專文投稿 | 2025年5月

科普解析西葡大停電：再生能源搭配儲能，如何穩住電力系統？ | 市場觀點 | Reccessary

前幾天西班牙和歐陸電網其餘區域解聯，進而發生大規模停電。2022年3月，台灣也發生過南北電網解聯，南部電網傳統機組全數停機、必須全黑啟動的情況。這樣的情況究竟如何發生的？再生能源和電池儲能在接下來幾年內如何提供更全面的電網服務來盡可能避免類似的事件？這就是這篇文章要討論的內容。

電網中的震盪性頻率擾動

筆者在一年前403地震後曾撰文《電力系統的慣性與初級頻率控制》，討論電網頻率控制的基本概念，可在閱讀此節前稍做複習。

在那邊文章中，沒有討論到的是，電網頻率雖然理想上要達到全域同步，但卻有可能因為電網中不同區域的連結變弱或供需失恆過多，導致不同區域的電網頻率開始偏差，其中一個常見（也有在這次西班牙大停電前發生）的狀況是震盪性頻率擾動。當這種情況發生時，就不能再單純以電網整體的慣性和初級頻率控制參數，來分析頻率穩定性。

震盪性頻率擾動可以從描述各子系統能量守恆的搖擺方程式（swing equation）中推導出，而該方程式的數學性質也決定了各區域電網頻率的穩定性。底下我們用一個機械性的類比方便讀者理解：

1. 首先，如下圖(a)，考慮一顆由線條懸掛在天花板上的球，其中球可以類比為電網中和他處連接性較差的局部區域，天花板可以類比為電網其餘區域。球處於靜力平衡，可以類比為擾動發生以前正常運作中的電力系統。
2. 接著如圖(b)，我們針對該球施加一微小的切向位移。這樣的位移可以類比為電網中微小的相位角擾動。
3. 於是機械系統中的球開始沿著切向進行來回振動，如圖(c)。類比在電力系統中這便是震盪性頻率擾動的來源。

電網中震盪性頻率擾動的機械類比。(a)沒有擾動的靜力平衡狀態。(b)施加初始小擾動。(c)小球來回震盪。

從以上類比可以看出，局部區域各自的慣性（抗拒頻率變動的能力）、擾動大小、以及擾動發生後的頻率控制，會決定震盪性頻率擾動發生後，電力系統能否保持穩定，抑或擾動振幅逐步擴大直到各區域無法維持同步運轉為止。

電池儲能：事故發生時的定海神針

那麽，綠能和儲能要如何處理包括前述震盪性頻率擾動在內的各種電網穩定性問題呢？

一般再生能源併網採取電網追隨（grid following）控制，亦即控制系統觀測併網點的電壓和相位角，並據而設定輸出電流參考值，以最大程度地供應綠電入電網中。目前，有些再生能源和電池已經可以採取電網支援（grid supporting）控制，針對觀測到的電網頻率和電壓，動態調整輸出的有效電力和無效電力，以提供合成慣性、快速頻率反應和其他頻率和電壓控制。

隨著電池儲能在電網的佔比增加，要求部份電池轉做電網建構（grid forming）控制會是綠能主導下電力系統的必然。當其他採取電網追隨控制的電廠僅觀測併網點的電壓和相位角時，採取電網建構控制的電廠則會固定輸出電壓和相位角在一個參考點附近，成為電網的電壓源。這些電廠在事故發生後就會成為電力系統中的定海神針，維持電網上的電壓和相位角，讓其他電廠可以跟隨。

這裡我們可以用一個音樂性的類比來說明：如果電力系統是個樂團，那麽採取電網建構控制的電池儲能就會是樂團的指揮，負責提供穩定一致的控制訊號讓樂團其他成員（採電網追隨控制的綠能和儲能電廠）能依循。樂團指揮本身並不演奏音樂（就像電池本身無法產生能源），但沒有他整個樂團也會群龍無首而無法合奏。