再生能源浪潮下的電網轉型：何謂Grid-Forming 技術

電力系統如何運作？

電力系統是用多少電發多少電，也就是說發電輸出等於用電負載，而在同一電網中的所有發電機、輸配電設備和負載端的用戶均須使用相同電網工作頻率的交流電。以台灣為例，台灣的電網頻率為60Hz，不管是火力、核能還是水力的旋轉電機轉速都必須遵循這個頻率供電。當電網的負載小於發電輸出時，頻率會上升，反之當電網的負載大於發電輸出時，頻率會下降。電網頻率太高或太低都會損壞電力系統的設備，因此為了維持電網頻率，電力公司會調整發電機組的輸出使之等於負載。



一般而言，電力公司會根據各地區隨著時間、氣溫的變化還有歷史資料推估未來一段時間內的用電情形，再配合用電負載的預測調度發電機組或對外採購的電力供電，並且會依照不同發電機組的特性進行調度，例如，依台灣能源規劃，第一類為燃煤或核能可提供穩定且連續的供電，作為基載電力來源；燃氣、抽蓄水力、鋰電池儲能系統等則為第二類，是能因應負載變動而快速啟動並反應的電力來源，此類電力來源通常供電成本較高因而作為中、尖載電力來源；風力、太陽能等具有不易預測性的供電則屬第三類，為不可調度型的間歇性的能源，必須搭配儲能系統才能變成可靠穩定的電力來源。當用電量超乎電力公司預期，而發電機組的調度又因各類檢修或故障不足以因應，導致電網頻率將低到相當程度時，為了維持整體電力系統的運作就必須切斷一部分負載以避免電力系統崩潰，也就是俗稱的跳電。
 

什麼是電力系統的系統慣量？

傳統上，交流電網頻率的來源絕大部分是來自旋轉電機的轉速，而傳統大型發電機組的旋轉電機可重達好幾公噸，這個阻止旋轉電機轉子轉速變化的慣量，也就是阻止交流電網發生頻率變化的慣量，能為發電系統爭取到數分鐘的時間以調度供電輸出維持平衡。然而，風力、太陽能等再生能源發電是使用電力電子設備併網，並無類似傳統發電機組可透過渦輪機吸收能量的不平衡，幾乎不能為電網提供系統慣量，因而一旦遇上大型機組跳機時，造成系統低頻卸載的可能性增加。隨著越來越多風力、太陽能等經由電力電子設備併網的再生能源比例提高，電力系統也必須隨之轉型。

IEA將間歇性再生能源（Variable Renewable Energy, VRE） 併網分成六個階段：

• 在早期（階段 1、2）VRE佔比不高，既有電網設備即足以應付或僅需作輕微調整
• 中期（階段 3、4）電力系統調度模式有明顯改變且電力系統需要升級以因應高佔比的VRE
• 末期（階段 5、6）則會長時間出現電力過剩或缺電的情況，需要有長時間儲能設備來供應一年四季不同能源調度，例如使用氫能或其他長時間儲能技術

VRE佔比提高，電網轉變的六階段

Source: IEA
 

何謂Grid-following 和 Grid-forming 儲能逆變器技術

在電網轉型的同時，越來越多儲能系統代替傳統能源的發電機組為電網提供調頻等短時供電服務。傳統併網的逆變器採用Grid-following的模式，此模式根據接收電網的電壓角和頻率等資訊來控制電力輸出，即便逆變器能快速的對電網頻率做出反應，當失去電網頻率和電壓訊號時，將無法繼續對電網提供服務，甚至隨著併網的儲能設備數量不斷增加，電網頻率的波動也可能觸發連鎖反應造成電網崩潰，在此模式下電網頻率的調節主要仍取決於傳統的發電機組。相比之下，Grid-forming模式的逆變器能夠模擬傳統同步發電機，主動地控制其頻率輸出，使得逆變器的頻率與功率輸出主動滿足當前負載的需求，確保電力系統能夠穩定地運行。