Version：1.0, 2014/10/30
https://www.facebook.com/maxwellventureservice
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)或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，HVDC比HVAC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(約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320KV的HVDC 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22.8KV或11.4KV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110V或220V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161KV或69KV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22.8KV或11.4KV。一般用戶則使用220V或110V。
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SiC與GaN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/IP：100ms；(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HVDC、HVAC、IGBT、PROFINET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。
沒有留言:
張貼留言