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虛擬電廠是什麼? 能源小白懶人包,帶你初探能源轉型新趨勢

2023 / 03 / 14

虛擬電廠(Virtual Power Plant)是什麼?

說到「虛擬電廠」,首先我們要先了解什麼是集中式與分散式能源系統?

過往我們的輸配電系統,由幾座大型發電廠集中生產電力,一路由變電站運輸至用電所需區域,又稱為「集中式能源系統」。而越大型的發電廠,調整發電量就需要越久的時間,因此通常電網需提前一日就預測明日用電量,不能多也不能少,也造成集中式能源系統在電力調度上有許多困難之處。

而分散式能源系統,則是相對於傳統集中式能源系統而言,透過如太陽能、風能、地熱、儲能等中小型能源設備,在用戶端按用戶的需求就地生產並供應能量。供電量較小但相較彈性、可快速啟用。

虛擬電廠就是將眾多小型、分散的發電與儲能設施,整合在同一個管理平台下,如同一座隱形電廠。可以有效調整電網的供電量與用電量來維繫電網平衡。舉例來說:特斯拉的 Megapack 就是將大型儲能設備併網,當電網缺電、或是發電成本過高時,可透過能源管理系統為電網供應電力、維持電力頻率等輔助應用。

虛擬電廠除了發電回電網,還有另一種方式是減少用電,又稱為需量反應。例如當供電不足時,透過能源管理系統控制能源設備,如電動車、家用蓄電池等,透過電動車、蓄電池供應家中用電,也等同於減少來自電網的用電需求。

簡單來說,只要能在特定時段聚合分散式能源來改變電力供給與需求,就是虛擬電廠的概念。面對未來電動車產業發展與再生能源占比逐漸提高,如何因應無法預期的電力消費突增或再生電力供給的顯著間歇性和強隨機波動性,成為虛擬電廠的絕佳應用場景。

虛擬電廠如何整合分散式能源?

由於虛擬電廠是透過管理眾多小型、分散的發電與儲能設施,數量龐大。因此通常會由負載集成調度商(Aggregation Coordinator,簡稱 AC)與數個能源聚合商(Resource Aggregator,簡稱 RA)共同參與。當市場有調度需求產生,AC 會訂下目標調度的節電量、再由各個能源聚合商分頭執行,積少成多以達成共同的調度目標。

 

 

NextDrive 與 Eneres 合作參與日本最大規模低壓 VPP 實證案

 

能源管理系統如何實現虛擬電廠的運作?

事實上虛擬電廠應用在海外蓬勃發展,尤其因應近年氣候變遷、烏俄戰爭能源危機等趨勢,能源自主與強化電網韌性的議題,在國際間也益發重視。

舉例來說,2021 年一月,日本因嚴寒氣候導致天然氣短缺,電價一夜激增。據日本電力交易所統計,東京地區隔日電價跳漲106%,每度電高達36.19日圓(約新台幣八元)。

2021年二月,美國德州遭遇暴雪極端氣候,電力市場價格飆漲,消費者家中五天電費就高達5,000美元(約新台幣14萬元)。

集中式電網在極端氣候愈發頻繁下,顯得缺乏彈性、無力掌控。對於電力公司,面對未來氣候變遷帶來的不穩定性與潛在風險,尋求其他具備「能源韌性」的解決方案,正是穩定電網的最佳策略。

藏電於民,日本展開國內虛擬電廠實證

先看日本的實例。過去七年,日本除了使用分散式能源,讓多樣、小型的設備加入發電與儲能的行列,經濟產業省也鼓勵導入家庭能源管理系統,調度家用蓄電池、電動車充電樁。

有了家庭能源管理系統,就能啟動自動需量反應——讓物聯網即時判定、操控電量;如此一來,若發生能源危及事件,資通訊技術將迅速反應,也減少調度風險。

此外,系統也讓虛擬電廠發揮作用,能掌握分散的供電狀況,穩定調度。通常,日本虛擬電廠分為兩大角色——一是「負載集成調度商」,負責與系統運營商、售電業者和可再生能源發電企業直接交易,提供需求端負載的電力聚合調度服務;二是「用戶群代表」,負責與居民住宅和工廠等需求端用戶,直接簽訂虛擬電廠服務協議,聚合用戶的各類負載,兩者兼而有之也屢見不鮮。

 

 

圖1 日本鼓勵家戶導入能源管理系統,發展電力調度彈性的虛擬電廠。圖片來源:日本經濟產業省

去年,日本的分散式能源管理實驗案中,成功啟用7,663台家用蓄電池與80台電動車,並操控電力設備,實現升載與降載的電網市場服務。今年,日本再擴大規模,頒布歷年規模最大的分散式能源管理案例。以家庭能源管理系統記下每一到三秒間隔的資料,監控家中用電並記下結果,達成迅速、高效和精準的電力實時動態調控。

同時,政府集結了中央電力、自然電力、東京瓦斯、大阪瓦斯等區域電力零售公司,並邀請了京瓷、三菱重工等家用蓄電池主流廠商做為技術協力夥伴,而NextDrive也成為用戶群代表的一員。我們想藉能源物聯網平台的「軟體即服務」(Software-as-a-Service, SaaS)架構,提供最佳能源轉型策略——從獲取數據的閘道器、模組化的家庭能源管理系統到雲端數據串接,協助合作企業整合資源、快速應用。

全球最大虛擬電廠,澳州政府攜手 Tesla

除了日本以外,澳洲的南澳州政府與 Tesla 在 2018 共同啟動南澳州虛擬電廠的前瞻計畫 (SA VPP) ,預計替5萬住宅導入太陽能與家用儲能系統實現綠能自發自用,並在住戶斷電時仍可以保持住宅能源自主。而州政府可透過能源物聯網技術整合住戶的家用儲能系統,在緊急時刻調度住戶的儲電供給州電網,提高電網面臨極端氣候或人為災害的韌性。

這項計畫於初始階段僅招募 1,100 間住戶參與,但 SA VPP 已在不少關鍵時間體現身為虛擬電廠的價值。在幾次的氣候災害或人為跳電事故中,SA VPP 多次輔助州電網維持長達幾小時的能源自主,或是在州電網頻率不穩時,協助平滑州電網的頻率異常。也因 SA VPP 計畫達到南澳州政府的預期,近期州政府更積極擴大推廣模式,針對其住房局 (Housing SA) 所屬的 3,000 戶政府公宅,免費安裝住宅儲能系統和屋頂太陽能系統。並對日照不佳的住宅提供「只有設置儲能系統」的參與方案。

虛擬電廠國家隊:虛擬電廠能否成為再生能源併網的解方?

從日本實證,可以看到兩種結果:

第一,能以低成本維持電網供需平衡,且家用型蓄電池兼具防災減災的多重效益。

第二,隨著電力數位轉型和分散式能源的發展,虛擬電廠、需量反應技術等新業態和商業模式正迅速發展。以日本為例,2021年十月,日本為響應2050淨零碳排目標,將2030的再生能源占比,從22至24%調高成36到38%。到了2030年,運用分散式能源的虛擬電廠,容量將達3,770萬千瓦,相當於37座百萬千瓦級大型火電廠,商業化規模將更巨大。

而在南澳州政府與Tesla的實證案中可看到:

透過電力調度員聚合各住戶的資源,擔任州電網的「緊急救援投手」角色,提供城市可調度的活電,如同 Tesla 於 SA VPP 成立時所期許的:在關鍵時刻,這座虛擬電廠可供應與一座相當於大型燃氣渦輪發電廠、或燃煤發電廠規模的電力。這不僅能在極端氣候造成電網中斷的情況下提供電力支援,或者在備轉容量不足時,緊急供給以舒緩電網的負荷,更能在電網頻率不穩的時候,及時入場穩定電網頻率,避免電網跳電。

以台灣 513 限電的官方說法為例,因興達電廠4部機組跳脫,造成系統頻率驟降,台電需啟動「低頻卸載」維持電網穩定,此時如果有虛擬電廠協同其他AFC儲能系統輔助電網先導入穩定電網頻率,再供給電網一定程度的電力,便有機會避免電網潰堤。

未來,台灣若希望再生能源大規模成長,現有電網的可靠性無疑面對嚴峻考驗;同時,還要考慮電力供應面可控性下降、氣候不穩定性導致電力公司的電力採購成本難以管控等問題。因此,率先調整需求面用電行為,成為維持電網平衡,將是關鍵,也是商機。(延伸閱讀|台灣用電量每年成長2.5%!不蓋電廠,科技如何協助穩定供電?

註:AFC儲能系統:系統具備儲能自動頻率控制(Automatic Frequency Control;AFC) 調頻服務,可在供給端提出服務需求後,10秒內瞬時反應,並在短時間內達到全功率輸出救援電網。

虛擬電廠如何促進能源轉型發展?扭轉負載追隨觀念,打造由下而上能源結構合作

虛擬電廠是一個宏觀的願景,但它在執行上仍有需面對的課題。最明顯的是目前參與虛擬電廠的用戶規模仍有進步的空間,以SA VPP為例,雖然此項計畫已經募集4,100多間住戶加入,但距離5萬住戶的目標仍有不少距離。要積極拓展規模的原因在於,第一,需要有龐大的數據庫,才能讓電力調度員更準確地預測未來電力的供需規模,以及可調度的電力輪廓。第二,一旦參與用戶規模越大,電力調度員可聚合與調配的電力資源才會更充沛,屆時能支援電網的幫助也能更可觀。

所幸,隨著各國虛擬電廠示範場域達到預期效益,政府也漸漸展露願意發展的意願,並積極與民間企業合作,透過不同的示範案,來模擬電網未來遇到極端氣候或供需問題的因應措施。

不論從民生或是產業發展來看,維持能源韌性一直都是主政者發展國家策略的思考命題。隨著台灣未來邁向「電業自由化」,政府也該扭轉過往「負載追隨」觀念,正面回應未來「能源分散化」的潮流,並積極教育「由下而上的能源結構合作」的概念,隨著民眾在合作其中得益也能得利,我們才能一致邁向真正的能源轉型。

 

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