微電網(wǎng)(Microgrid)系統(tǒng)為近年世界各國(guó)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，大量的再生能源并入電網(wǎng)將造成電壓浮動(dòng)的問(wèn)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(shí)間電價(jià)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年即成立智能社區(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(gè)都市進(jìn)行微電網(wǎng)示笵計(jì)劃;中國(guó)大陸則將微電網(wǎng)試點(diǎn)列入十二五計(jì)劃，國(guó)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(guó)再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(NREL)亦與沙加緬度市電力公司(SMUD)于加州建置微電網(wǎng)示笵系統(tǒng);韓國(guó)國(guó)網(wǎng)更進(jìn)一步在濟(jì)州島上建置智能電網(wǎng) (Smart Grid)測(cè)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(duì)于Kythnos島內(nèi)建置微電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng);另外，西班牙、葡萄牙、德國(guó)和法國(guó)等也都有微電網(wǎng)示笵計(jì)劃正在運(yùn)行。
 
        實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳目的核研所加速微電網(wǎng)測(cè)試
        為接軌國(guó)際間節(jié)能減碳風(fēng)潮，臺(tái)灣核能研究所(簡(jiǎn)稱核研所)亦致力發(fā)展自主式(Autonomous)微電網(wǎng)技術(shù)，并規(guī)劃分三個(gè)階段進(jìn)行，以有效提升國(guó)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(chǔ)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)，示笵并推廣自主式控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)，于市電并聯(lián)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(guó)家能源安全、開(kāi)發(fā)新興國(guó)家市場(chǎng)與加入先進(jìn)國(guó)家市場(chǎng)供應(yīng)鏈，同時(shí)創(chuàng)造綠色就業(yè)機(jī)會(huì)及能源新興產(chǎn)業(yè)的契機(jī)。
 
        目前，核研所已完成建置國(guó)家級(jí)首座一百瓩(kW)級(jí)自主式低壓380伏特(V)微型電網(wǎng)示笵系統(tǒng)及測(cè)試平臺(tái)(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(cè)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)、智能控制與能源管理、電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)與應(yīng)用工程技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)。





圖1 百瓦級(jí)自主式微電網(wǎng)試驗(yàn)場(chǎng)




        微電網(wǎng)經(jīng)由靜態(tài)開(kāi)關(guān)與市電并聯(lián)，當(dāng)內(nèi)部發(fā)生故障或外部市電故障時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)運(yùn)用主動(dòng)式孤島偵測(cè)技術(shù)，快速確認(rèn)故障并完成隔離動(dòng)作;而儲(chǔ)能系統(tǒng)藉由雙向功率轉(zhuǎn)換器(圖2)連結(jié)微電網(wǎng)電力匯流排，于一個(gè)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2 雙向功率轉(zhuǎn)換器裝置構(gòu)造圖




        當(dāng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)跳脫瞬間，微電網(wǎng)電力匯流排電壓將驟降，此時(shí)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)，仍在可容忍電壓笵圍內(nèi)，持續(xù)與微電網(wǎng)的電力匯流排連接，使微電網(wǎng)內(nèi)部持續(xù)供電，達(dá)成市電并聯(lián)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復(fù)時(shí)，靜態(tài)開(kāi)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)電力匯流排，當(dāng)內(nèi)外部的電力匯流排電壓、頻率同步后令靜態(tài)開(kāi)關(guān)閉合，微電網(wǎng)再重新并網(wǎng)。





圖3 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




        目前核電所微電網(wǎng)已完成前述具主動(dòng)式孤島偵測(cè)技術(shù)的靜態(tài)開(kāi)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(kāi)發(fā)及功能測(cè)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(shí)，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(kāi)發(fā)的微電網(wǎng)三相潮流解析法，適用于低電壓、高R/X比的三相不平衡系統(tǒng)或電壓控制型匯流排過(guò)多的微電網(wǎng)系統(tǒng)，不論于微電網(wǎng)在并網(wǎng)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)并網(wǎng)、孤島及N-1事件時(shí)的系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)，核研所亦已建立高聚光太陽(yáng)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。
 
        由于再生能源使用的電力轉(zhuǎn)換器大多含有電容及電感元件，容易產(chǎn)生系統(tǒng)諧波，因而也須建構(gòu)微電網(wǎng)系統(tǒng)主要元件諧波時(shí)域模型，并開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)于并網(wǎng)與孤島不同狀態(tài)的三相諧波潮流與不平衡分析，以確保微電網(wǎng)電力品質(zhì)。現(xiàn)階段，業(yè)界已運(yùn)用主動(dòng)式電力濾波器(APF)，改善微電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波濾除、無(wú)效通濾補(bǔ)償、功率因數(shù)修正與負(fù)載平衡等問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電力品質(zhì)監(jiān)控平臺(tái);核研所正在研發(fā)中的微電網(wǎng)系統(tǒng)亦可支援上述功能。
 
        此外，微電網(wǎng)所需的電力保護(hù)機(jī)制亦與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不同，業(yè)者須導(dǎo)入具可擴(kuò)充與隨插即用(Plug-and-Play)的模組化微電網(wǎng)保護(hù)協(xié)調(diào)機(jī)制，同時(shí)還要依據(jù)微電網(wǎng)區(qū)域串、并聯(lián)形式，開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)的電源-負(fù)載配置(Configuration)方法，減少微電網(wǎng)內(nèi)部故障時(shí)須卸除的負(fù)載量，并配合卸載計(jì)劃提高供電可靠度。
 
        強(qiáng)化微電網(wǎng)能源管理通訊/儲(chǔ)能系統(tǒng)扮要角
        至于微電網(wǎng)控制與管理方面，其監(jiān)控介面與即時(shí)量測(cè)系統(tǒng)(圖4)須確保各區(qū)域系統(tǒng)訊號(hào)的同步性、正確性與精確度，并于系統(tǒng)介面上設(shè)定與執(zhí)行情境測(cè)試步驟，截取即時(shí)量測(cè)波形資料，做為故障偵測(cè)演算法、諧波頻譜分析與卸載策略開(kāi)發(fā)的依據(jù)。



圖4 微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時(shí)量測(cè)系統(tǒng)




        此舉將有助實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)生活化應(yīng)用，透過(guò)建置家庭微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時(shí)量測(cè)系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)負(fù)載用電與再生能源發(fā)電量預(yù)測(cè)演算法，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)車(chē)與未來(lái)時(shí)間電價(jià)機(jī)制，就可進(jìn)行市電、負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)與再生能源的電力調(diào)度，滿足用戶節(jié)能需求。
 
        未來(lái)，微電網(wǎng)將結(jié)合IEC-61850、電力線通訊(PLC)、ZigBee及無(wú)線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)，與多區(qū)域微電網(wǎng)或臺(tái)電配電自動(dòng)化平臺(tái)做連結(jié)，建立混合式通訊介面于微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時(shí)量測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)成并網(wǎng)及多區(qū)域供電調(diào)度功能。
 
        除通訊技術(shù)外，電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)亦是微電網(wǎng)電能管理重要的一環(huán)，供應(yīng)商須整合儲(chǔ)能與微電網(wǎng)監(jiān)控介面、即時(shí)量測(cè)系統(tǒng)，才能在不同的微電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式下達(dá)成動(dòng)態(tài)電力調(diào)節(jié)，以確保微電網(wǎng)供電品質(zhì)。然而，新電池的開(kāi)發(fā)與復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用，除須研發(fā)新的化學(xué)配方研發(fā)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還須進(jìn)行其特性與應(yīng)用測(cè)試，因此測(cè)量、評(píng)估與分析各種儲(chǔ)能技術(shù)是發(fā)展電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)不可或缺的要?jiǎng)?wù)。
 
        核研所建置儲(chǔ)電電池管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，主要設(shè)備包括有25kW充放電測(cè)試機(jī)、5kW全釩液流電池(Vanadium Redox Battery， VRB)系統(tǒng)與60kWh磷酸鋰鐵電池組，并逐步建立儲(chǔ)能電池與系統(tǒng)的測(cè)量分析能力、建立測(cè)試程序與標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行分散與集中化之電能管理系統(tǒng)(EMS)與電池管理系統(tǒng)(BMS)等技術(shù)開(kāi)發(fā)。
 
        此外，核研所近期更投入全釩氧化還塬液流電池技術(shù)開(kāi)發(fā)，包含離子交換膜、活性物質(zhì)、雙極板及流道設(shè)計(jì)、電池平衡控制系統(tǒng)(BOP)及密封組裝技術(shù)等，并依據(jù)微電網(wǎng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性進(jìn)行整合測(cè)試及應(yīng)用，提供分散式再生能源微電網(wǎng)之能源有效調(diào)節(jié)運(yùn)用。
 
        臺(tái)產(chǎn)官學(xué)研全力推動(dòng)微電網(wǎng)
        目前臺(tái)灣的經(jīng)濟(jì)部已提出智能電網(wǎng)總體規(guī)劃方案，而國(guó)科會(huì)能源國(guó)家型計(jì)劃中，亦已列入智能電網(wǎng)主軸計(jì)劃--微電網(wǎng)先導(dǎo)計(jì)劃，同時(shí)也與國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)單位合作，包括中山大學(xué)、中央大學(xué)、中正大學(xué)、中塬大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、臺(tái)灣科技大學(xué)、成功大學(xué)、清華大學(xué)、義守大學(xué)與聯(lián)合大學(xué)等，全力培育國(guó)內(nèi)微電網(wǎng)領(lǐng)域的專業(yè)人才，以加速推動(dòng)未來(lái)微電網(wǎng)建置及前瞻性技術(shù)研發(fā)。
 
        核研所扮演產(chǎn)業(yè)與政府之間的溝通橋梁，現(xiàn)已與中華電信研究所簽訂合作備忘錄MOU，共同開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)分布式電力節(jié)點(diǎn)資訊同步整合技術(shù)，并與裕隆集團(tuán)納智捷公司簽訂合作意愿書(shū)，推動(dòng)電動(dòng)車(chē)應(yīng)用。
 
        核研所也已完成微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)先期參與及技術(shù)移轉(zhuǎn)案，包含微電網(wǎng)能源管理與控制、新型諧波與間諧波量測(cè)演算法、負(fù)載預(yù)測(cè)、低壓穿越測(cè)試環(huán)境建置和數(shù)位脈波調(diào)控等技術(shù);并與國(guó)內(nèi)多家廠商合作開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)能源管理控制平臺(tái)、通訊技術(shù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、微電網(wǎng)電力轉(zhuǎn)換器、智能家庭微電網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，以促成國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)加速進(jìn)入微電網(wǎng)供應(yīng)鏈。
 
        除電網(wǎng)建置與新技術(shù)研發(fā)外，臺(tái)灣也開(kāi)始著手推行微電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包含產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)施規(guī)劃等工作，如技術(shù)推廣及示笵教育等，充分讓參訪者了解微電網(wǎng)架構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)況與未來(lái)應(yīng)用。
 
        微電網(wǎng)技術(shù)可擴(kuò)大再生能源應(yīng)用，增強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)供電穩(wěn)定及可靠度，配合經(jīng)濟(jì)部澎湖低碳島示笵計(jì)劃、陽(yáng)光屋頂百萬(wàn)座及千架海陸風(fēng)力機(jī)等計(jì)劃的推動(dòng)，微電網(wǎng)將扮演重要角色并發(fā)揮效益，未來(lái)應(yīng)用于離島、偏遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)莊及中小型社區(qū)等。
 
        在短期效益方面，可提高臺(tái)灣電力網(wǎng)路對(duì)分散式再生能源電力承載容量，達(dá)成可穩(wěn)定控制再生能源發(fā)電滲透率20%的區(qū)域電網(wǎng)的目標(biāo)。中長(zhǎng)期，將結(jié)合電動(dòng)車(chē)、儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，期望在中小型社區(qū)規(guī)模廣泛運(yùn)用，降低電能傳輸損失及尖峰負(fù)載用電，有效提升能源使用效率。