本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託，泛科學執行
- 文/廖英凱
19 世紀 80 年代後期，供電系統與輸配電系統開始商業化興建，與隨之而來的關於直流電與交流電的「電流戰爭」，在往後的一個世紀中，供電系統快速地建設到了多數人的家中，從翻山越嶺的高壓電塔，隱藏於城市中的電氣地下化，到連結離島與離岸風電的海底電纜。輸配電設施的涵蓋程度，有時更超過了公路交通系統。對於當代社會來說，輸配電系統的連結，更是提升生活品質與經濟發展的基石。
隨著 21 世紀資訊與通訊技術（ICT）的興起，我們開始可以看到各 ICT 業者，推出了智慧插座，智慧家電等產品，讓你可以輕易利用行動裝置，控制或了解家中電器產品的狀態。然而，對比起作為基礎建設的輸配電系統，似乎就少了一些與時俱進的「智慧感」，例如家家戶戶樓下的傳統電表，是仰賴電流的電磁感應，使電表中的鋁盤產生渦電流，而得到轉動的力矩，再利用鋁盤的轉動帶動計數器而記錄能耗［1］。
台電公司再定期派員抄寫電表，來通知用戶繳交電費。或例如大尺度的電網供電與發電廠調度，也因特性為集中式發電與階層式電源調度和輸配電，而相當仰賴歷史經驗的判斷，對整體系統上的各環節難以監測與即時調整。
此外，隨著太陽能與風力發電的佔比提升；再生能源裝置的分散性；與發電功率受天候影響而不穩定的特性，也成了未來輸配電系統營運特別需要考量的因素。因此，2010 年起，能源國家型科技計畫就開始推動「智慧電網與先進讀表主軸專案計畫」；2012 年，行政院也核定通過「智慧電網總體規劃方案」，選定了數個規模小、電力系統獨立且有再生能源發展潛力的離島，作為發展智慧電網的先發試驗場域。
2018 年初，義守大學電機系講座教授陳朝順博士所率領的研發團隊，在澎湖七美完成了智慧電網示範系統，利用能源管理系統、儲能系統與智慧變流器的搭配，實踐了穩定可靠，又可降低離島高昂柴油發電費用的智慧電網。
七美智慧電網：再生能源高佔比的前哨戰
七美是澎湖群島中最南端的大島，佔地近七平方公里，常住人口約為兩千人。由於七美與澎湖本島和臺灣本島之間，並沒有海底電纜相連輸電，長年以來，七美發電廠設置了總裝置容量為 4000 kW 的四座柴油發電機組，為七美島提供每年約八百萬度的發電量。然而，柴油發電成本每度電高達十七至十八元，對離島發電經營是沉重的負擔。
過去幾年，台電公司也在七美設置了 400 kW裝置容量的太陽光電，目前也已規劃設置風力發電。當再生能源的佔比逐漸提高時，天候與故障等變動，會嚴重影響到整體系統的負載能力，而可能發生如815停電時，因備轉容量 10% 的電廠故障，而導致全台大規模的停電。因此，在高佔比再生能源的情境下，讓供電穩定又能降低發電成本，就是智慧電網在此發展的首要任務。
七美智慧電網的架構，是在電力系統上，將既有的柴油發電機、太陽光電與儲能系統與規劃中的風力發電系統相連，各個電力設備上裝設由光纖網路相連的監測與控制設備，可由「智慧能源管理系統」自動調整與調度全島的發電與儲能設備的充放電。
雖然過去七美仰賴柴油發電，但隨著太陽光電的建置與未來風力發電的規劃，部分時段的再生能源發電占比，已可達到 50%以上。因此，智慧電網與儲能系統的搭配，輔以氣象預報、歷史用電等能源消耗資料，可以使儲能系統快速充放電的特性，與再生能源變動的發電特性相配合，最終使綠能併網量最大化。
智慧變流器
再生能源發電不可控的特性，也可能造成再生能源輸出至主電網時的電壓不穩定，從而影響電力品質。陳朝順教授的團隊，是在再生能源設備併入主電網前，設置「智慧變流器」，智慧變流器可以將太陽光電發出直流電轉換為一般使用的交流電，並能在維持發電功率的狀況下，調整再生能源發電的電壓，使併網後的總電壓維持穩定。智慧變流器也可透過遠端控制中心的指令調控，達到運轉監測與即時調度的功能。
目前，七美的太陽光電，已全面安裝國產的智慧變流器。標準檢驗局也公告「CNS 15382 太陽光電系統－電力傳輸網界面之特性要求」，旨在規定未來的太陽光電占比提升時，太陽光電設備都需安裝符合標準的智慧變流器，才得以併入主電網而不影響電力品質。而具有遠端監測控制功能的智慧變流器，更能提供電力公司做更即時與細緻的電力調度。
功率也能「虛實」整合！？
智慧變流器能調控電壓的原理，在於能調整「虛功率（a.k.a. 無效功率、電抗功率）」。
在直流電的世界中，電的功率來自於電壓與電流的相乘，提供越多的電壓或電流，自然會有更大的作功效率，也就是我們在中學課本時會學到的：
P=I×V
這也是電器、延長線、電源供應器上關於用電功率的註記，以及電力公司在電錶的紀錄上，實際考量到的功率，稱之為實功率。
但是在交流電的世界中，交流電的電壓與電流是一個不斷的交替的波，在波形的上半部（正半週期），是電源傳送至負載（會耗電的元件、電器）的功率，而波形的下半部（負半週期），則是負載傳回電源之功率。
當交流電的電路中只有電阻時，電壓與電流的相位會完全相同，相乘所得到的功率，其相位也與電壓電流相同。然而在真實世界的電力系統中，並不會只有電阻，還會有電容與電感，特別像是民生與工業大量使用的馬達與壓縮機，也都是電感性的負載。而交流電在電容與電感元件中，會呈現剛好相反的特性。
在純電容的交流電路之中，由於電容的電壓需要電流的累積才會出現，因此電壓滯後電流 90 度相位角，反之在純電感的交流電路中，電感的電壓則因為是電流的導數，而反而會超前電流 90 度相位角。
在一個理想的電路之中，理想的電流和電感並沒有真正消耗掉能量，而是分別在不同的時間點充放電。導致發電廠所發出來的電，並不能夠完全地被電器產品中的電阻給消耗掉，而是被電路中的電容與電感做了無謂的充放電，這個無謂的損耗，也就是所謂的虛功率
為了要減少並沒有辦法真的給電器使用的虛功率，在電器與電力系統的設計上，都會刻意地利用電容和電感的搭配，使電壓與電流的相位差減少，讓整體電器相對於電網來說，近似一個純電阻的元件，就能提升用電的效率且維持電網中的波形恆定。
但對於再生能源高佔比的情境時，以太陽能為例，太陽能所發出的直流電，可交經由變流器（a.k.a. 逆變器、反流器）轉化為交流電再併入主電網，一旦發生天候或用電狀況改變而導致系統過載時，會導致整體系統的電壓升高，而危害到系統上的所有電器。
因此，智慧變流器在此的用處，是透過通信網路與能源管理系統連結，當系統電壓提高時，增加電壓與電流的相位差，使太陽能發電系統的虛功率提升，因而降低輸出的電壓，以維持主電網電壓的穩定。
從七美島到台灣島
七美高佔比再生能源的智慧電網，是實踐我國積極提升再生能源裝置容量的能源政策的寶貴經驗，陳朝順教授認為，雖然如德國等國家，正朝向實踐100%再生能源發電的目標邁進，但達成主因仍受惠於歐陸跨國電網所提供的穩定基礎。臺灣再生能源高佔比的獨立電力結構規劃，在全世界仍屬相當罕見，因此，高佔比再生能源的七美經驗，成了我國電力發展的重要試驗。
此外，臺灣的供電品質雖普遍較世界各國為佳，以系統平均停電時間（SAIDI）來看，臺灣全年平均每一戶大約是 16 分鐘，相比起來德國約 40 分鐘，中國大陸約 60 分鐘。但若以一些規模較小的城市型國家來對比，如盧森堡則約 10 分鐘，新加坡更僅有 0.15 分鐘。代表我國的供電品質，仍可藉由基礎電力建設的更新而有進步的空間，特別是對於科技園區、大都會等關鍵地區，若可盡可能減少電力不穩定的時間與頻率，必然能有助於民生品質與產業發展。
又伴隨資通訊技術與物聯網的發展，與通信網路相結合的電力系統，可以幫助使用者與電力業者，更準確地了解各電力設備的品質與調度電力供需。例如目前都會區普遍採用了電力地下化，但當故障發生時，地下化反成為故障定位與狀況了解的阻礙，因而仰賴搶修工程師在故障區域內的逐一檢測修復。
但結合資通訊技術後，工程師可以在電力系統各環節裝設感測器，了解龐大電力系統各零組件的電壓、電流與溫度等參數，以精準迅速察覺故障發生的位置與原因。
又以電動車為例，部分廠牌電動汽車的充電電流設定為 40安培 至 80 安培，但一般家用電錶的最大總電流常為 25 安培以下，足見當電動車逐漸普及時，電動車的充電將又會是電力供需的一大負荷。因此，若能讓電力公司調配電動車的充電時機至用電離峰時段，就能減少用電尖峰的負荷。
總括而論，智慧電網具有提高再生能源併網量、提升供電品質與更細緻資產管理的功能，是未來高佔比再生能源電力結構下必不可缺的關鍵技術。發展智慧電網所需的電力電子與資通訊科技，亦是我國科學發展與科技產業的強項。然而智慧電網因涉及電力基礎建設的大規模更新，龐大經費的支出仍仰賴足夠誘因的商業模式為解。
若能鼓勵科技、工業園區等業者投入資源佈建局部性的智慧電網；並將能源國家型科技計畫和學界長期以來投入的理論轉化為實務運用。智慧電網的普及，將是我國實踐高佔比再生能源電力結構的關鍵基石。
參考資料
本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託，泛科學執行
