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造夢工程:七美「智慧微電網示範系統」上路

2019/02/13 |採訪撰文╱謝惠子 點閱人次: 1058

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二期計畫200kW之太陽光電系統
圖片來源╱台電

能源轉型再添一樁!科技部與台電攜手,完成澎湖七美綠能園區「智慧微電網示範系統」建置,將整合太陽光電、風力發電及七美發電廠的柴油發電機,希望達到綠能極大化,預計2019年綠能發電量可占七美年用電量的43%,並省下柴油發電成本約新台幣5千萬元。


佇每一個人的胸坎
存在著水平線
沒給污染的海洋
悠遊佇裡面的魚仔

――摘錄自李敏勇〈記憶〉小詩


詩人李敏勇書寫的〈記憶〉一詩,描述人們對於島嶼上海洋及原野的美麗記憶,但人類卻破壞了自然景致的和諧,導致氣候災難頻仍。為此,全球積極往綠能發展大步邁進,希望透過能源轉型與節能減碳為地球降溫。

在我國落實「能源政策綱領」及推動綠能的腳步中,科技部亦展開第一期(NEP-I)及第二期(NEP-II)「能源國家型科技計畫」(National Energy Program Phase, NEP),以能源供應安全、強化能源使用效率及發展潔淨能源為計畫願景,構築能源轉型之路。

當中有關「智慧電網」關鍵技術的發展與落地生根,以「離島先行」概念來進行。從第一期NEP計畫就投入參與、受到台電十分信賴及倚重的義守大學電機工程學系陳朝順教授表示,科技部與台電攜手,選定在澎湖縣的七美鄉建置離島智慧微電網示範系統,並與義守大學團隊共同合作執行。

「七美智慧微電網建置屬於NEP-II計畫的一部分,該計畫強調產官學合作,並帶動相關技術發展及建立起產業鏈,尤其又有機會能夠在台電的電力系統裡實地進行測試驗證,與一般學術性的委託計畫大不相同,就算是在國外也很少見。」陳教授一語道破七美「智慧微電網示範系統」的特殊性與重要性。

陳朝順教授分享建置七美智慧微電網系統的重要性
攝影╱鍾嘉雯

微電網「離島先行」,七美樂當領頭羊

七美有將近4千位的居民,年用電量約780萬度,島上用電主要仰賴七美發電廠4部柴油發電機組(裝置容量各1MW)供應,每度發電成本遠高於平均售電價格,因此很適合發展在地綠能與微電網。

「目前政府大力推廣綠能,假使2025年綠能占比要達到總發電量的20%,這意味著未來電網中將併入大量綠能,屆時電網的供電穩定性相當關鍵,因此選擇七美做為微電網的示範點,一來著眼於離島的每度發電成本較高,二來七美算是澎湖的第5大島,屬於獨立型的電網規模也夠大,在這裡追求綠能併入極大化與分散式在地能源發展,極為合適。」陳教授說明,智慧電網中包括綠能併入的控制技術,如果可以在七美先行驗證並建立起來,後續將經驗複製回饋到台灣本島上就更容易了。

七美夏天豔陽高照、冬天寒風強勁,擁有絕佳的太陽能與風力發電發展條件,所以台電自2010年起,開始在占地2公頃的七美園區中設置太陽光電系統,第一期計畫已建置155kW的裝置容量,第二期則再增設200kW,現階段年發電量約可達到48萬度。

不過要將產生的綠能併入既有的電網裡供民眾使用,尤其太陽能與風力發電有間歇性問題,實是一大挑戰。有鑑於此,台電配合NEP-II計畫,提供七美離島電網做為示範實驗的起點,結合產官學能量共同打造「七美綠能園區」,希望可以建構出自給自足的綠能微電網,除了解決綠能併網的問題,也驗證前瞻技術如智慧變流器等之可行性,然後就能廣為複製推行,逐步實踐「低碳家園」願景。

七美智慧微電網示範系統
圖片來源╱台電

麻雀雖小,「智慧」俱全

七美「智慧微電網示範系統」已於2018年5月完成並啟用,內含太陽光電系統共355kW(未來將擴增至1.2MW),儲能系統1套(500kW/600kWh;未來將擴充至2,000kWh),2019年亦將導入風力發電600kW,另外有能源管理系統等,形成首座離島大型的智慧微電網。

七美智慧微電網示範系統
資料提供╱陳朝順教授

「七美微電網系統有『七美電廠能源管理控制室』與『綠能園區控制室』兩套控制主站,義守大學團隊在這個智慧能源管理系統中,建立起一個光纖網路,將太陽光電或風力發電、柴油發電機、儲能系統以及每一個用電饋線線路全部整合進來,透過智慧調控來輸配七美全島電力,以克服綠能發電間歇性問題,並維持供電穩定。」

微電網的運作簡單來說,就是能源管理系統每6秒的一次操作循環。在這6秒當中,要做的事包含風光及柴油發電機等運轉狀況的資料蒐集(透過光纖通訊節點)、進行控制決策,然後將控制訊號送到園區現場去遙控完成。舉例來說,突然有片雲飄過來致使太陽光電驟降,這時智能管理就會下判斷,讓儲能系統快速放電以遞補上供電缺口。

七美能源管理系統(EMS)架構圖
資料提供╱陳朝順教授

陳教授指出,很多人都以為只要把太陽能或風力發電設施蓋好、相關線路系統銜接好就可以讓綠能供電上路了,其實不然。像是之前澎湖縣府、核研所與中興電工攜手,發展東吉嶼微電網,就是為了解決先前太陽光電無法有效併網的問題。陳教授強調,微電網要能成事首重於「核心控制」,尤其台電許多設備都已經地下化,如果不透過自動化的智慧監測與調控,如何馬上找出事故點並排除障礙快速復電?「核心控制」就好比人的大腦,雖然投資占比不到5%,卻深深影響全局的運籌帷幄。若要以人體來做比喻,則皮膚是感測器,靠著神經系統(光纖通訊器)將溫感訊息傳送到大腦(能源管理系統包括控制主站),然後大腦分析數據完畢後會進行決策以及下指令(如天冷加衣),控制電網系統操作。其中儲能系統屬於「維生體系」,缺一不可。


0.2秒決勝負,儲能系統也要「智慧」跟進

提及儲能,陳教授表示,一般儲能系統僅扮演輔助的角色,但在這個試驗裡,團隊在儲能系統的前端加入PCS(Power Conversion System;儲能變流器)控制器,原因是太陽能供電下降的瞬間要靠儲能來遞補,但總要告訴儲能系統需要丟出多少的量能,加上七美的電網系統較小,預估若調節響應不及將會在1、2秒間就跳機垮掉!在此,PCS控制器能夠隨時偵測系統的供電頻率,一旦頻率跌至預設值時,將會馬上下達指令讓儲能系統進行全力放電,達成頻率調控。

「經過實測,大約0.2秒的時間,就能馬上穩住整個電網系統。」陳教授解釋,要應付短時間內突然消失的電力,就要有「快速」的基礎,例如台電的抽蓄水力機組就像是水龍頭一樣,一打開電力就來了,可是火力發電廠就無法如此,所以目前的儲能系統就扮演類似水力機組的角色,在PCS控制器的協力下擁有快速響應的遞補能力,成為整套系統控制模型的驗證核心關鍵,重要性不可言喻。

儲能系統
資料提供╱陳朝順教授

目前儲能系統放置在園區機房內,未來隨著擴充規劃將以20呎的貨櫃型儲能系統為主,一來方便移動,二來則是希望模組化,只要透過模組化的貨櫃組裝就能輕鬆上陣,也能帶動市場商機。

七美微電網現階段儲能系統
圖片來源╱台電

實踐「夢想」,讓綠電併網量加成

談到這裡,陳教授指著能源管理系統架構圖中的太陽光電系統,笑問:「太陽能只能擔任發出綠電的角色嗎?」這又是一大創舉與標準認證的大突破!

綠能極大化是七美微電網建置的目標之一,期待未來島上的離峰用電能夠百分百由綠能供應,為此,團隊嘗試從太陽能部分著手,將既有的變流器更新為「智慧變流器」,只需將設定值直接匯入,透過無線通訊數據傳輸,就能根據併接點的電壓頻率,進行局部「自主調控」的穩壓機制。

陳教授解釋:「這套智慧變流器與前述的PCS控制器概念相近,本來太陽能發電匯入台電的電網中可以賣電,但是綠能量大時容易對電網供電穩定產生衝擊與影響,因此台電訂定了太陽光電發電設備在併入電網後所造成的電壓變動率不超過3%為原則。此時若加入智慧變流器就可以進行虛功的電壓調控,使電網的電壓平滑化。」原本廠商都很擔心會影響躉購費率的收益,經陳教授實地連線示範場的測試操作現況,驗證導入智慧變流器只是稍微調整一下韌體,不但就能提高3成的綠電併入量,兼且使電壓調控變得更好,大家也就欣然接受了。

目前智慧變流器系統已通過國家CNS 15382標準認證核可,並公告將自2019年開始全台推行,未來製造販售變流器的廠商都必須符合這項「智慧」規範,連國外廠商也一體適用。陳教授指出:「這套智慧變流器我第一個就拿到七美案場去測試,雲林案場也有同步跟進。為了國家的能源轉型之路,很多先進的核心控制技術都在七美綠能園區進行測試驗證,經過實證真的可行!」

陳教授表示,上述的配電綠能先進管理系統,英文簡稱統合起來稱為「DREAMS/ADAS整合控制系統」,透過整合控制系統可以讓綠電併網量極大化,是實踐七美低碳島「夢想」的過程,也非常高興在這個示範場域裡,大家一起攜手做到了。

配電綠能先進管理系統(DREAMS/ADAS整合控制系統)示意圖
資料提供╱陳朝順教授

在此陳教授感謝NEP計畫提供這個平台,除了串聯廠商的投入意願、升級業界的技術能量外,並進一步可建立起完整的相關產業鏈,同時也讓廠商的技術開發有機會落實在台電的場域裡,生根與商品化,藉此擺脫廠商每回出國洽商大都只能簡報式的「紙上談兵」,現在則可直接連線到七美現場看實績,推升台灣軟實力能見度。


做好人生的「智慧電網」動態規劃!

投入「能源國家型科技計畫」近10年時間、為智慧電網界翹楚的陳教授分享, 過去曾參與高雄市政府的捷運建造工程,從系統觀念的邏輯發想,在設計初始就考慮到未來的營運、維護及使用者便利度,進行客製化的周全規劃。例如高雄的載客率不及台北,所以建議每回載客運送使用3節車廂就好,另外,月台門設計為車子進站時才開啟,能省下近三分之二的空調費用,甚至是因應未來人口成長量,保留載客量的擴充彈性都一併含括進來了。

「我喜歡實務面的去操作,並覺得不管是做研究或任何事都不要怕困難,要能盡力而為,因此態度很重要。不過也要有所本,把基本功練好才行。」這樣謹小慎微的處事態度,成就了七美微電網案的綠電極大化美夢。

陳教授笑稱,系統工程中有一詞叫「動態規劃」,這好比人生是一年一年的經過,要在每一個時間點圈出可行的狀態,找出每個年度應當做些什麼,來達到最佳化管理模式。而「智慧電網」就某種程度來看也像是一場遊戲的設計與程式置入,只是它的格局對應上國家綠能政策時,就顯得更加開闊與有助益。「以年屆65歲的我來說,非常感恩國家給予機會,讓我得以參與這場能源轉型的大賽事,也希望政府可以多推出這類實務型的計畫,帶領國家大步邁向實踐低碳島之路,讓綠電占比上揚的造夢工程,不斷持續下去。」


關鍵字:智慧微電網,能源管理系統,儲能系統,七美綠能園區

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