事實上，日本于2010年即成立智慧社區(qū)(Smart Community)聯(lián)盟，由新能源及工業(yè)技術發(fā)展組織(NEDO)于橫濱、豐田、京都府與北九州等四個都市進行微電網(wǎng)示範計畫;中國大陸則將微電網(wǎng)試點列入十二五計畫，國家電網(wǎng)電力公司已于南麂島和鹿西島分別建置離網(wǎng)型及并網(wǎng)型微電網(wǎng)示范工程。
2012年美國再生能源國家實驗室(NREL)亦與沙加緬度市電力公司(SMUD)于加州建置微電網(wǎng)示範系統(tǒng);韓國國網(wǎng)更進一步在濟州島上建置智慧電網(wǎng) (Smart Grid)測試區(qū)。至于歐盟則提出第七期架構方案(Framework Programme 7)，由雅典科技大學領導團隊于Kythnos島內(nèi)建置微電網(wǎng)測試系統(tǒng);另外，西班牙、葡萄牙、德國和法國等也都有微電網(wǎng)示範計畫正在運行。
實現(xiàn)節(jié)能減碳目的核研所加速微電網(wǎng)測試
為接軌國際間節(jié)能減碳風潮，臺灣核能研究所(簡稱核研所)亦致力發(fā)展自主式(Autonomous)微電網(wǎng)技術，并規(guī)畫分叁個階段進行，以有效提升國內(nèi)再生能源利用率。第一階段系統(tǒng)將著重分析與關鍵技術研發(fā)，第二階段則進行系統(tǒng)工程整合，以能源電子技術配合微電網(wǎng)能源管理及儲能技術，發(fā)展區(qū)域電網(wǎng)再生能源滲透率達10%(裝置容量20%)的電力控制技術。
第三階段將進行系統(tǒng)試運轉，以分散式發(fā)電架構，示範并推廣自主式控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)，于市電併聯(lián)與孤島運轉平穩(wěn)切換，有效控制微電網(wǎng)再生能源發(fā)電滲透率達 20%(裝置容量達40%)，提升國家能源安全、開發(fā)新興國家市場與加入先進國家市場供應鏈，同時創(chuàng)造綠色就業(yè)機會及能源新興產(chǎn)業(yè)的契機。
目前，核研所已完成建置國家級首座一百瓩(kW)級自主式低壓380伏特(V)微型電網(wǎng)示範系統(tǒng)及測試平臺(圖1)，提供產(chǎn)業(yè)、學術單位、研究機構、電力公司等進行研究與測試，并發(fā)展微電網(wǎng)相關核心技術，包含能源電子、電力系統(tǒng)、智慧控制與能源管理、電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)與應用工程技術等四大關鍵技術。
微電網(wǎng)經(jīng)由靜態(tài)開關與市電併聯(lián)，當內(nèi)部發(fā)生故障或外部市電故障時，靜態(tài)開關運用主動式孤島偵測技術，快速確認故障并完成隔離動作;而儲能系統(tǒng)藉由雙向功率轉換器(圖2)連結微電網(wǎng)電力匯流排，于一個周期內(nèi)，由電流源快速轉換為一穩(wěn)定電壓源，提供能量給予負載使用。
圖1 雙向功率轉換器裝置構造圖
當靜態(tài)開關跳脫瞬間，微電網(wǎng)電力匯流排電壓將驟降，此時分散式電源搭配具實、虛功率控制及低電壓穿越功能(LVRT)的再生能源電力轉換器(圖3)，仍在可容忍電壓範圍內(nèi)，持續(xù)與微電網(wǎng)的電力匯流排連接，使微電網(wǎng)內(nèi)部持續(xù)供電，達成市電併聯(lián)模式與孤島運轉模式間之平穩(wěn)切換。當微電網(wǎng)內(nèi)部故障排除或外部市電恢復時，靜態(tài)開關判斷市電正常，則利用雙向功率轉換器調(diào)整實、虛功率輸出至微電網(wǎng)電力匯流排，當內(nèi)外部的電力匯流排電壓、頻率同步后(圖4)令靜態(tài)開關閉合，微電網(wǎng)再重新併網(wǎng)。
圖2 具實虛功率控制及低電壓穿越功能的再生能源電力轉換器
圖3 微電網(wǎng)靜態(tài)開關重新併網(wǎng)的內(nèi)、外電網(wǎng)電壓同步波形。
目前核電所微電網(wǎng)已完成前述具主動式孤島偵測技術的靜態(tài)開關、實虛功率輸出控制的雙向功率轉換器、電流源轉換電壓源平穩(wěn)切換技術，及具有低電壓穿越功能的再生能源電力轉換器等設備開發(fā)及功能測試。
有別傳統(tǒng)電網(wǎng)微電網(wǎng)電力系統(tǒng)大改造
微電網(wǎng)內(nèi)部包含再生能源系統(tǒng)、分散式電源，如微渦輪機、燃料電池及各類負載組成，當處于孤島運轉時，其電力潮流方向、系統(tǒng)暫態(tài)現(xiàn)象、電力品質分析及保護協(xié)調(diào)機制，均與傳統(tǒng)電網(wǎng)的需求不同。
目前核研所開發(fā)的微電網(wǎng)叁相潮流解析法，適用于低電壓、高R/X比的叁相不平衡系統(tǒng)或電壓控制型匯流排過多的微電網(wǎng)系統(tǒng)，不論于微電網(wǎng)在併網(wǎng)或孤島運轉下，皆能保持強健性及快速收斂、求解的效果。另外，為分析微電網(wǎng)併網(wǎng)、孤島及N-1事件時的系統(tǒng)暫態(tài)響應，核研所亦已建立高聚光太陽能電池(HCPV)、風力機組、電力轉換器及電子負載等微電網(wǎng)細部元件的數(shù)學模型。
由于再生能源使用的電力轉換器大多含有電容及電感元件，容易產(chǎn)生系統(tǒng)諧波，因而也須建構微電網(wǎng)系統(tǒng)主要元件諧波時域模型，并開發(fā)微電網(wǎng)于併網(wǎng)與孤島不同狀態(tài)的叁相諧波潮流與不平衡分析，以確保微電網(wǎng)電力品質?，F(xiàn)階段，業(yè)界已運用主動式電力濾波器(APF)，改善微電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波濾除、無效通濾補償、功率因數(shù)修正與負載平衡等問題，并實現(xiàn)微電網(wǎng)電力品質監(jiān)控平臺;核研所正在研發(fā)中的微電網(wǎng)系統(tǒng)亦可支援上述功能。
此外，微電網(wǎng)所需的電力保護機制亦與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不同，業(yè)者須導入具可擴充與隨插即用(Plug-and- Play)的模組化微電網(wǎng)保護協(xié)調(diào)機制，同時還要依據(jù)微電網(wǎng)區(qū)域串、併聯(lián)形式，開發(fā)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時的電源-負載配置(Configuration) 方法，減少微電網(wǎng)內(nèi)部故障時須卸除的負載量，并配合卸載計畫提高供電可靠度。
強化微電網(wǎng)能源管理通訊/儲能系統(tǒng)扮要角
至于微電網(wǎng)控制與管理方面，其監(jiān)控介面與即時量測系統(tǒng)(圖5)須確保各區(qū)域系統(tǒng)訊號的同步性、正確性與精確度，并于系統(tǒng)介面上設定與執(zhí)行情境測試步驟，截取即時量測波形資料，做為故障偵測演算法、諧波頻譜分析與卸載策略開發(fā)的依據(jù)。
圖4 微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時量測系統(tǒng)
此舉將有助實現(xiàn)微電網(wǎng)生活化應用，透過建置家庭微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時量測系統(tǒng)，并開發(fā)負載用電與再生能源發(fā)電量預測演算法，結合儲能系統(tǒng)、電動車與未來時間電價機制，就可進行市電、負載、儲能系統(tǒng)與再生能源的電力調(diào)度，滿足用戶節(jié)能需求。
未來，微電網(wǎng)將結合IEC-61850、電力線通訊(PLC)、ZigBee及無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)，與多區(qū)域微電網(wǎng)或臺電配電自動化平臺做連結，建立混合式通訊介面于微電網(wǎng)監(jiān)控介面與即時量測系統(tǒng)，以達成併網(wǎng)及多區(qū)域供電調(diào)度功能。
除通訊技術外，電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)亦是微電網(wǎng)電能管理重要的一環(huán)，供應商須整合儲能與微電網(wǎng)監(jiān)控介面、即時量測系統(tǒng)，才能在不同的微電網(wǎng)運轉模式下達成動態(tài)電力調(diào)節(jié)，以確保微電網(wǎng)供電品質。然而，新電池的開發(fā)與復合系統(tǒng)的應用，除須研發(fā)新的化學配方研發(fā)與結構設計外，還須進行其特性與應用測試，因此測量、評估與分析各種儲能技術是發(fā)展電網(wǎng)級儲能系統(tǒng)不可或缺的要務。
核研所建置儲電電池管理系統(tǒng)測試平臺，主要設備包括有25kW充放電測試機、5kW 全釩液流電池(Vanadium Redox Battery， VRB)系統(tǒng)與60kWh磷酸鋰鐵電池組，并逐步建立儲能電池與系統(tǒng)的測量分析能力、建立測試程序與標準，進行分散與集中化之電能管理系統(tǒng)(EMS)與電池管理系統(tǒng)(BMS)等技術開發(fā)。
此外，核研所近期更投入全釩氧化還塬液流電池技術開發(fā)，包含離子交換膜、活性物質、雙極板及流道設計、電池平衡控制系統(tǒng)(BOP)及密封組裝技術等，并依據(jù)微電網(wǎng)及儲能系統(tǒng)的特性進行整合測試及應用，提供分散式再生能源微電網(wǎng)之能源有效調(diào)節(jié)運用。
臺產(chǎn)官學研全力推動微電網(wǎng)
目前臺灣的經(jīng)濟部已提出智慧電網(wǎng)總體規(guī)畫方案，而國科會能源國家型計畫中，亦已列入智慧電網(wǎng)主軸計畫--微電網(wǎng)先導計畫，同時也與國內(nèi)學術單位合作，包括中山大學、中央大學、中正大學、中塬大學、臺灣大學、臺灣科技大學、成功大學、清華大學、義守大學與聯(lián)合大學等，全力培育國內(nèi)微電網(wǎng)領域的專業(yè)人才，以加速推動未來微
電網(wǎng)建置及前瞻性技術研發(fā)。
核研所扮演產(chǎn)業(yè)與政府之間的溝通橋梁，現(xiàn)已與中華電信研究所簽訂合作備忘錄MOU，共同開發(fā)微電網(wǎng)分布式電力節(jié)點資訊同步整合技術，并與裕隆集團納智捷公司簽訂合作意愿書，推動電動車應用。
核研所也已完成微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)先期參與及技術移轉案，包含微電網(wǎng)能源管理與控制、新型諧波與間諧波量測演算法、負載預測、低壓穿越測試環(huán)境建置和數(shù)位脈波調(diào)控等技術;并與國內(nèi)多家廠商合作開發(fā)微電網(wǎng)能源管理控制平臺、通訊技術、儲能系統(tǒng)、微電網(wǎng)電力轉換器、智慧家庭微電網(wǎng)等關鍵技術，以促成國內(nèi)產(chǎn)業(yè)加速進入微電網(wǎng)供應鏈。
除電網(wǎng)建置與新技術研發(fā)外，臺灣也開始著手推行微電網(wǎng)標準，包含產(chǎn)業(yè)標準驗證試驗設施規(guī)畫等工作，如技術推廣及示範教育等，充分讓參訪者了解微電網(wǎng)架構、發(fā)展現(xiàn)況與未來應用。
微電網(wǎng)技術可擴大再生能源應用，增強區(qū)域電網(wǎng)供電穩(wěn)定及可靠度，配合經(jīng)濟部澎湖低碳島示範計畫、陽光屋頂百萬座及千架海陸風力機等計畫的推動，微電網(wǎng)將扮演重要角色并發(fā)揮效益，未來應用于離島、偏遠地區(qū)、農(nóng)莊及中小型社區(qū)等。
在短期效益方面，可提高臺灣電力網(wǎng)路對分散式再生能源電力承載容量，達成可穩(wěn)定控制再生能源發(fā)電滲透率20%的區(qū)域電網(wǎng)的目標。中長期，將結合電動車、儲能產(chǎn)業(yè)，期望在中小型社區(qū)規(guī)模廣泛運用，降低電能傳輸損失及尖峰負載用電，有效提升能源使用效率。
