智慧微電網技術研發現況-張永瑞 組長

智慧微電網技術研發現況-張永瑞 組長

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1. 核 能 研 究 所 智慧微電網技術研發現況 原能會 核能研究所 張永瑞 博士 2019.11.29
2. 核 能 研 究 所 2 簡報大綱 一、電力系統面臨的挑戰 二、國際現況 三、現有產業與技術基礎 四、智慧微電網技術項目 五、技術推廣與應用
3. 核 能 研 究 所 地理位置 桃園市龍潭區佳安村文化路1000號 http://www.iner.gov.tw 3
4. 核 能 研 究 所 組織架構 原能會 核能研究所 Since 1968~ Staff: 1203 PhD: 30% 核安 能源 核醫藥物 4
5. 核 能 研 究 所 一、電力系統面臨的挑戰 5
6. 核 能 研 究 所 全球溫室氣體減排目標 UNFCCC 1997 – Kyoto Protocol (2012過期) 2015 – COP 21, Paris, France (巴 黎氣候協定由195國批准、將在 2020年生效，每五年檢討NDC) 2000 2050 2010 2020 2030 2040 1.0 0.5 0 2060 開發中國家 溫室氣體排放 已開發國家 溫室氣體排放 2020 年全球溫室 氣體排放零成長 2050 年全球溫室 氣體排放減量 50 % 已開發國家需於 2050 至 2060 年間逐步達成 溫室氣體零排放目標 行政院環境保護署溫減管理室2015.11.17發布： 中華民國（臺灣）「國家自定預期貢獻」(INDC) 2030 年溫室氣體排放量為BAU 減量50% (214 百萬公噸二氧化碳當量，相當於2005年排 放量再減20%) 因應減排計畫 未來電力系統面臨挑戰 6
7. 核 能 研 究 所 電力系統面臨的挑戰 ⚫ 電力結構改變 ⚫ 擴大再生能源應用之需求 ⚫ 尖峰用電之限電危機 ⚫ 區域供需平衡與線路壅塞 ⚫ 電業自由化 因應對策： 智慧微電網及分散式發電技術 7
8. 核 能 研 究 所 大量再生能源併網的問題 ⚫ 配合推動「2025年再生能源發電量占比20%」政策目標， 由於再生能源發電不穩定，大量再生能源併網，造成 (1) 電力不穩 (2) 電力調度不易 ⚫ 再生能源發電量占比20%之目標為平均值，依區域特性 占比有高有低，有些區域可能超過30%以上，問題更為 明顯。 (1)電力不穩 (2)電力調度不易 8
9. 核 能 研 究 所 ⚫ 大量再生能源併網造成電壓浮昇，使電壓變動超過規定(註)， 同時可能導致設備損壞，使再生能源併網受限。 – 以瑞源OQ38饋線保守模擬，再生能源併網發電量達饋線用電量 占比17%時，電壓變動率達規定限值。(併網容量隨饋線不同而 不同) 電力不穩 註：台電再生能源發電系統併聯技術要點 9
10. 核 能 研 究 所 電力調度不易 https://energyathaas.wordpress.com/2016/05/02/the-duck-has-landed/ By Meredith Fowlie. All data taken from CAISO website for CA, USA, March28-April 3, 2013-2016. 傍晚：區域供電 急速上升(急尖峰)， 需快速昇載機制 或儲能系統 白天：再生能源發 電，造成區域供電 (淨負載)下降 ⚫ 大量再生能源併網造成急尖峰現象，需智慧化的能源管理。 區域供電(淨負載)曲線 10
11. 核 能 研 究 所 解決方案 40% 20% 20% 35% 20% 微電網 多點建置 示意圖 區域電網之 再生能源佔比 (1) 電力不穩 利用微電網、智慧換流器、儲能 系統之實虛功率調控，穩定區域 電網電壓與頻率，突破再生能源 併網限制。 (2) 電力調度不易 藉由微電網智慧化能源管理調度 及儲能系統，進行區域尖峰用電 調節(削峰填谷)及快速昇載，減 緩 急尖峰現象。 各個擊破： 解決區域問題，紓緩全國性問題 11
12. 核 能 研 究 所 什麼是微電網 ? 美國能源部(DOE)對微電網之定義為： 由一群分散式發電設備與負載連結而成電力分界清楚的區域，此區 域對大電網而言是一個可控制的單體，可併聯電網運轉或解聯獨立運轉。 4.社區型微電網 (~500 kW) 2.含所有饋線 微電網 (~10MW) 3.含部分饋線 微電網 (~MW) 1.含變電站 微電網 (~60MW) 配電變電站 12 變壓器
13. 核 能 研 究 所 微電網是智慧電網重要一環 微電網之特色： ⚫ 區域發電自產自用，減少調度傳輸損耗。 ⚫ 自主管理發電與負載間平衡，可併網或抗災解聯獨立運轉， 滿足高電力可靠度需求，如醫院、高科技園區等。 輸電 用戶 發電與調度 電力調度中心 電動車 微電網 13 配電 再生能源 儲能 智慧電表(AMI) 智慧用戶
14. 核 能 研 究 所 二、國際現況 14
15. 核 能 研 究 所 15 主要國家發展目的與涵蓋範圍(1/2) 歐 洲 1.大量導入風力發電；2.跨國 電力傳輸；3.2020年再生能 源占比20%；4.提振經濟發 展。 涵蓋範圍：配電與用戶。 EU`s 5th Framework Programme (歐盟11個國家22個單位參 與) (FP5:1998~2002) 50 projects (FP6:2002~2006) “Sustainable energy systems” (FP7:2007~2012) “Smarthouse /Smartgrid /Intelligent Energy” (FP8:2013~) Horizon 2020 美 國 1.電力設備老舊、升級輸配 電基礎設施、即時監控能力 、提升電網可靠度、減少停 電損失；2.提振經濟發展。 涵蓋範圍：輸電、配電與用 戶。 DOE/EERE部門在國家型科技藍圖Grid 2030規劃下，於1999 年成立CERTS - Mad River Microgrid Park (NREL+NPS, 3600 kW) - UCSD Microgrid Project (San Diego, CA) -Perfect Power at Illinois Insititute of Technology (IIT, Chicago, IL) 日 本 1.大量導入太陽能發電；2.培 植相關產業（太陽能電池、 燃料電池與蓄電池）。 由NEDO推動的示範型微電網，2007年分別在愛知Aichi EXPO (2400 kW) 、青森Hachinohe (710 kW) 、京都 Kyotango (850 kW)和仙台Sendai (450 kW)。 涵蓋範圍：配電與用戶。 2010年，成立智慧社區Smart community 聯盟，於橫濱、豐 田、京都府與北九州等四個都市進行示範計畫。
16. 核 能 研 究 所 16 主要國家發展目的與涵蓋範圍(2/2) 韓 國 培植相關產業，以獲得全球 智慧電網1/3市場占有率為目 標。 於濟州島北部推動智慧電網示範，示範內容包括：電動車相 關基礎建設、節能住宅與再生能源等。 涵蓋範圍：配電與用戶。 中 國 大 陸 1.解決電網普及率低與電力 供應不足問題；2.提升供電 品質；3.擴大內需市場。 涵蓋範圍：發電、輸變電、 配電與用戶。 2012/6/4，大陸科技部發布了《智能電網重大科技產業化 工程“十二五”專項規劃》在示範工程和產業培育方面，規 劃建成20-30項智能電網技術專項示範工程和3-5項智能電 網綜合示範工程，建設5-10個智能電網示範城市、50個智 能電網示範園區。 2016/5 “十三五” 包含分布式發電及微電網政策，加快在 提升分布式發電與微電網運行能力，結合儲能系統，提升分 布式發電與微電網的功率控制、能量管理、運行穩定性以及 分布式發電設備的有序併網等實現；在輔助服務中，主要用 於調頻、調峰、備轉與全黑啟動等。
17. 核 能 研 究 所 國外現況— 歐洲、美國、日本 希臘Kythnos島的微電網 歐盟11個國家22個單位參與 美國 CERTS(LBNL, ORNL, PNNL, SNL, UW, GIT funded by EERE, DOE) 2005年愛知博覽會中建立的微電網 17
18. 核 能 研 究 所 日本分散式能源微電網技術示範 溶融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)(270kW+300kW) 鈉硫磺電池儲能系統 (NaS)(500kW) 沼氣發酵系統 (CH4 )(4.8 噸/天) 太陽光電 (330 kWp) 氣化爐 (20 公斤/小時) 固體氧化物燃料電池 (SOFC)(50kw) 磷酸燃料電池 (PAFC)(200 kwX4) 微型電力網路 (微電網)： 18 配合長久手日本館的需求電力(最大約1,200 kW)的變動，導入資訊與通訊網路 技術，結合次世代配電系統，由微電網控制系統控制分散式發電與儲能設施， 達到成本最小化、二氧化碳排放最小化、能源利用效率最大化。 2005年日本愛知博覧會 (名古屋)
19. 核 能 研 究 所 德國分散式能源微電網推動範例 19 太陽光發電(28.8kWp) 電池系統(100kW/h) 天然氣汽電共生(28kW) 電力用戶： 400人居 住於100間 公寓與排屋 24 48 72 0 25 50 75 100 功 率 kw 未導入分散式管理系統變電器電壓 導入分散式管理系統變電器電壓 測試小時數 導入微電網系統，變電器負載峰值可減少約30% 資料來源：Dr. Günther Ebert, Dezentrale Einspeisung von Erneuerbaren Energien, Feb. 2007. [Stutensee]
20. 核 能 研 究 所 歐巴馬決斥資34億美元建構智慧電網 President Obama announced $3.4 billion in Smart Grid Investment grants Oct. 27, 2009, CNN ⚫ 歐巴馬上述計畫係兌現2008年競選承 諾，經費則由一月通過的7870億美元 經濟振興方案支應。據美國電力研究 院 (EPRI)分析研究，估計2030年之前， 智慧電網可減少用電量逾4％，相當 於204億美元。 ⚫ 這項計畫可讓美國在2020年之前，把 再生能源佔總生產能源的比例提升到 20％以上。同時可鼓勵企業接受美國 西部生產的太陽能發電以及中西部生 產的風力發電。 20
21. 核 能 研 究 所 國外現況— NETL 21
22. 核 能 研 究 所 抗災型強韌性電網 ⚫ 珊迪(Sandy)颶風於2012年10月22 日從開始到結束約莫10天。 ⚫ 造成100人以上的喪生、地鐵交通設 施、淹水、停電、資訊中斷等關鍵基 礎設施被破壞，某些地區形成孤島。 ⚫ 朝抗災強韌性方向發展。 22
23. 核 能 研 究 所 23 ⚫ 為擴大再生能源利用，近年來大力投入技術發展。然而尚 無專屬技術規範，使相關設備缺乏可交換性 (Interoperability)，建置成本居高不下。 ⚫ 為使複雜且混亂之各國法規統一且易於執行，電機電子工 程師學會(IEEE)、美國安全檢測實驗室公司(UL)與國際電 機技術委員會(IEC)正進行微電網整合規範研擬。 ⚫ 國內產業多投入分散式電源與電表等各別產品開發，缺少 系統整合，不利產品進入國際產業供應鏈。 國內外技術規範發展困境
24. 核 能 研 究 所 相關技術標準 24
25. 核 能 研 究 所 產業技術發展過程 階段 產出 步驟 說明 產業界角色 1 創新 驗證 建立概 念實證 與可靠 度基準 ⚫ 創新發展 ⚫ 工程測試 ⚫ 示範驗證 ⚫ 由大型公用設施、電網業者與實驗室主 導 ⚫ 由大型公用設施與能源使用者利用政府 主導計畫進行測試 ⚫ 發展令人信服的技術 ⚫ 測試與示範。 ⚫ 和大型公用設施建立關 係。 2 發展 標準 建立產 業標準 ⚫ 早期發展 ⚫ 發展共通標準 ⚫ 主要電網標準機構為IEEE 與ASME ⚫ 由產業界、使用者、研究人員組成技術 聯盟，影響標準 ⚫ 建立規範工作小組，定出新標準 ⚫ 驗證資料 參與標準與規範建立團 體 3 發展 標準 產生標 準技術 規範 ⚫ 納入功能需求 ⚫ 標準教育 ⚫ 規範、指令、獎勵措施 ⚫ 系統商與製造商規範納入標準中 ⚫ 協助移除發展瓶頸，協商採納標準 ⚫ 發展指令與增加獎勵措施 ⚫ 大參考客戶 ⚫ 努力成為核心團體或平 台之主要角色 4 產品 接受 整合進 入購買 習性 ⚫ 整合進入新產品 ⚫ 開始考慮廣義公用事業 ⚫ 穩定核心需求，建立差 異 ⚫ 將標準整合至新採構大型公用設施 ⚫ 思考如何將於指標性大型公用設施實現 這些技術 ⚫ 建立品牌影響力 ⚫ 財務實力 ⚫ 產品和市場聯盟 資料來源：The Emerging Smart Grid, GLOBAL ENVIRONMENT FUND, 2005 (台經院整理) 技術專利化→ 專利標準化→ 標準商品化→ 商品產業化 25
26. 核 能 研 究 所 三、現有產業與技術基礎 26
27. 核研所技術研發定位 配電設備 靜態開關設備 變壓器設備 系統工程整合與 實現 電力傳輸設備 保護控制設備 電力傳輸 中興電工、大同、士林、 東元、台塑電子、亞力、 樂士、中鼎、吉興 資通訊 通訊、智慧型代理軟體 Power IC設計產業 智慧型裝置、 感知與量測產業 四零四、 研華、盛群、 大同、遠翔、立琦、 崇貿、健格 能源管理 電力電子UPS產業 監控軟體設備產業 儲能設備產業 電力控制設備 台達電、利佳 、健格、 科風、系統、長園、加 佰裕、新普 學術界前瞻性研究 台大、清大、交大、成大 中央、中正、中山 、 中原、元智 上 游 中 游 下 游 核 能 研 究 所 國科會電力學門 國科會資通訊學門 能源國家型計畫 核研所 其他研究機構 27
28. 核 能 研 究 所 核研所470 kW微電網試驗場 100 kW HCPV 150 kW wind Photo Direction MG Test Field 25 kW wind 100 kW HCPV 25 kW wind MG Test Field 150 kW wind 2 kW BIPV 65 kW MT x 3 250 kW ES Control Room 28
29. 核 能 研 究 所 Zone 1 048館 11.4 kV 市電 Zone 2 039館 Zone 3 072館 peer-to-peer control plug & play Zone N Phase I DG 先行併聯 發 展DAS 發展EMS SS 低壓側 220/380 V metering infrastructure 研發目標： 29 1. 發展低壓側分散式發電(DG)電力控制技術，解決高占比再生能源區域電 網之電力不穩定現象，使再生能源滲透率>20% 2. 開發新興國家市場與佔入先進國家市場供應鏈 Phase II 發展Sustainable Micro-zone
30. 核 能 研 究 所 ⚫ 行政院101年核定「智慧電網總體規劃方案」，其中本所負責執行 C10工作項目「發展自主式區域(微)電網技術」，完成國內首座 470kW龍潭微電網實證示範場域，並與台電瑞源OQ38高壓饋線實 際併接運轉。 智慧電網總體規劃方案 30
31. 核 能 研 究 所 與台電OQ38饋線實際併接運轉 31
32. 核 能 研 究 所 ⚫ 可接受台電通訊協定(DNP3.0)或符合國際開 放式自動化需量反應協定(Open ADR) 的調 度命令，進行微電網之卸載、解聯/併聯及 功率輸出輔助服務等運轉模式。 國內首座可接受台電調度之微電網 32
33. 核 能 研 究 所 ⚫ 整合再生能源、儲能系統與微渦輪機協調控制，獨立運轉測試下，再 生能源瞬間滲透率最高135%，發電量占比54% (測試時段)。 ⚫ 微電網解聯獨立運轉乃證明責任點下不影響大電力系統之方式。 高占比再生能源運轉測試 獨立運轉(2016/6/20 9:26~15:53) 33
34. 核 能 研 究 所 四、智慧微電網技術項目 34
35. 核 能 研 究 所 微電網之電力控制與管理 (1)微電網電力系統 (2)能源電力電子(3)能源管理及智慧控制 2-kW SOFC 100-kW HCPV 25 & 150-kW WT 市電併聯 孤島保護 DAS & EMS系統 穩定電源 市電 SS ES BMS PQ Ctrl. MPPT 最佳化電力潮流 負載及氣候預測 最適化機組排程 電壓虛功頻率控制 MT 資通訊技術(ICT) 雲端分散式計算 需量反應/卸載策略 時間同步 EMS PV WT FC Load 35
36. 核 能 研 究 所 核研所微電網技術開發項目 (1)微電網電力系統技術 – 微電網測試情境設計與分析 – 暫態與穩態分析 – 發電裝置模型建置 – 微電網之保護協調及數位電驛應用 – 開發微電網電力品質分析技術 (2)能源電力電子技術 – 靜態開關設計及孤島偵測技術 – 具平穩切換控制之換流器 – 儲能控制及實虛功率調節技術 – 頻率下降控制技術 – 低電壓穿越(LVRT)技術 (3)能源管理及智慧控制技術 – 微電網能源管理及控制技術開發 – 資料擷取系統及時間同步控制 – 微電網之智慧擴充與分裂 36
37. 核 能 研 究 所 (1)微電網電力系統技術 ◼ 微電網情境功能研究 – 微渦輪機運轉功能 ⚫ 項目A1: 微渦輪機控制模式自動切換功能 ⚫ 項目A2: 微渦輪機與HCPV單獨運轉功能 ⚫ 項目A3: 微渦輪機與風機單獨運轉功能 ⚫ 項目A4: 微渦輪機負載追隨控制功能 – 靜態開關功能功能 ⚫ 項目B1: 微電網同步併聯功能 ⚫ 項目B2: 市電斷電與復電功能 ⚫ 項目B3: 單相逆送電力功能 ⚫ 項目B4: 微電網斷電加壓功能 – 微電網保護功能 ⚫ 項目C11: B4/B5處發生三相故障偵測 ⚫ 項目C12: B4/B5處發生單相故障偵測 ⚫ 項目C13: B2處發生單相/三相故障偵測 – 微電網子系統偵測(Subsystem Test) ⚫ 項目D1: 子系統初值電壓偵測功能 ⚫ 項目D2: 子系統負載不平衡偵測功能 微電網監控系統 37 微電網孤島運轉加載及併聯
38. 核 能 研 究 所 (1)微電網電力系統技術 -電力系統分析技術 1.電力系統規劃 2.動態模型建置 3.電力潮流分析 4.短路故障分析 5.併網衝擊分析 6.情境模擬分析 . . -電力系統應用軟體 1.PSCAD 2.CYME/PSAF 3.NEPLAN 4.Matlab ◼ 暫態與穩態分析 實測 系統輸出頻率 38 模擬
39. 核 能 研 究 所 ◼ 發電裝置模型建置 風力機模型 微渦輪機模型 簡易太陽電池模型 R se R she v pv i pv i ph i tp + v tp + R j D j i d D bo i dbo R bo Load (1)微電網電力系統技術 39
40. 核 能 研 究 所 (1)微電網電力系統技術 微電網保護協調分析與人工故障試驗 ◼ 微電網之保護協調及數位電驛應用 ➢ 完成微電網保護協調分析 ⚫完成核研所微電網故障電流計算， 決定故障變量以發展微電網保護決 策系統之設計。 ⚫完成微電網現行保護設備(NFB與 OC Relay)的動作特性進行分析。 ➢ 完成人工故障試驗 40
41. 核 能 研 究 所 (1)微電網電力系統技術 ➢ 完成微電網電力品質改善技術規劃 ⚫ 完成被動式與主動式濾波器APF架構分析 微電網併網與孤島之電力品質分析 諧波電流與節點電壓失真在諧波規範內 0 2 4 1 2 1 4 1 6 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 6 8 1 0 H a r m o n i c o r d e r F u n d a m e n t a l ( 6 0 H z ) = 6 6 , T H D = 3 3 . 2 7 % Mag(%of Fundamental) SelectorforAnalysis Mode(C) SystemConfiguration Save An 41 ◼ 開發微電網電力品質分析技術 ➢ 完成微電網電力品質分析技術 ⚫ 完成微電網元件諧波模型建立 ⚫ 完成三相諧波潮流與不平衡分析
42. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 電壓範圍 解聯 時間(秒) V<50 0.16 50V<88 2.00 110<V<120 1.00 120V 0.16 頻率範圍 解聯 時間(秒)  30kW >60.5 0.16 <59.3 0.16 >30kW >60.5 0.16 <{59.8~57.0} 0.16~300 <57.0 0.16 IEEE 1547 standard ◼ 靜態開關設計及孤島偵測技術 主動式孤島偵測法 ⚫ 頻率偏移法(active AFD, slip- mode SMS) ⚫ 電壓擾動(Voltage-Pulse Perturbation, Voltage Correlation) ⚫ 輸出實功/虛功擾動法 ⚫ Sandia 頻率偏移法 ⚫ 阻抗量測、電流注入法 UV OV OF UF 不可偵測區 (NDZ) Q P V I Island Sig. 140 ms 42
43. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 ◼ 具平穩切換控制之換流器 ⚫ 市電併聯時，s-Inv為CS模式，進行孤島運轉時 (SSR切離)，s-Inv轉為VS模式。 ⚫ s-Inv不論是小於或大於負載，皆可由CS模式平 穩切換至孤島運轉VS模式。 ⚫ “Energy Storage Systems for Seamless Mode Transfer in Microgrid”, IEEE PEDS Conference, Dec. 2011. 具平穩切換控制之換流器 Vgrid current voltage Grid-connected charge state Islanding discharge state Load ES Smooth Switching Vgrid SSR grid s-Inv 43
44. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 ➢ 微電網雙向轉換器實測波形 ⚫完成CAN-BUS模組及程式撰寫。 ⚫完成交流/直流雙向轉換器現場實地測試。 項目 規格 備註 交流電壓 三相三線式Δ 接220/60 Hz 直流電壓 400 ± 20 V 功因 ＞0.99 充電模式 -0.8 ~+0.8 放電模式 效率 ＞96% 最高效率 額定功率 100 kVA 在放電模式時，可提供實 功和虛功輸出 雙向轉換器電路佈線與製作 四種操作模式整合波形 雙向轉換器功能測試與驗證 44 ◼ 儲能控制及實虛功率調節技術 ➢ 微電網雙向儲能轉換器製作 ⚫雙向轉換器電氣規格表 ⚫完成微電網專用之33W 100 kVA 交流/直 流雙向轉換器之電路佈線與製作。
45. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 ⚫ 市電脫離而孤島運轉時 ⚫ 多個分散式電源間具有些微的頻率 誤差 ⚫ 微電網功率工作點產生變動 ⚫ 需快速反應(再生能源)，以電力電子 技術實現，不經由EMS下命令 ⚫ 傳統控制的觀念應用於低壓側可能 不適用(距離短，線組抗呈現純電阻 性，非傳統之電感性阻抗) ◼ 頻率下降控制技術(Frequency-Droop Control) P02 P01 P2,max P1,max 0 1 min 306W 240W 220W 154W 5 s 45 係數比：2
46. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 ◼ 低電壓穿越技術(Low Voltage Ride Through) ⚫ 當高再生能源占比微電網之分 散式電源隨故障發生而跳脫， 電力系統的暫態穩定度會因此 受到波及，甚至造成系統崩潰 ⚫ 以德國E.ON公司制定的LVRT 規範為例： Type 1:傳統的同步發電機 Type 2:風機、太陽能等 ⚫ 當電壓發生驟降時，風機不再 只是因感測到過低電壓跳脫， 而是必須提供虛功率饋入電網 ，嘗試撐持電壓 Ex. 德國E.ON公司制定的LVRT規範 IEEE 1547 Off-G On-G depends on system view (RE % ?) LVRT 46
47. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 0 0 . 5 1 . 5 2 2 . 5 - 2 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 0 0 . 5 1 . 5 2 2 . 5 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 0 0 . 5 1 2 2 . 5 1 8 0 1 9 0 2 0 0 2 1 0 2 2 0 0 0 . 5 1 . 5 2 2 . 5 3 2 5 0 0 5 0 0 7 5 0 1 0 0 0 0 0 . 5 1 . 5 2 2 . 5 3 2 5 0 0 5 0 0 7 5 0 1 0 0 0 0 0 . 5 1 . 5 2 2 . 5 3 1 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 2 0 P o u t ( W ) Q o u t ( V A R ) Va c (V) Iac (A) Vd c (V) Po u t (W),Qo u t ( V A R ) Pp v ( W ) Ireactive / Irated (pu) 1 t c t c 1 t c M O = 0 1 t c M O = 0 M O = 0 1 t c M O = 0 M O = 0 1 t c M O = 0 M O = 1 M O = 1 1 . 5 M O = 1 M O = 1 M O = 1 M O = 1 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) ( f ) 3 t ( s e c ) 3 t ( s e c ) t ( s e c ) t ( s e c ) t ( s e c ) 3 t ( s e c ) 電力系統LVRT之模擬平台 ◼ 低電壓穿越技術(Low Voltage Ride Through) ➢ 完成Simulink建立具有LVRT之電力系統模擬平台 47
48. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 1 2 3 Islanding without LVRT 1 2 3 4 5 6 7 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Islanding with LVRT 48
49. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 92 100 99 98 97 96 95 94 93 0 1 2 4 5 6 3 Output power(kW) Efficiency(%) ◼ 實虛功控制之5-kW dc/ac Inverter @ Vi = 400 Vdc, Vo = 220 Vac IEC: 98.47% CEC:97.91% S = 5060 VA = 3360 W + 3783var PF = 0.6641 V I 49
50. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 90% 91% 92% 93% 97% 96% 95% 94% 98% 0 1000 2000 4000 5000 6000 3000 Power (W) Eff (%) Open Loop-1 Close Loop-1 Open Loop-2 Close Loop-2 Open Loop-3 Close Loop-3 Input Output @ Vi = 50 Vdc, Vo = 400 Vdc IEC: 96.32% CEC:96.71% 50 ◼ 5-kW dc/dc Converter
51. 核 能 研 究 所 (2)能源電力電子技術 98 97 96 95 94 93 92 99 100 0 1 2 4 5 6 3 Output power(kW) Efficiency(%) DC/DC DC/AC Overall @ Vi = 50 Vdc, Vo = 220 Vac IEC: 94.66% CEC:94.58% 51 ◼ 5-kW over all system
52. 核 能 研 究 所 (3)能源管理及智慧控制技術 ◼ 能源管理系統介面 52
53. 核 能 研 究 所 (3)能源管理及智慧控制技術 ◼微電網能源管理及控制技術開發 ➢建立前瞻電力分析技術 ⚫ 完成核研所微電網結構、系統參數、 再生能源、分散式電源與負載之調查、 分析與整理。 ➢完成三相潮流解析運算技術 ⚫ 完成能源調度系統圖控介面開發、監 控訊號資料庫建置及微電網即時三相 電力潮流分析程式功能，採用ZLoop Method可處理超過100點匯流排 (<1s)，解決因multiple DGs及高R/X 所造成之發散問題。 ⚫ 完成微電網併網及孤島電力潮流驗證 53
54. 核 能 研 究 所 (3)能源管理及智慧控制技術 ◼ 再生能源發電預測 Extreme short-term forecast – GT Short-term forecast – BNN CNRMSE:3.1997% NMBE :10.6733% MAPE :10.3065% CNRMSE: 3.5773% NMBE : 11.9459% MAPE : 11.9657% CNRMSE: 4.2940% NMBE MAPE : 15.9084% : 16.0081% CNRMSE: 4.5518% NMBE MAPE : 16.6932% : 16.5805% 0 50 100 200 250 300 -0.4 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0.8 1 P正 規 化 150 time P 預 測 實 際 ◼ 1, 5, 10, 15 分鐘負載預測 54
55. 核 能 研 究 所 (3)能源管理及智慧控制技術 ◼ 資料擷取系統及時間同步控制 ➢IEEE 1588 V2 精確時間同步 (PTP) ⚫適合分散式多節點架構 ⚫時間精度可達1ms以內 ⚫並存於網路架構，佈建容易 Grand Master GPS Boundary Clock IEEE 1588 Precision Time Protocol Ordinary Clock Ordinary Clock Ordinary Clock 55
56. 核 能 研 究 所 (3)能源管理及智慧控制技術 ◼ Other Energy Storage Vanadium Redox Battery (under testing) ⚫ Monitoring and testing platform. ⚫ Charge/discharge characteristic analysis 56
57. 核 能 研 究 所 (3)能源管理及智慧控制技術 ◼ 微電網之智慧擴充與分裂 57
58. 核 能 研 究 所 五、技術推廣與應用 58
59. 核 能 研 究 所 新店裕隆城 整合電動車與家庭微電網 澎湖東吉嶼 離島型微電網 烏來福山國小 防災型微電網 提供偏鄉 緊急電力 核能研究所微電網相關技術移轉案 屏東林邊 2015 APEC 光彩濕地微電網系統 智慧電網領域 銀牌獎 2017 APEC 智慧電網領 域銀牌獎 (21國197個競爭案例) 59
60. 核 能 研 究 所 微電網示範系統 — 新店裕隆城 103~104年技術移轉裕隆電能，建立新店裕隆城微電網示範系統，展示再生 能源微電網與電動車之能源管理應用。 60
61. 核 能 研 究 所 智慧微電網— 屏東林邊光采濕地 ◼ 能源管理技術移轉大同公司，應用於屏東 林邊光采濕地—智慧微電網示範系統 ➢ 發電預測、負載預測、智慧控制策略技術，應 用於市電併聯、孤島運轉、緊急模式、強制供 電等四種能源管理模式 61
62. 核 能 研 究 所 防災型微電網— 新北烏來福山國小 ➢ 微電網能源管理預測技術移轉健 格科技，協助台電於新北市福山國 小建置國內首座防災型微電網，並 於106年1月18日，台電朱文 成董事長親自蒞臨啟用。 ⚫ PV 29 kW ⚫ 柴油機 50 kW ⚫ PCS 30 kWx2 ⚫ 儲能系統 50 kWh 62
63. 核 能 研 究 所 離島微電網系統— 澎湖東吉嶼 ⚫ 離島發電燃油及維運成本高，台電永續 報告書指出，103年台電離島供電營運 虧損約為58.54 億元。 ⚫ 若使用大量再生能源，電力系統調控不 易，衝擊供電穩定。 ⚫ 在科技部第二期能源國家型計畫與澎湖 縣政府支持下，行政院原子能委員會核 能研究所技術移轉中興電工，於東吉嶼 建置國內首座離島再生能源微電網系統， 並商轉成功。 ⚫ 再生能源佔東吉嶼總體供電之最高瞬間 為92.8% (106年3月27日)，技術已達國 際 水準。 齊柏林/空中攝影 63
64. 核 能 研 究 所 第一階段(104年)：完成柴油發電機與太陽光電同步供電 第二階段(105年)：完成智慧型逆變器架設，並導入基本電力管理系統 第三階段(106年)：國人自主研發先進微電網能源管理系統(µEMS)，結 合再生能源發電及負載用電預測，協調控制儲能系統，進行最佳化經 濟調度，調頻穩壓，提升供電穩定度及電力品質。 東吉嶼微電網系統 64
65. 核 能 研 究 所 先進微電網能源管理系統(µEMS) 供用電資訊 太陽能資訊 歷史趨勢圖 86 kW 太陽光電 200 kW 柴油發電機 180 kWh 儲能系統 180 kW 負載用電 65
66. 核 能 研 究 所 參獎榮譽事蹟 ⚫ 再生能源佔東吉嶼總體供電之最高瞬間為92.8% (106年3月27日)， 系統仍能穩定運轉，技術已達國際水準。預估全年可節省183萬元 發電費用，降低二氧化碳排放約58噸。 ⚫ 研發團隊以「澎湖東吉嶼微電網供電系統」參加2017年亞太經合會 議(APEC)能源智慧社區倡議(ESCI)智慧電網最佳案例競賽，於21個 國家197競爭案例中，榮獲銀質獎，於4月24日新加坡領獎。 ⚫ 5/4由行政院原能會、澎湖縣府及中興電工共同召開了「配合新南向 政 策，從澎湖出發—東吉嶼再生能源微電網系統商轉」記者會。 4/24 APEC領獎 銀質獎 5/4 東吉嶼微電網系統商轉記者會 66
67. 核 能 研 究 所 配合新南向政策 拓展外交與經貿 ⚫ 根據Navigant Research 研究報告*統計至 2017Q2止，全球共有135個國家紛紛投入微 電網系統的建置，建置數量達1,842處案場， 總裝置容量約19,279 MW。其中，近期新增 約126處案場，橫跨39個國家，裝置容量約 772 MW，95%建置於北美地區與亞太地區， 電力事業擁有的配電等級微電網系統為最大 宗。亞太地區更以發展島嶼應用之微電網為 最主要的成長驅動力 – 印尼約有一萬三千個島嶼沒有電力 – 菲律賓有六千個島嶼沒有電力 – 越南電網供電不穩定 – 印度到現在還有三億人口沒電可用 ⚫ 未來將持續結合產業，配合台電規劃及因應 政府推動再生能源極大化與新南向政策，拓 展國際外交與促進經貿發展，創造新興產業 契機。 商業與工業型微電網系統累計裝置容量與市場產值預測* 各類型微電網系統全球市場占比* 67 *資料來源：Microgrid Deployment Tracker 2Q17, Navigant Research, 2017, 台經院整理
68. 核 能 研 究 所 國內電力產業具技術能力，機會較大， 用戶 發電與調度 輸電 配電 電動車 電力調度中心 再生能源 儲能 智慧電表(AMI) 智慧用戶 管理頻率f (失電) 管理電壓v (設備損壞) 中央調度 CD 區域調度 AD 配電調度 饋線調度 DD FD 例如：配電自動化設備、電力轉換、 能源監控與管理、微電網系統…等 可加強投資 輸電以上設備多為外國 廠商，國內產業技術能 力尚未成熟。 大量再生能源併入配 電饋線，問題尚待解決 。為 國內產業的機會 台電調度管 理系統分四 級(外國產品) 微電網 ADMS 68 智慧電網調度管理的分工
69. 核 能 研 究 所 未來配電調度中心須管理饋線上再生能源及微電網(如美國DOE之規劃)， 開發本土化先進配電管理系統(ADMS)協助有效管理再生能源及饋線調度 運轉，並藉此提升產業技術能力，達成政策目標。 (資料來源：美國DOE簡報 資 料 ，DOE Micro-grid Program Microgrid Controllers by Dan Ton, 2017/2/16) 配電網 微電網 智慧電表 停限電管理 地理圖資 現場電力設備 共通資訊模型 (合併DD與FD) 開發本土化 ADMS系統 開發本土化 ADMS系統 69
70. 核 能 研 究 所 Feeder Dispatch Control Center (FDCC) 70
71. 核 能 研 究 所 SCADA System Integration FCB隔離 故障區 間 隔離 雲林 XF27饋 線 可轉供來源 108/8/30 14:19:15 模擬饋線口發生故障 108/8/30 14:19:33 提出轉供建議方案 1 2 3 4 5 71 下游轉供建議方案 Providing Feeder Transfer Proposals
72. 核 能 研 究 所 Geographic Information System (GIS) 72
73. 核 能 研 究 所 結 語 ⚫ 微電網技術可紓緩分散式再生 能源占比提昇所帶來電力不穩 定的問題，先解決區域問題， 以紓緩全國性問題。 ⚫ 核研所已完成國內首座百瓩級 微電網試驗場建置。 ⚫ 未來將提供學術單位、研究機 構、台電、產業等研究測試環 境，提昇國內技術，促成產業 發展。 產業聯盟 研 究 機 構 學 術 界 前 瞻 性 研 究 示 範 系 統 研究合作 73 基 礎 人 才 教 育 人 才 養 成 訓 練 商品產業化 人力充分就業
74. 核 能 研 究 所 謝 謝 指 導 74