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2014年10月30日 星期四

智慧電力系統(Smart Power System)

Author:Maxwell Chen  陳世芳
Version:1.0, 2014/10/30

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為了因應新時代的電力需求,整合綠色再生能源(Green Renewable Energy)進入電力系統,達到永續社會(Sustainable Society)的目標,世界各國的領導電力公司(Dong Energy, PJM…etc.)正積極升級傳統的數位電力系統(Digital Power System)成為智慧電力系統(Smart Power System)。完整的電力系統包括六個部分:發電(Generation)、輸電(Transmission)、配電(Distribution)、用電(Utilization)、儲電(Storage)與電力調度(Power Dispatching)



電力(Power)是能源(Energy)的一種,在國際能源總署(International Energy Agency, IEA)的定義裡,初級能源包括煤炭、石油、天然氣、核能、水力、生質能、再生能源等七大類。其中,再生能源包括陸上風電、離岸風電、地熱發電、太陽(伏打)能、聚光太陽熱能(CSP)、洋流發電(Tidal Power)、波浪發電(Wave Power)與其他再生能源。
初級能源能夠透過轉換成為更方便使用的二級能源,包括電力、精鍊燃料(refined fuels)或合成燃料(synthetic fuels)。氫燃料、甲醇、乙醇一般被視為二級能源。
(Source: World Energy Outlook 2013, IEA)
能源的計算單位為toe,也就是燃燒一噸石油所產生的能量(41.87 GJ),亦相當於10 G calorie(卡路里)11.63 MWh (千度電)。非再生能源(non-renewable energy)包括化石燃料(fossil fuel)與礦物燃料(mineral fuel),前者包括煤炭、石油與天燃氣,後者則是鈾燃料(Uranium)
核能發電是一種低碳能源(low carbon energy),但是否屬於綠色能源,迄今存在許多爭議。某些人認為,核廢料再處理之後用於發電,這種形式的新核電可以稱為綠能。反對者認為核廢料終究還是存在,不可能永無止境再生,且核災事故對於環境的影響廣大且深遠,因此核電不能算是綠能或永續能源(sustainable energy)
核能並不能算是綠能。維基百科定義綠色能源是對自然界最少污染的能源。污染應該包括發電中產生的污染(發電污染),以及發電廠事故產生的污染(事故污染)。核能發電的事故污染,遠遠超過其他的再生能源,因此核電並不符合綠色能源的定義。

輸電系統(Transmission System)通常具備長程與高電壓的特性,有別於短程與低電壓的配電系統(Distribution System)。技術上,高壓直流電(HVDC)具備低線路損耗(線損)與高功率的特性,優於高壓交流電(HVAC),目前超過500公里的距離,HVDCHVAC更具低線損的優勢。在陸地長程輸電網的應用上,HVDC使用比較少的土地面積(33-50%),比較少的銅導線材料(67.5%)
隨著技術進步,HVDC在短距離的成本與技術優勢逐漸顯現。2013年台電平均線損約4.25%(HV&LV AC),第四代的HVDC Light,已經能把線損降低到1%,並且早在2010年取得測試數據,在2014年正式運轉於德國的DolWin 1計畫,負責將北海Borkum West II離岸風場的電力,透過7.5公里的AC電纜傳送到DolWin Alpha的海上變電所,然後使用HVDC Light運送到德國陸地。這是全世界第一套320KVHVDC Light系統,總輸出功率800MW。總長度165公里,其中,75公里為海底電纜,90公里為地下電纜。
輸配電的分界點,每個電網公司的定義不太一樣。以台電公司為例,發電廠輸出345KV HVAC的電力,到達超高壓變電所(Extra High Voltage Station, E/S)轉換成161KV HVAC,輸送給一次變電所(Primary Station, P/S)、一次配電變電所(Distribution Substation, D/S),或者是給特高壓工業用戶使用。P/S輸出69KV給二次變電所(Secondary Substation, S/S)或特高壓工業用戶。S/S輸出22.8KV11.4KV給高壓用戶或是路邊常見的亭置式變壓器。亭置式變壓器的輸出則是110V220V給低壓用電戶使用。台電公司對於配電的定義是二次變電所(S/S)之前或一次配電變電所(D/S)之後。用一個比較不科學的定義,69KV以上為輸電,69KV以下為配電。
(Source:台灣電力公司)
工業用戶的電力需求龐大,為了節省成本,會直接使用161KV69KV的交流電,在場區內進行變電使用。而商業用電戶,如購物中心、辦公大樓、車站等,則使用22.8KV11.4KV。一般用戶則使用220V110V
GE建議在各級電力轉換裝置(電廠、變電所、變壓器)都安裝合適容量的儲能電池,用來穩定電網系統。Xtreme Power (已被德國Younicos Inc.公司併購)的儲電系統,可以讓尖銳的風電輸出功率,變得平滑。在風力發電廠配置儲能電池,好處在於:(1)減少發電功率變異;(2)最佳化資產價值;(3) 修正電力輸出以滿足需求。
(Source: Xtreme Power Inc., http://www.xtremepower.com/ )
丹麥的電力系統證明智慧電力系統確實存在,且運作無礙。電力調度的主要功能在於平衡負載(用電)與發電。新的觀念認為基載電力並非必要,透過智慧電力調度技術,依然可以平衡負載與發電。下圖是丹麥的電力需求與發電曲線,可以看到僅管風力發電有不穩定的狀況出現,丹麥電網仍然成功地平衡負載與發電,主要透過傳統的集中式發電廠、跨國電網、地區的汽電共生發電廠、太陽能所補足。電力需求的預測十分困難,可能還難於風力發電預測,因此發電量與用電量的數字不一致現象,時常發生。發電量過多時,電力調度會阻止過量的電進入電網,發電量過少時,電力調度會使用跨國電網來補足電力,但是從電網的角度來看,還是平衡的。
根據ABB的研究,傳統的晶閘管(Thyristors)的反應時間(cycle times)太慢,不利於快速調度電力,正逐漸被高速的絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar-Transistors, IGBT)元件所取代。晶閘管的好處是容易做到高電壓(8,500V)與大電流(12,000A)。傳統矽半導體的IGBT約可以做到400-6500KV,新的SiCGaN技術,則可以達到更高的電壓。
PROFINET是一種電力常用的通訊協定,主要優點在於高速即時通訊,反應時間可以達到1ms(毫秒),近日Siemens公司更加此技術提升到0.25ms。標準的PROFINET有三種等級:(1) TCP/IP100ms(2) Real Time(RT)10ms(3) Isochronous Real Time(IRT)1ms。西門子這次推出的0.25ms新技術,預計應用在風力發電機與其電力系統上,目標是希望風電能夠成為智慧電力系統的基載電力。
智慧電力系統的佈建,預計將大幅提高綠色再生電力併網的比例,歐美的電力公司普遍認為30%(發電量)使用綠色再生電力,從技術與成本的角度來看,不成問題。台灣目前還不到3%,未來還有很大的發展空間。透過新的HVDCHVACIGBTPROFINET等智慧電力調度技術,在某些個案,已經可以達到某個時段100%使用綠色再生電力的目標,丹麥的電力系統已經實現這個夢想。未來,100%使用綠色再生電力的時間將逐漸增加,一年總共有8,760個小時,也許初期只有幾十個小時,慢慢增加到數百個小時,最後是數千個小時。這樣的發展雖然需要一點時間,但是指日可待。讓我們一起迎接智慧電力系統的新時代。