是自主能源已經是國際公認未來能源的趨勢所向,當然不可能永遠不去發展。在美國德州,不管是再生能源也好,是燃煤也罷,獨立系統調度機構均一視同仁。然而在臺灣,因為綠電先行,似乎享有一定程度的優先或者優惠條件,當系統碰到問題,我可以調整別的電力系統設施或發電出力,只為了讓再生能源開發商優先繼續賣電,但這在很多的國家並不會出現如此情況。未來再生能源占比高以後,誰來決定誰可以優先被調度 ?」盧展南表示。  
 
另外,綠電開放,代表電不一定要賣給台電。盧展南表示,以前發電統一賣給台電,出了問題台電自行處理,虧損也是算台電的,然而現在,不僅如台積電等高科技廠商需要綠電,往後越來越多公司均有綠電購買需求。現行臺灣有很多再生能源案場可以利用台電既有的輸配電線路代為傳輸其電能,也就是電力代輸的觀念,當系統電力潮流產生問題時,例如線路超載,台電為了避免事故發生,可能會要求某些案場必須降載,不准用戶輸 / 賣那麼多電,但「判定系統可能超載」以及「系統安不安全」這兩件事情到底又由誰決定呢?  
 
「今天電力公司有自己的發電機及民間獨立電廠發電,現在又有了廠商的風機或太陽能案場發電,若是碰到系統發生壅塞,如何調度 ? 所謂壅塞是指線路本來可以承載這麼多電流,但有時系統會有事故發生,例如輸變電設施被雷打到,如果這條線路不見了,按照物理定理,電流的流動可能會跑到其他的線路上面,當其他線路電流超過其可以承載的程度,電線會垂下來,冷縮熱脹的道理。電線垂下來有時候會碰到下方的樹或障礙物,國外有很多電力事故或大停電往往就是這樣造成的。」盧展南進一步說明,「為了要避免線路超載,突然有人跳出來說 : 那你 ( 廠商 ) 就不要發電,或者說,突然要求廠商降載 50%,問題來了,50% 是誰決定的?可能不是只有一種方式,或是限制單一地點發電量可以改善超載,可以有更好的方式,例如同時使兩三個電廠降載部分,皆可以平衡電流或降低超載,這機制由誰來決定?台電公司 ?」盧展南提出了疑問。
 
2019 年電業法修法規定電業管制機關的設立有其必要。盧展南表示,1999 年的 729 停電事故國內外調查小組報告,2017 年 815 電力系統總體檢報告,有關成立獨立專業的電業監管機構的建議,多年來一直未獲政府採納「目前電業的監管相關業務,政府權責部門大都以研究計畫為名,委由各法人機構、智庫在執行公權力。而法人機構、智庫及其相關執行委員會的組成,長期固定封閉、過程較不透明、專業及公正易受質疑,影響電業正常發展。」盧展南說道。面對電業自由化的目標、電業的開放、電力生產效率的提升、用戶和綠電及電業的權益、電網安全運轉效率及球員與裁判的分際,若無獨立且專業的電業監管機構,進行電網規劃與運轉標準的擬訂,電力市場及日常供電品質和可靠度的監管,恐將導致許多紛爭,影響供電穩定。
  
其實不僅是再生能源發達的歐洲,美國和亞太鄰近的日本,均有獨立的電業監管機構。舉日本為例,2015 年成立「跨區域間輸電調度協調機構」(Organizationfor Cross-regional Coordination of Transmission Operation,OCCTO),其主要工作不僅包含統整供需計畫、系統規劃、於平時與非常時期調整電力供需及公開電網系統資訊外,更有修訂限電制度的權限,具事先協調及警告之功能,有別於從前只能直接命令限電,不從則處以罰鍰情況。  
 
台電不僅為綠電最大的購買者,自己本身也可能是最大的再生能源發電業者,又身兼電網及輸配電調度,種種身分,誰又能監控電業機制本身的運作、電力系統的運轉以維持系統穩定的安全性 ?「如果注意看,不管是電業法也好,電力調度要點也好,在調度的規則上面一定說 : 基於安全的考量下台電可以要求必要的調度。但所謂安全性的定義是什麼?賣電的時候,或是說藉由台電的線路代為傳輸電能的時候,在什麼樣的情況,廠商必須降載 ? 由誰來決定 ? 又由誰來監控這個過程 ? 臺灣沒有一個獨立的監管機構去監控、決定甚至進而分析上述這些情境和做資料蒐集。一個專業的電業獨立機構不僅僅是監控所謂的綠電市場,而是站在積極主動的立場,管理所有包含電力系統的安全、設計以及輔助服務市場和兼顧機組調度的效率,如何在符合系統最經濟的情況讓電網順利運作。」盧展南說道。  
 
「將來再生能源市場會越來越大,台電自己本身就是球員,但規範也是台電訂的,以考試用的 A 卷和 B 卷為例,當國外頻率調控用高等的規格,也就是 A 卷為自己的電力系統調頻效能評分時,台電自己用的是 B 卷且自己打分數。另一個迷思也在於,相信包含政府也覺得 :電力的事情就交給台電去管。過去,我們可以所有東西都賣給台電,台電就是要責,台電就是不能斷電,如果真的發生全國性大停電,就是台電的總經理或董事長下台,再不行,就是經濟部長下台,都是這樣。可是這太被動,如果平時就訂出好的規則,調度單位按照規範進行調度,有另一個機構監控調度效率,當出現問題時,並不是說誰就要下台負全責,而是有機制去追溯問題的發生和規範影響的範圍。」盧展南說。  
 
再生能源也常與智慧電網放在一起討論,但不是掛上智慧二字就代表智慧。盧展南也提到,未來會發生的問題,現在就要設法去想像,設法去解決,智慧電網的概念並不是說裝了許多精密的 Sensor 或通訊設施,才想這些設備可以解決什麼問題,應該反過來才是。「智慧電網的發展是因應分散式電源的發展,為了解決當前的問題而開展。有了目標的成,自然就會去想 : 我可以用什麼技術去解決或達到它,而不是反過來。智慧電網總體規劃執行十幾年過去了,但我們都是 : 裝智慧電表、自動開關、數位電驛,建立資料中心及通訊設施。如果你挑戰台電說裝置的效果如何,它會給你裝置的數字。就算我的變電所全變成數位變電所,錢花下去裝了許多,問題是那些裝置能否確實運轉 ? 運轉效益為何?如果我們把未來的問題的想像先定義好,然後用適當的技術、適當的設備去解決這個問題,這樣可能會比較有效率,而不是說裝了一大堆先進設備後,我們再來想 How tomake it work。」 盧展南道。  
 
他進一步舉配電自動化為例。所謂配電自動化不是因為智慧電網這件事情才做的,配電自動化的目的是要降低停電的時間,當故障發生,迅速從故障點的左右兩邊隔離起來,讓配電線路的上下游用戶能夠儘快復電。他表示 :「配電自動化已經做了二十幾年,也裝了不少所謂的自動開關,但如果去問台電 : 某某一次停電是多少時間?得到的回答通常是四十或五十分鐘。這不要緊,但配電自動化號稱 70% 的配電線路都已有自動開關,那是否要告訴我這 70% 的配電線路裡面,有哪部分的故障導致停電的時間降低或拉長了 ? 不然每次都是停電四十或五十分鐘,靠人去找位置,再去進行開關的切換,是否代表裝設的自動化開關並沒有發揮它應該要有的效益 ? 這些設備實際上解決了什麼問題 ? 僅是上頭說,你要叫我裝我就去裝,然後衝數字 ? 一條配電線,我裝了一兩個自動化開關,現在裝到 70% 的配電線都有自動化開關了,很好,問題是裝完以後,我期待看到的數字是 :有 70% 的用戶現在的停電時間比以前短。如果深入去追查這些數字,其實過去事故很少有精確的區段停電紀錄。於是,我們去年建議台電建立一套系統,要自動記錄每次停電事故各區段的停電時間。」
 
「我們訂出了許多政策目標,這很好,但訂完以後是不是會去落實 ? 是否有持續的追蹤 ? 如何去落實都是問題,很有可能當初定這些目標的人都已經退休或高升了,如果機制建構好,藉由獨立的監管單位每一年將發、輸、配電資料固定調閱出來檢視系統的運轉效率,電力的穩定性也就建構出來。」然而盧展南也提到另一個可能會發生的問題 :「獨立的電業監管機構也有可能被變相轉為無法具體發揮監管功用的單位,例如委員會,就像是電價審議委員會。委員會要成立很簡單,但關鍵在它發揮了什麼功用 ? 電力可靠度審議會也很好,既然設立了,就好好發揮監管的功能,我想強調的是獨立電業監管機制該發揮其監控、預測和分析等該有的機制和作為,還有願意公開資訊,讓別人參與電力調度的管理,大家彼此相互學習了解,這對整個電力系統運轉才會是比較健康的情況。」盧展南特別強調。  
 
備用容量率淪為政治口號產物 民眾如何有感 ? 從需求面去管理
 
臺灣很多時候,政治凌駕專業。舉備用容量率來說,現行政府高層要求台電必須達到 15% 或更高的備用容量,已顯示臺灣不缺電。「備用容量率是指在這年中最尖峰用量基上再往上增加多少百分比的備用電力。過去經驗最高用電是逐年增加,15% 的備用容量率等於每年必須於基準線上再多準備 15% 的備用電力,但這備用電力很有可能一年所用時間不到 50 天,這就好像你多買一個發電機,多建一個發電廠,但一年只用五十天的概念。傳統發電機有最低輸出限制,白天如果再生能源多的時候,你必須透過降載甚至離線去維持供需平衡,再於需要的時候調上來,所以說,部分機組容量一天裡面可能只有不到三分之一的時間運轉,再繼續換算,一年不到三分之一的時間用到,加上每年一直往上疊加 15%甚至 18%,若增建這些新的備用容量電廠沒人反對,而持續在現有廠址增建更大更多機組會不會有電源過度集中的風險?政治人物喜歡用一個簡單的數字,來向民眾說服或解釋複雜的概念,然而不停電要如何落實,他們並不一定了解。其實有很多策略和方法可以使用,但政治人物卻將其當作唯一的策略 : 也就是蓋基載電廠,為了達到再生能源 20% 的供電及台商短期回流不缺電 ( 綠燈 ) 的目標,我們要蓋許多傳統電廠保證提供 15% 的備用電力,這不是本末倒置?尖峰用電量是逐年成長,並不是說只有蓋電廠發電一途,而是從需求面去管理,未來的儲能系統,或者從其他不同的方式去進行資源整合規劃。從需求面管理其實是最省成本,而且才會是民眾有感的方式。」盧展南強調。  
 
 
  

 

 

從需求端管理電力調度的概念是「電力承載順序(Loading Order)」的首選。盧展南表示,最早,電力承載順序一詞於加州 2003 年的能源行動計畫 (Energy ActionPlan) 被提出,當時因人口和經濟大幅成長,帶動了電力需求增長。然而為兼顧環境、經濟、能源的3E均衡發展,也為加州提供可靠、價格合理且環境友善之能源供需系統,進而降低電力部門對氣候變遷之影響,2012年1月,加州能源委員會 (CEC) 通過「電力承載順序」的潔淨能源政策,為電力公司的電源發建立優先列表,並要求三大民營電力公司須從此列示資源中獲取一定採購量。「電力承載順序」政策,將電力資源選項做了以下優先排序:能源效率和需量反應;再生能源和分散式發電;當上述資源仍未滿足電力需求,選擇設置污染較低且效率較高的化石燃料發電。  

 

盧展南舉例 :「例如智慧電網一個重要的元素是民眾可以參與,例如台電今天幫我裝了智慧電表,然後設計一些電價費率,例如太陽很大的時候我用電不用錢,我馬上就有感覺了,而當下午四五點太陽下山的時候,白天用不完的電力可以透過儲能系統加以利用,當今天電費的機制設計完善,當電過度充裕的時候,就採取負電價,民眾用電,電力公司反而支付電價,歐洲和德州自由化的電力市場都有相關機制。基於系統安全及運轉的需求,如果在需要綠電降載時刻,當民眾想要或是願意用電,就進行智慧用電,建立彈性用電資源,電力公司支付費用。這樣的機制不僅是智慧調度的體現,也與電力調度的效率相關。」  

 

國外有許多電力策略和管理機制強調能源管理的效率,然而臺灣的電力策略卻始終圍繞在備用電力 15% 或者備轉率綠燈 10% 這種傳統供給面的思考上。盧展南 :「綠燈指的是說,在電網即時運轉時為了避免突然有一部發電機跳掉造成瞬間電力供需不平衡電力系統頻率的下降,我必須要趕快調度另一台在線上出力的發電機增加發電量將頻率撐上達供需平衡。但一年之中可能只有十幾次的跳機事故,而且許多的跳機電量大約在 600MW或頂多 1,000MW。綠燈 10%,代表我今年要多準備3,800MW 未發電的機組容量在線上低效率發電,以因應可能的跳機,這才叫做綠燈,這才叫不缺電嗎 ? 好的電力策略是從需求面出發。歐洲、日本為了要滿足 2050碳中和目標,第一步就是要求能源效率 1。適度的備用 /備轉容量維持供電持續是必須的,但以增建傳統機組過度強調 15% 的備用容量率以及綠燈 10% 的備轉容量,恐怕不是環保團體及一般老百姓樂見的政治主張。」  

 

電網人才逐年下降 智慧電網是契機

 

「電網人才的訓練在臺灣越來越少,且台電公司對電力人才培育也不足。」盧展南語重心長的說 :「很多國人都將台電視為穩定的工作,基本上只要考試通過就好,也不會限定科系,很多人是進了台電以後再去訓練。但現在不是只有台電需要電力人才,現行進來的綠能開發商及用戶群代表和智慧電網產業也需要這些人才,在人才的培育上,教育部或者是說政府單位包括台電,如果能夠針對電網人才的培育和訓練再去強化,對整個能源轉型和能源的發展會有很大的助益。電網安全運轉其實包含電力系統的分析、穩定度和可靠度等,電網技術雖然是存在很久的技術,可是它蘊含了許多學問,因為裡面牽涉到很多的物理定理和數學,電網和輸配電背後的運轉,不管是穩定度、可靠度或電力潮流等等,都是要經過數學的運算。」盧展南說。  

 

盧展南表示,過去的教育政策及產業發展使很多學校的電力組招生並不樂觀,能源轉型及智慧電網的開展,造成對電力專業工程師的大量需求。未來電力能源人才需要逐年拓展。「因應產業及環境的快速變化,不管是台電也好,政府單位也好,不能說人進公司了再去訓練人才,應該由大學正規教育主動幫社會及產業訓練電力專業人才,以後碰到電力相關的問題時,才不會雞同鴨講,而在推動各種能源政策,在政策的解釋上面也都會比較順利。」盧展南認為。

 

註 1 2020 年 8 月 7 日,歐盟委員會發布了《歐盟能源系統整合戰略》,以實現《歐洲綠色協議》的目標,首先建立一個更加循環的能源系統,其中不浪費任何能源,並且首先要考慮能源效率。其次,使用可再生能源生產的清潔電力。第三,在包括重型運輸和工業在內的難以減碳的行業中推廣包括氫在內的可再生和低碳燃料。

 

 

封面故事
No.10
國海院打造認證標準培養人才 落實運維本土化讓產業永續
By 主訪/ 吳心恩 撰寫/ 施美旭、劉佳瑜
海洋委員會之國家海洋研究院(以下稱國海院)於2019 年成立,作為海洋委員會的所屬機構,國海院負責海洋政策規劃、資源調查、海洋科學研究產業及人力教育訓練、管理認證等業務,其目標為讓大眾瞭解我們所處的海洋環境,以及讓臺灣周邊的海洋資源能被善用與善待。而離岸風電就是依靠海洋資源發展的產業之一,本次專訪國海院邱永芳院長,一探國海院在離岸風電產業中所扮演的角色與如何協助產業發展。
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