日本微电网商业模式已成型 值得中国企业借鉴

        微电网(Microgrid)系统为近年世界各国电力科技发展重点，主要效益归纳为二，首先，由于再生能源为间歇性能源，大量的再生能源并入电网将造成电压浮动的问题，影响区域电网供电稳定度;微电网具稳定电压及频率功能，可有效引入再生能源进入电网，提升区域电网再生能源之使用率。其次，微电网具有尖峰用电调节(Peak Shaving)作用，可降低尖峰用电的系统设备需求规格及成本，配合时间电价制度抑制用电行为，达到节能减碳目的。
 
        事实上，日本于2010年即成立智能社区(Smart Community)联盟，由新能源及工业技术发展组织(NEDO)于横滨、丰田、京都府与北九州等四个都市进行微电网示笵计划;中国大陆则将微电网试点列入十二五计划，国家电网电力公司已于南麂岛和鹿西岛分别建置离网型及并网型微电网示范工程。
 
        2012年美国再生能源国家实验室(NREL)亦与沙加缅度市电力公司(SMUD)于加州建置微电网示笵系统;韩国国网更进一步在济州岛上建置智能电网 (Smart Grid)测试区。至于欧盟则提出第七期架构方案(Framework Programme 7)，由雅典科技大学领导团队于Kythnos岛内建置微电网测试系统;另外，西班牙、葡萄牙、德国和法国等也都有微电网示笵计划正在运行。
 
        实现节能减碳目的核研所加速微电网测试
        为接轨国际间节能减碳风潮，台湾核能研究所(简称核研所)亦致力发展自主式(Autonomous)微电网技术，并规划分三个阶段进行，以有效提升国内再生能源利用率。第一阶段系统将着重分析与关键技术研发，第二阶段则进行系统工程整合，以能源电子技术配合微电网能源管理及储能技术，发展区域电网再生能源渗透率达10%(装置容量20%)的电力控制技术。
 
        第三阶段将进行系统试运转，以分散式发电架构，示笵并推广自主式控制的微电网系统，于市电并联与孤岛运转平稳切换，有效控制微电网再生能源发电渗透率达 20%(装置容量达40%)，提升国家能源安全、开发新兴国家市场与加入先进国家市场供应链，同时创造绿色就业机会及能源新兴产业的契机。
 
        目前，核研所已完成建置国家级首座一百瓩(kW)级自主式低压380伏特(V)微型电网示笵系统及测试平台(图1)，提供产业、学术单位、研究机构、电力公司等进行研究与测试，并发展微电网相关核心技术，包含能源电子、电力系统、智能控制与能源管理、电网级储能系统与应用工程技术等四大关键技术。





图1 百瓦级自主式微电网试验场




        微电网经由静态开关与市电并联，当内部发生故障或外部市电故障时，静态开关运用主动式孤岛侦测技术，快速确认故障并完成隔离动作;而储能系统藉由双向功率转换器(图2)连结微电网电力汇流排，于一个周期内，由电流源快速转换为一稳定电压源，提供能量给予负载使用。



图2 双向功率转换器装置构造图




        当静态开关跳脱瞬间，微电网电力汇流排电压将骤降，此时分散式电源搭配具实、虚功率控制及低电压穿越功能(LVRT)的再生能源电力转换器(图3)，仍在可容忍电压笵围内，持续与微电网的电力汇流排连接，使微电网内部持续供电，达成市电并联模式与孤岛运转模式间之平稳切换。当微电网内部故障排除或外部市电恢復时，静态开关判断市电正常，则利用双向功率转换器调整实、虚功率输出至微电网电力汇流排，当内外部的电力汇流排电压、频率同步后令静态开关闭合，微电网再重新并网。





图3 具实虚功率控制及低电压穿越功能的再生能源电力转换器




        目前核电所微电网已完成前述具主动式孤岛侦测技术的静态开关、实虚功率输出控制的双向功率转换器、电流源转换电压源平稳切换技术，及具有低电压穿越功能的再生能源电力转换器等设备开发及功能测试。
 
        有别传统电网微电网电力系统大改造
        微电网内部包含再生能源系统、分散式电源，如微涡轮机、燃料电池及各类负载组成，当处于孤岛运转时，其电力潮流方向、系统暂态现象、电力品质分析及保护协调机制，均与传统电网的需求不同。
 
        目前核研所开发的微电网三相潮流解析法，适用于低电压、高R/X比的三相不平衡系统或电压控制型汇流排过多的微电网系统，不论于微电网在并网或孤岛运转下，皆能保持强健性及快速收敛、求解的效果。另外，为分析微电网并网、孤岛及N-1事件时的系统暂态响应，核研所亦已建立高聚光太阳能电池(HCPV)、风力机组、电力转换器及电子负载等微电网细部元件的数学模型。
 
        由于再生能源使用的电力转换器大多含有电容及电感元件，容易产生系统谐波，因而也须建构微电网系统主要元件谐波时域模型，并开发微电网于并网与孤岛不同状态的三相谐波潮流与不平衡分析，以确保微电网电力品质。现阶段，业界已运用主动式电力滤波器(APF)，改善微电网系统中谐波滤除、无效通滤补偿、功率因数修正与负载平衡等问题，并实现微电网电力品质监控平台;核研所正在研发中的微电网系统亦可支援上述功能。
 
        此外，微电网所需的电力保护机制亦与传统电力系统不同，业者须导入具可扩充与随插即用(Plug-and-Play)的模组化微电网保护协调机制，同时还要依据微电网区域串、并联形式，开发微电网内部发生故障时的电源-负载配置(Configuration)方法，减少微电网内部故障时须卸除的负载量，并配合卸载计划提高供电可靠度。
 
        强化微电网能源管理通讯/储能系统扮要角
        至于微电网控制与管理方面，其监控介面与即时量测系统(图4)须确保各区域系统讯号的同步性、正确性与精确度，并于系统介面上设定与执行情境测试步骤，截取即时量测波形资料，做为故障侦测演算法、谐波频谱分析与卸载策略开发的依据。



图4 微电网监控介面与即时量测系统




        此举将有助实现微电网生活化应用，透过建置家庭微电网监控介面与即时量测系统，并开发负载用电与再生能源发电量预测演算法，结合储能系统、电动车与未来时间电价机制，就可进行市电、负载、储能系统与再生能源的电力调度，满足用户节能需求。
 
        未来，微电网将结合IEC-61850、电力线通讯(PLC)、ZigBee及无线区域网路(Wi-Fi)，与多区域微电网或台电配电自动化平台做连结，建立混合式通讯介面于微电网监控介面与即时量测系统，以达成并网及多区域供电调度功能。
 
        除通讯技术外，电网级储能系统亦是微电网电能管理重要的一环，供应商须整合储能与微电网监控介面、即时量测系统，才能在不同的微电网运转模式下达成动态电力调节，以确保微电网供电品质。然而，新电池的开发与复合系统的应用，除须研发新的化学配方研发与结构设计外，还须进行其特性与应用测试，因此测量、评估与分析各种储能技术是发展电网级储能系统不可或缺的要务。
 
        核研所建置储电电池管理系统测试平台，主要设备包括有25kW充放电测试机、5kW全钒液流电池(Vanadium Redox Battery， VRB)系统与60kWh磷酸锂铁电池组，并逐步建立储能电池与系统的测量分析能力、建立测试程序与标準，进行分散与集中化之电能管理系统(EMS)与电池管理系统(BMS)等技术开发。
 
        此外，核研所近期更投入全钒氧化还塬液流电池技术开发，包含离子交换膜、活性物质、双极板及流道设计、电池平衡控制系统(BOP)及密封组装技术等，并依据微电网及储能系统的特性进行整合测试及应用，提供分散式再生能源微电网之能源有效调节运用。
 
        台产官学研全力推动微电网
        目前台湾的经济部已提出智能电网总体规划方案，而国科会能源国家型计划中，亦已列入智能电网主轴计划--微电网先导计划，同时也与国内学术单位合作，包括中山大学、中央大学、中正大学、中塬大学、台湾大学、台湾科技大学、成功大学、清华大学、义守大学与联合大学等，全力培育国内微电网领域的专业人才，以加速推动未来微电网建置及前瞻性技术研发。
 
        核研所扮演产业与政府之间的沟通桥梁，现已与中华电信研究所签订合作备忘录MOU，共同开发微电网分布式电力节点资讯同步整合技术，并与裕隆集团纳智捷公司签订合作意愿书，推动电动车应用。
 
        核研所也已完成微电网产业先期参与及技术移转案，包含微电网能源管理与控制、新型谐波与间谐波量测演算法、负载预测、低压穿越测试环境建置和数位脉波调控等技术;并与国内多家厂商合作开发微电网能源管理控制平台、通讯技术、储能系统、微电网电力转换器、智能家庭微电网等关键技术，以促成国内产业加速进入微电网供应链。
 
        除电网建置与新技术研发外，台湾也开始着手推行微电网标準，包含产业标準验证试验设施规划等工作，如技术推广及示笵教育等，充分让参访者了解微电网架构、发展现况与未来应用。
 
        微电网技术可扩大再生能源应用，增强区域电网供电稳定及可靠度，配合经济部澎湖低碳岛示笵计划、阳光屋顶百万座及千架海陆风力机等计划的推动，微电网将扮演重要角色并发挥效益，未来应用于离岛、偏远地区、农庄及中小型社区等。
 
        在短期效益方面，可提高台湾电力网路对分散式再生能源电力承载容量，达成可稳定控制再生能源发电渗透率20%的区域电网的目标。中长期，将结合电动车、储能产业，期望在中小型社区规模广泛运用，降低电能传输损失及尖峰负载用电，有效提升能源使用效率。