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德國虛擬電廠的發展和基本運作模式(上)

1. 虛擬電廠的定義
隨著環境和資源保護意識的高張、能源市場的高度自由化,以及資通訊與發電技術的進步,這三項背景條件帶動了德國分散式發電系統的發展,並使其在能源市場中的地位日益重要。
分散式發電系統,是指越來越多的電力來自於電力產業結構的中下游階段,像是分散在不同場址的風電設備,或是住宅屋頂上安裝的太陽能板,而有別於傳統的大型電廠集中發電、由上而下的供電結構,這類分散式電源(dezentrale Erzeugungsanlagen, DER)能夠讓「電力商品」的製造與配送,更加貼近消費者。
所謂虛擬電廠(virtuelle Kraftwerke),就是把分散在四處、與不同層級電網相連的分散式電源結合起來,進行集中控制與調度的單位,這個新興產業單元除了協調供電的任務之外,並有提高能源效率的作用。
虛擬電廠的運作,係以資通訊(ICT)系統(例如網路)與分散式電源建立連線,透過中央控制中心的能源管理系統進行運算、規劃及控制,為分散式電源安排最佳的運轉模式。因此,虛擬電廠本身並不配備如傳統電廠的硬體設備,如發電機組,而是透過資通訊系統調控各地的分散式電源,調配供電量給電力銷售端(例如電力零售商、批發商),或是電力集中交易市場,而達到相當於電廠的供電規模與作用。不過與傳統電廠不同的是,虛擬電廠除了連接發電設備之外,也可連接消費端的負載設備,透過控制負載設備的開關,來彌補再生能源其間歇性電力的波動,減少備轉容量的負擔,協助整體電力系統的平衡。
2. 虛擬電廠的結構
2.1 能源管理系統的運作方式
在虛擬電廠內部會建置的能源管理系統(Energy Management System, EMS),係用來調節消費端的電力需求與發電端的供電量,使兩者達到最佳平衡狀態,以促進供電系統的生態保護和經濟效率。虛擬電廠調節電力供需平衡的三項重要步驟為:發電預測與負載預測、發電排程與機組控制,以及EMS運作監測機制。
在德國,電力可以在集中市場上自由交易,為了電力市場的交易順利,在市場上從事交易的電力經銷商或電力零售商,必須事先掌握各個機組的發電量,以及簽約用戶的用電量。這點對於再生能源,如風電、太陽能設備尤其重要,因為再生能源設備的發電量會受到天候、風力及日照不穩定的影響,所以虛擬電廠EMS系統的基本任務即為發電預測。EMS的預測系統軟體,通常可預測接下來24小時到未來一週的氣象數據、機組發電量、用戶負載端的用電量及暖氣使用量等,只要輸入的背景數據越正確,該系統的預測結果就會越準確,市場交易的獲利可能性隨之增加。
這套預測系統軟體,通常運用氣象學上的卡爾曼濾波法(Kalman filter),以歷史數據和氣候數據,並觀察消費端的變化,例如用戶數量與用戶的改變等資料為基礎,進行發電與負載預測,而根據預測得到的數據,為轄下發電機組製作每15分鐘排程的即時調度計畫。EMS的另一套軟體,則負責根據發電排程與調度計畫,控制連線的分散式電源,使發電發揮最大綜效。不過調度計畫的連線控制,實際執行時會受到控制方與受控制方雙方之技術條件、供應或銷售合約之條款,以及其他經濟條件,例如發電成本等因素之影響。因此實際執行時,EMS對於供需平衡優化計算的結果未必能夠百分之百實現。
EMS所製作的每15分鐘最佳排程,為虛擬電廠維持供需兩端的即時平衡,對分散式電源進行線上優化控制的基礎。首先,排程的發電量與負載量預設值(Sollwerte)會先傳送給發電方、負載方與虛擬電廠的控制平台,發電與負載方回傳目前的發電或用電的實際值(Ist-Werte),如果與設定值有落差,EMS會就相關發電機組、負載機組與儲能設備,重新計算新的供需分配的最佳成本效益組合,以確保調度計畫能夠盡可能被準確的執行。
虛擬電廠與機組、設備之間的連線控制,係根據實際需要而採取不同的通訊系統,例如與汽電共生設備(Blockheizkraftwerke, BHKW, combined heat and power units, CHP)的連線,為能即時取得CHP每分鐘發電或產熱的實際值,通常使用專用線路(user to user connection)與ISDN線路;與太陽能設備的連線,因為只須要傳遞每個小時電力需求的預設值及發電順序,通常使用交換線路(switched line)或撥號線路(dial up line)即可。
2.2 虛擬電廠調控分散式電力資源之結構
虛擬電廠調控的分散式電源,除了再生能源設備外,也包含汽電共生設備(Kraft-Wärme-Kopplung)。
再生能源設備,包含太陽能光伏設備,可以將直射或分散的太陽光線,透過光電(光伏)效應轉換成直流電,或以變流器(Wechselrichter, Inverter)轉換成交流電,而將電力饋入低壓電網之中。水力電廠主要可分為川流式和蓄水式發電,川流式發電可提供持續且穩定的電力,蓄水式發電的特色可在短時間內迅速餽電,特別是在電網頻率發生不穩定時,可以快速投入協助電網平衡。風力設備則是利用部分的風力推動旋轉葉片,帶動發電機產生電力,不過在技術層面上,當風速過低或過高時,會使得發電機無法正常運作,以致於風電的供電品質相對較不穩定。生質能,是在大型汽電共生設備的燃燒的過程中同時產生熱能與電能。
汽電共生的原理,是利用能源介質(例如生質)在轉換過程產生的熱能來發電,具體而言,就是以內燃機驅動發電機發電。內燃機在燃燒能源介質的過程中會排出熱氣,設備中冷卻系統的冷卻水會吸收該熱能,經過熱交換器(Wärmetauscher, heat exchanger)的轉換,將原本可能被排放不用的熱(廢熱)氣成為驅動發電機的能量。相較於一般的純發電機,汽電共生設備的發電效率至少可達百分之80以上。
汽電共生設備,按其發電係數,即發電容量與熱量輸出之比,可分成兩大類,一種為電熱比固定的汽電共生設備,另一種為可變動電熱比的汽電共生設備,後者可將電、熱的生產分離,而讓熱量單獨在冷凝系統(Kondensationsbetrieb, condensation operation)中發電。汽電共生的技術,傳統以來多被運用在大型的暖氣供應站或汽電共生廠(Heizkraftwerk, heating plant, co-generation power station),後來也開發出小型的汽電共生設備(BHKW, block heat and power station),這種一體成形的小型設備運轉起來更有效率,可以長時間持續維持高效能的熱、電聯產,而且佔地空間小,設置距離更接近用戶端,調度更快速,可減少暖氣和電力輸送過程的耗損,降低溫室氣體的排放。
小型汽電共生設備依其內燃機種類之不同,大致可分為馬達、燃氣渦輪發動機(Gasturbine, gas turbine)和燃料電池(Brennstoffzelle, feul cell)三種,其中馬達和燃料電池的設備,其尺寸有大有小,最大發電容量可以達到百萬瓦(Megawatt)的等級,另外則有更微型的汽電共生機組,發電容量大約為6千瓦(kW),可以直接安裝在建物的地下室,這類機組在德國的住宅或商辦(住商用戶)頗為常見,一般稱為迷你型汽電共生設備(Mini-BHKW)。
3. 虛擬電廠進入輸電層級之調節電力市場
3.1 輸電網與調節電力(備轉容量)
德國輸電層級的特高壓電網分為380和220千伏特(kV)兩種,是最大容量的輸電網,作跨越全國的電力輸送,同時也是歐洲聯合電網(das europäische Verbundsystem, wide area synchronous grid)的一部分,傳統以來為E.on、RWE、EnBW及 Vattenfall四大電力事業集團所有並經營,然而近十多年來在歐盟推動能源市場自由化相關指令的壓力下,分別被迫與母公司分割或轉售,而成為今日的:TenneT、(前身為E.ON)、Amprion(前身為RWE)、EnBW Transportnetze及50Hertz(前身為Vattenfall)。
這四家輸電公司之輸電系統,將全國分為4個輸電區,每家輸電公司負責經營各自的輸電網,平時負責維持輸電網的電壓穩定,並將電網頻率控制在50 Hertz的標準值內,必要時也必須擴充與增加電網的建設,故各該輸電網區域又稱為這四家輸電公司之「控制區」(Regelzone, control area)。其中,所謂控制電網頻率,是指輸電公司為確保電網功率穩定,平時必須準備好「調節電力」(Regelleistung),當供給面的發電廠機組故障或供電不穩,或需求面突然增加或減少用電,造成餽電與負載兩端不平衡,出現電網障礙(Netzstörung)時,而導致電網頻率偏離標準值50 Hertz達正負0.2Hertz,輸電公司必須立即調用「調節電力」,以維持電網的供需平衡。
調節電力分為正調節電力與負調節電力兩種,負調節電力,是指供給大於需求時,讓與電網連線的發電廠臨時降載,或打開新的用電需求,例如讓抽水蓄電廠開始運轉;正調節電力,係指需求大於供給時,通知特定電廠或發電機組將事先備用的容量饋入電網之中。故調節電力又稱為備轉容量。
當電網發生供需不均衡的障礙時,按照輸電公司調用的時間先後順序,備轉容量可分為:第一級備轉容量(Primärregelung, Primary Control Reserve)、第二級備轉容量(Sekundärregelung, Secondary Control Reserve)及第三級備轉容量(Minutenreserve, Tertiary Control Reserve)。
第一級備轉容量,是指在最短的時間內,例如有發電機組突然故障,導致電網出現頻率偏差(frequency deviation)時,負責提供第一級備轉容量的機組必須在30秒內透過自動控制系統快速升載,為電網緊急供應15分鐘的電力(容量),並在同一時間內,逐步由第二級備轉容量來接替。第二級備轉機容量,係指在機組接到輸電網公司發出的控制信號之後,必須在30秒之內自動升載,持續提供15分鐘的電力,之後再由第三級備轉容量來接替。第三級備轉容量,係指必須能夠在電網障礙發生後15分鐘之內開始接續饋入電力,其餽網時間之要求為1到4小時。
3.2 備轉容量之招標程序
調節電力之招標,四家輸電公司有一套共同的招標程序,其招標網頁為www.regelleistung.net,市場上只要符合提供調節電力基本技術要求的供應商都可在此參加投標。供應商如通過資格審查程序的技術與書面審查,得與輸電公司簽定基本架構協議(Rahmenvertrag, frame contract),成為輸電公司的調節電力(備轉容量)供應商。
備轉容量之招標市場為按報價結算市場(pay as bid market),其中的第二級與第三級備轉容量市場,投標者必須分別提報容量價格(Leistungspreis, price per kW)與能量價格(Arbeitspreis, basic preis)兩種價格,前者是得標之後依約必須事先為輸電公司保留一定容量的費用,後者是輸電公司在實際調用備轉容量時每度電的價格。第三級備轉容量為每日公開招標,第二級與第一級備轉容量相同,均為每個月招標一次。
備轉容量的供應商通常為傳統電廠,在2003年之後,德國開始有虛擬電廠加入該市場,其先與小型發電機組(如產業自備的發電機組、風力、太陽能設備)、以及可控制的負載單元(如汽電共生設備)等之所有人或經營者簽約,匯集至最低投標容量5mw(最早期為30MW)參與第三級備轉容量投標,使得分散式的小型發電機組也可以透過與虛擬電廠合作,「間接的」參加第三級備轉容量市場。(德國柏林洪堡大學法律系黃俊凱博士生)

參考資料:
Bauknecht, D., Bürger, V. (2004): Energiewirtschaftliche Bewertung Braunkohletagebau Garzweiler I/II. 瀏覽網址:http://www.oeko.de/oekodoc/198/2004-007-de.pdf
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) (2012): RegModHarz Arbeitspaketbericht_ Marktbedingungen und Zugangsvoraussetzungen zum Strommarkt 2012, S.66ff.. 瀏覽網址:http://www.regmodharz.de/fileadmin/user_upload/bilder/Service/Arbeitspakete/2013-01-28_Arbeitspaketbericht_Marktzugangsbedingungenx_01.pdf
Klemusch, M. (2006): Virtuelle Kraftwerke – Ein sinnvoller Verbund von Kleinanlagen?, GRIN 2006, S. 1ff.
Schwaegerl, C. (2002): Integration dezentraler Versorgungsstrukturen in das Versorgungsnetz, in: Hake, Jürgen.Friedrich (Hrsg.): Erneuerbare Energie: Ein Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung? 2002, S. 142-150

更新日期 : 2020/10/06