再生能源對電網的影響（上）：電力系統如何運作？

2021/08/01閱讀時間約 4 分鐘

前言

近年再生能源發展快速，尤其是風力發電和太陽能，在全球發電佔比從2010年兩者相加不到2%，到2020年已超過9%。然而，風力和太陽能發電具有間歇性（intermittency），太陽能發電會受到天氣影響，一片雲飄過都會改變發電量，而風速也可能隨時改變。這樣不固定的發電方式，對電力系統有什麼影響？

全球發電來源1985-2020

電力系統如何運作？

電力系統要隨時保持供需平衡。在電燈打開後的數秒內，某個發電機組會增加輸出來供應電燈需要的電力。當燈關掉後，發電機組會減少輸出。

要了解再生能源對電網的影響，首先要了解電力系統如何運作。為了更容易了解，這裡用協力車載人的例子來解釋。此協力車有三個特點：

車子要保持一定速度，太快或太慢會失控。
沒有煞車，只靠調整動力來控制速度。
車載的負載會隨時改變。

要如何保持速度？

車速維持不變，代表輸出等於負載。但當負載突然減少（車子變輕）車速會增加。反之，負載增加時（車子變重）車速會減慢。為了保持車速，動力輸出要隨時根據車速來調整。

當速度變快或是變慢時，踩車子踏板的頻率會跟變化。騎車的人會調整踩踏板的力道，以維持同樣的車速。此外，車子本身有一定的重量，使其有一定前進的慣性（inertia）。車子越重慣性越大，車速改變的幅度越小。了解此協力車的運作機制後，能幫助了解電網運作的兩個重要的參數：電網頻率和系統慣量。

踩踏板的頻率，如同電網頻率

在騎協力車時，每個人踩踏板的力道可不同，但頻率會一致。

傳統大型發電機組使用同步發電機（ synchrouous generator），所有線上機組的轉速和電網頻率同步，如同協力車所有人的踩踏頻率會相同。從前面的例子可知道，當電網的負載大於供電時，頻率會下降，反之頻率會上升。頻率太高或太低，都會損壞電力系統設備。為了維持電網頻率，發電機組會調整輸出，使發電量等同於負載。註：台灣電網頻率為60Hz，一般會維持在+/- 0.5 Hz之間。

當電網頻率低到一定程度時（例如58 Hz），為了維持整體系統的運作，會切斷部份負載（一般說的跳電）。就像協力車的速度過慢時，只好把車上的重物丟掉來減輕重量，使速度不會太低。

協力車慣性就是系統慣量

協力車越重，慣性越大，車速越不容易改變

當負載大於供電量時，線上同步機組的轉速會一起下降。然而，一個大型發電機組的轉動部件（渦輪）可重達數公噸，所有機組加起來可達上百噸，要一定的時間和力量才能讓所有同步的機組慢下來。這讓發電系統有數秒鐘到數分鐘的時間，來增加輸出維持供需平衡。

電網頻率調整

協力車動力，代表不同發電方式

協力車的動力來源可分成三種：

人力：依據速度，改變踩踏板的力道。負載越大，要有更多人來分擔。
電動馬達：不管車子速度如何，都會提供固定動力。
外部動力：當風吹來時會增加車子前進的動力。

在電力系統中，人力相當於可快速反應的發電機組（例如：水力和燃氣），對維持電網供需平衡很重要。電動馬達為基載機組（例如：燃煤和核能），可提供固定且連續的輸出。外部動力可看作間歇性再生能源發電（例如：風力和太陽能），輸出不固定。

用電量隨時間和季節變化

用電量主要受到人類活動（上下班、假日平日...）和季節（夏天冷氣用量）影響。2017年台灣用電量最低只有15 GW（農曆年凌晨），最高可到36GW（夏天午後），相差了兩倍以上。因此電力系統要有足過的調度彈性，隨著用電變化調整輸出。因此，在一年中有些機組會維持固定的輸出（基載），有些主要在白天輸出（中載），有些只尖峰用電時才會使用（尖載）。

2017年台灣用電量

小結

發電和用電量要隨時持保平衡，而用電量隨時都在改變。因此現有的電力系統有許多技術，來維持電網的平衡。了解這點後可知道，風力和太陽能發電佔比低時，對電網運作影響不大。但多少的比例才不算高？當比例高時該怎麼辨？這些在下一篇文章會討論。