20230426冲高再生能源占比下之电力系统规划
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因应长期减碳趋势，再生能源占比持续提升已為全球各国面临之必然趋势。本研究探讨高再生能源占比下之电力系统面临问题，并探讨因应前述问题，在长期规划模拟时所需考量的评估要素或模型工具。而后将说明进行净零路径电力供需评估时，如何将电力系统整合资讯纳入规划，并说明我国因应净零转型提出的电力系统关键战略内涵，并探讨量化评估作法。
20230426冲高再生能源占比下之电力系统规划
- 1. ?ITRI. 工業技術研究院著作 高再生能源占比下之電力系統規劃 工研院綠能所 能源政策及推動組 能源與淨零策略研究室 李孟穎 (mengying.lee@itri.org.tw) 2023.04.26 1
- 2. ?ITRI. 工業技術研究院著作 ? 前言 ? 高再生能源占比下的電力系統議題 ? 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 ? 結論 大綱 2
- 3. ?ITRI. 工業技術研究院著作 前言 太陽光電 離岸風力 其他 系統彈性與事故 因應能力下降 再生能源區位集中、 不確定性問題 大量再生能源 併網與區域壅 塞 季節性 風力發電變動 2023/02/27 12:24 太陽及風力瞬時發電量合計達696.5萬瓩 12:40 風光滲透率則達31.53% 2023/01/25 12:32 太陽及風力瞬時發電量合計達623.3萬瓩 風光滲透率達到31.21% 2023/04/17 12:00 太陽瞬時發電量達632萬瓩 占當下負載約20% 2050除夕當風力裝置量超過50GW、太陽光電達80GW 3 Source: https://tbotaiwan.com/category/nature/
- 4. ?ITRI. 工業技術研究院著作 高再生能源占比下的電力系統議題 變動性再生能源特性 非同步機組 區域分散性 發電不確定性 發電變動性 系統議題 頻率與電壓響應 電壓控制 電網傳輸容量 電網彈性 電網彈性 可靠容量 關鍵特性與對應議題 4 Source: IRENA(2017), Planning for the renewable future
- 5. ?ITRI. 工業技術研究院著作 高再生能源占比下的電力系統議題 同步機組(傳統 火力機組) 比例下降 正常出力 變動時 系統事故時 (跳機、負載急 遽變化等) 頻率/電壓易 偏離目標值 頻率/電壓響 應能力下降 非同步機組 ? 系統慣量下降 ? 無效電力能力 下降 ? 以變流器(inverter)連結電網的能源(包括PV, wind, storage等)無法提供轉動慣量，故再生能源占比提升會降低 整體系統慣量，增快頻率變動率(Rate of Change of Frequency, RoCoF) ? 非同步機組提供無效電力之能力低，可能導致系統電壓不穩定 需確保頻率/電壓穩定與事故穿越能力 5
- 6. ?ITRI. 工業技術研究院著作 高再生能源占比下的電力系統議題 區域分散性 低占比RE (<30%) 中占比RE (30~50%) 高占比RE (>50%) - 部分區域輸電系統需 進行加強電力網工程 - 部分配電系統線路或 變壓器容量不足 - 因應再生能源集中性 (中南部)，需加強既 有超高壓輸電線路傳 輸能力 - 因應再生能源發電已 經常超過區域電力需 求，需設置專線併接 至負載需求區域 需探討輸配線路容量 6 Source: (1)台電公司配電級再生能源可併容量查詢系統 https://hcweb.taipower.com.tw/ (2)ERCOT(2014), The Competitive Renewable Energy Zones Process
- 7. ?ITRI. 工業技術研究院著作 高再生能源占比下的電力系統議題 發電不確定性/變動性 傳統機組調度靈活性下降 快速反應資源需求增加 受氣候影響之系統變動增加 - 傳統機組占比下降，可快速反應之自動發電控制(AGC) 可進行頻率調節範圍下降 - 可調度電力資源於系統之比例下降 - 淨負載(原始負載扣除再生能源發電)之尖峰點由中午移 轉至晚間期間，且尖離峰差異持續拉大 - 落日期間需要達到快速升載需求提高(1~2GW/10min) - 氣候變動性造成供需不平衡時間增加 系統缺電風險增加 - 發電不確定性導致系統準備發電容量不足，致使缺電機率增加 需探討彈性資源需求 需確保充足可靠容量 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 7 2020年1月每天臺灣離岸風力逐時出力曲線 (一條線為一天) 2017年台電電力系統小時負載與再生能源小時發電量 Source: 台電公司(2018)，「再生能源併聯運轉對電力調度的挑戰與機會」會議簡報
- 9. ?ITRI. 工業技術研究院著作 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 長期能源規劃模型功能與分析尺度 ? 可探討議題：如政策導入影響、政策目標設定與路徑、 新技術導入衝擊等 ? 各面向解析度間具trade-offs，通常考量欲討論的議題， 來擇定模型尺度： ? 時間尺度：代表性時段->逐時/分鐘尺度時序模擬 ? 空間尺度：單點->考量區域或電網節點 ? 技術細節：平均操作參數->機組操作與調度特性 ? 部門耦合：電力部門->多部門交互關係 9 Source: Prina et al. (2020), Classification and challenges of bottom-up energy system models - A review
- 10. ?ITRI. 工業技術研究院著作 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 確保充足可靠容量 1. 設計合適的時間尺度： ? 時間尺度需足以捕捉電力供需關鍵型態，使可靠容量的估算更準確 ? 時間尺度通常綜合考量各部門電力需求曲線(住服、工業、運輸用電 曲線)、變動性再生能源發電曲線(太陽光電、陸域風力、離岸風力)、 以及其他評估需求設定(空污季發電限制等) 增加時段 細緻度 臺灣TIMES模型時段別設定 不同時段分類的太陽光電曲線設定 不同時段細緻度對模擬結果的影響 10 Source: IRENA(2017), Planning for the renewable future Source: 臺灣TIMES模型介紹 https://km.twenergy.org.tw/Energy/page2
- 11. ?ITRI. 工業技術研究院著作 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 確保充足可靠容量 2. 考量再生能源容量價值：據以確保足夠備用/備轉容量率 ? 國際間以有效負載承載能力(effective load carrying capability, ELCC)方法為主，計算在維持系統可靠度水準下， 新機組加入系統時使系統負載可增加的量 ? 容量價值影響因素：再生能源發電曲線(受區域、氣候條件等 影響)、負載型態、再生能源滲透率等影響。 ① ② ③ ①： ②： ③： ELCC計算邏輯 11 Source: PJM(2020), Effective Load Carrying Capability (ELCC)
- 12. ?ITRI. 工業技術研究院著作 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 探討彈性資源需求 1. 納入系統操作限制於模擬程序： ? 升降載率：機組單位時間最大升/降載之容量 ? 最低運轉程度：維持運轉狀態的最低出力程度 ? 啟動時間：冷/暖/熱機啟動時間與成本(燃料耗用) ? 最小啟動與停機時間：維持啟動/停機狀態的最短時間 ? 非滿載之熱耗率：不同負載水準下的熱耗率曲線 不同最低運轉程度的影響 12 Source: IRENA(2017), Planning for the renewable future
- 13. ?ITRI. 工業技術研究院著作 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 探討彈性資源需求 2. 長期容量擴充模型整合發電成本模型 長期容量 擴充模型 單向連結 雙向連結 發電成本 模型 提供長期資源 規劃結果 長期容量 擴充模型 發電成本 模型 提供長期資源 規劃結果 導入技術操作 限制 雙向遞迴模擬：可獲得考量運轉可行性下的 最適化結果 (但當初始差異過大時，無法確保可完成收斂) 單向連結模擬：可驗證長期容量擴充規劃結 果可行性，並提升發電成本估算之精確性 (但無法達到最適規劃解) ? 更精確評估機組發電結構、運轉成本、燃料消費量、排放量等 ? 提升時間尺度與技術細節，評估系統可靠度 ? 合理探討各類彈性資源(儲能、需量反應等)導入效果 13
- 14. ?ITRI. 工業技術研究院著作 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 探討輸配線路容量 1. 將電網投資需求納入再生能源擴充規劃： ? 先外部盤點並計算因應再生能源導入所需輸配 線容量擴充/品質調控等所需投資成本 ? 以每單位再生能源併網所需額外電網投資成本 加入容量擴充規劃模擬之投資成本中 ? 無法探討再生能源供電品質與電網容量投資的 權衡(trade-offs) 14 電網強化 如再生能源併網成本、輸配電路新建與擴充成本等 電力品質維持成本 因應再生能源占比提升所需電力品質調控設備、彈性資 源設備成本等 電網數位化與應用 智慧電網相關設施佈建、控制通訊系統部件等成本
- 15. ?ITRI. 工業技術研究院著作 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 探討輸配線路容量 2. 考量區域特性的發電與傳輸規劃：呈現區域資源 條件差異與所需額外投資 ? 需要詳細地理空間資訊與技術參數 ? 再生能源資料：再生能源區域潛力(可裝置 量、發電容量因數與曲線)、設置成本等 ? 用電負載資料：負載分配、區域負載曲線 ? 傳輸線路資料：線路起訖點、方向、容量、 投資成本與其他技術參數(如潮流分布係數等) ? 需綜合考量資料可取得性與精確度，以及評估 目的，決定模擬之區域細緻度需求 15
- 16. ?ITRI. 工業技術研究院著作 因應電力系統關鍵議題的模擬規劃作法 確保頻率/電壓穩定與事故穿越能力 系統穩定度規劃 - 連續潮流計算與最佳化 - 穩態安全性分析 - 輔助服務需求量規劃 動態電網模型 (毫秒~分鐘) 穩態電網模型 (單一時間點) 發電成本模型 (分鐘~小時) 地理空間規劃模型 (小時~季) 長期能源規劃模型 (小時~季) 穩態電流與頻率 高解析度調度與 機組運轉規劃結 果 電網架構 發電與傳輸線 路容量需求 模擬結果與 限制回饋 解析度低 範圍廣 解析度高 範圍小 16
- 18. ?ITRI. 工業技術研究院著作 結論 ? 因應淨零目標下的高再生能源占比趨勢，應透過跨部會合作， 建立完善、合理、共同且公開的評估工具、機制與資料庫，並 滾動檢討。 ? 美國一半以上的州監管機關要求電業進行採購規劃時，需進行 未來10~30年整合資源規劃(Integrated Resource Planning, IRP)模擬，並據以建立短期執行計畫，並納入相關利害關係人 與管制機關之審核，且需滾動檢討。 - 連結長期目標與短期執行規劃 - 將各面向因素與意見納入考量 - 因應淨零趨勢，滾動檢討評估規範 (如分散式、用戶端電源 規劃、儲能規劃與採購需求等) 整合資源規劃流程 Source: USEPA (2022). State Energy and Environment Guide to Action: Electricity Resource Planning and Procurement. 18