臉書發文 | 2024年4月
403事故的系統頻率變動圖，可以算是教科書式的案例。搭着臺灣社會突然涌上的電力系統研究熱潮，我們可以再次複習電力系統中的慣性（inertia）與初級頻率控制（primary frequency control）如何運作。底下我用學術上一般性的術語稱呼一些系統頻率相關彈性能力，世界各國電網業者對應的用語雖然不同，原理大同小異。
在電力系統發生事故後，第一時間系統上的反應至爲關鍵。如果只考慮系統頻率的變動，相關的穩定性指標如下：
如果系統頻率的變化速率太快、頻率變動太大，或者頻率開始回覆的時間太長，都可能會造成更多電廠解聯、或者更多負載卸載等較大的損害。而影響這三個穩定性指標的彈性服務，則是系統的慣性、初級頻率控制總量、以及初級頻率控制反應速率。
初級頻率控制總量是其中相對直觀的：如果我們如果同樣的系統裡有越多彈性資源提供初級頻率控制，就能降低系統頻率最大變動值。比如說如果用一根彈簧拉起重物彈簧產生的伸長量如果是Δx，兩根彈簧拉起同樣重物產生的伸長量就會變成Δx/2，原理基本上就是這樣。
系統慣性跟初級頻率控制反應速率的關係比較複雜。理想上我們希望系統慣性越大越好（所以第一時間的頻率變動不會太大）、同時系統各彈性資源的初級頻率控制反應速率越快越好（所以可以儘快對事故做出適當反應），但這兩種特性在物理上往往是互斥的－傳統電廠好比一輛大卡車，有比較高的慣性、但一旦出差錯要修正就很難；由逆變器控制的分散式彈性資源則好比自行車，靈活輕巧、但沒有甚麼物理上的慣性，較容易翻覆。
能源轉型的一大趨勢就是要把電力部門從一個貨運車隊轉型成自行車隊。這會讓系統特性發生改變，圖二是一個示意圖。圖中，當系統初級頻率控制總量不變、而系統慣性和初級頻控反應速率成反比發展時，可以看到系統達到頻率最大變動值的時間，會隨着系統慣性的減少而減短。如果我們假設一個初級頻率控制反應速率較快的系統，其次級頻率控制（secondary frequency control，底下會做說明）的反應速率也能提升（這是合理的假設，畢竟電池在主導初級頻控之後，下一步就是滲透到次級頻控的市場中），那麼能源轉型就會產生一個初始頻率變動更大、但也能更迅速回復至正常範圍的新的電力系統。
當然，由逆變器控制的分散式彈性資源物理上缺乏的慣性，可以藉由控制邏輯彌補（比如將電池設定成根據頻率變動速率決定充放能多寡），這就是合成慣性（synthetic inertia）的概念。如此，電池和綠能的設置就有機會促成系統慣性跟初級頻控反應速率同時提升的良好發展，但也代表電力系統將更仰賴合宜的控制邏輯和協調。
臺灣的初級頻率控制，目前藉由市場籌措的備轉容量，已經大部分由電池儲能主導（所以電池儲能在這次事故後傷害減損的貢獻不容抹滅）。但初級頻率控制下，彈性資源僅會對頻率的偏移量做出反應，因此如果只靠初級頻率控制，穩定狀態下系統頻率可能會固定在略爲偏移正常範圍的程度，而無法真正回覆至正常範圍內。將系統頻率確切地回覆至正常範圍內，是次級頻率控制的工作，時間尺度大約爲數分鐘到十來分鐘以內。
初級頻率控制中，彈性機組各自捕捉系統頻率擾動訊號並自動做出反應，電網業者毋須主動進行控制；從次級頻率控制以上的備轉容量的調度方式，則是電網業者（通常是輸電網業者，雖然現在歐洲開始有一些由配電業或輸配電業協調進行備轉容量資源調度的討論）統整歸納各地供需情況後，再對各個彈性資源下達調度指令。當然在極端的情境下（比如超級大地震或敵方電子戰癱瘓全國的通訊系統之類的），集中式控制就可能會產生問題，也是學術上各種分散式控制（distributed control）、甚至去中心化控制（decentralized control）討論的動機之一。
在次級頻控之後，三級控制（tertiary control，時間尺度爲十來分鐘到1小時以內）的目的在於讓次級頻率控制的彈性資源回到參考點。超過1個小時以上的供需擾動，通常也有充足的時間讓市場透過價格機制應對，在歐洲就不會是電網業者的工作，而是電能市場中各個平衡責任方（balancing resposible party）需要自行處理的課題；不過臺灣還沒有電能市場，這個時間尺度對應到的備轉容量市場商品是補充備轉（replacement reserve）。