新舊供電設施融通並存　微電網動態整合多樣化能源

因應再生能源技術與應用的蓬勃發展，微電網和其能源管理系統也正是國內許多廠商技術發展的趨勢之一。

通常來說，微電網(Microgird)包含了下列主要組成元素：

1. 再生能源(Renewable Energy)

2. 功率調節器(Power Control System, PCS)

3. 儲能系統(Energy Storage System, ESS)

4. 電力公司(Utility)

5. 緊急負載(Emergency)

這些元素組成的系統，在不同的狀況中動態提供以上能源來源組成之微電網運作模式。藉由自動切換開關(Automatic Transfer Switch, ATS)的運作，可在停電或斷電時將負載由一電源切換至另一電源，以保持繼續正常供電。

ATS之裝設有助於提升供電可靠度，自動切換於多種電源、或是額外之再生能源發電，保護電力不中斷、避免用戶承受因斷電而造成的損失。微電網相關的控制策略又多再分成下列兩種：

1. 市電併聯：

・緊急負載由太陽光電系統及市電搭配供電。

・太陽光電系統進行最大功率追蹤(MPPT) ，當太陽光電發電大於緊急負載，多餘電力即時回送提供到非緊急負載用電，以減少市電電費，反之則由市電自動供給不足電力到緊急負載。

・儲能系統電量(State of Charge, SOC)應維持在80~90%，若低於此範圍則由太陽光電或市電藉由功率調節器/雙向變流器進行充電，平常儲能系統在併網模式時，儲能系統為因應防災需求，應經常處於接近飽電狀態。

2. 孤島運轉：

・由太陽光電及儲能系統搭配供電來因應緊急負載，當太陽光電發電大於緊急負載，多餘電力即時儲存於儲能系統中，反之則由儲能系統自動放電供給不足電力到緊急負載。

・當儲能系統電量SOC過低時，應顯示告警並進行卸載動作。

・當儲能系統電量SOC過高時，應對太陽光電系統發電進行發電量抑制(本案採用智慧太陽光電逆變器，可調控實功與虛功)。

・當儲能系統電量SOC於正常範圍時，太陽光電系統進行最大功率追蹤(MPPT)。

新設防災型微電網不斷電運作

由於台灣每逢夏天颱風季節，容易發生山崩土石流等情況，造成道路橋樑損毀，導致居民生命財產及公共設施之嚴重損失。微電網與儲能系統的設置，將有助於救災與維持緊急負載運作，更可以強化偏鄉和區域性遭遇自然災難等狀況時的韌性，甚至利用分散式微電網系統供應緊急電力來大幅降低停電範圍，對於安全和確保救難黃金時間上有一定的效果。

本文中所謂「新設」再生能源方案，將以新北市烏來防災型微電網系統做為案例介紹。其新設之太陽光電為自發自用，緊急負載為烏來區公所三樓之防災會議中心，主要用途為維持烏來救災指揮中心不斷電運作。

以下將對個別情境作詳細說明各種防災型微電網架構。

市電正常　低負載需求

當市電正常時，太陽光電系統可與市電併聯，並可輸出電力至非緊急負載，若緊急負載電力需求大於太陽能系統所產生之電力時，則不足電力之部分由市電供給，在此模式下可妥善利用再生能源，達到減少市電使用，幫助用戶節約電費的目的。其中太陽光電以最大發電功率以減少電費為主，PCS以併網/Bypass模式運作，電池處於飽電狀態(圖1)。

市電正常　PV/ESS輸出能量可滿足負載需求

緊急狀況發生時，PCS可直接對緊急負載無間斷供電，且太陽光電產生的多餘電力可同時透過併聯型太陽光電逆變器將電力轉換至功率調節器PCS對電池進行充電。其中太陽光電以最大發電功率為主，但若電池已達充飽電階段，則須抑制太陽光電輸出，以防電池過充，PCS在此情境為孤島模式運作，電池在太陽光電多於緊急負載時處於充電狀態，反之則為放電狀態(圖2)。

市電正常　高負載需求/ESS電量不足

當市電復電後，同時使用市電與太陽光電所產生之電力對電池組進行充電，在電池組未充飽前，緊急負載電力由市電供給(圖3)。其中太陽光電以最大發電功率為主，PCS恢復到併網/充電模式運作，電池處於充電狀態。

市電異常　PV提供電力

太陽光電輸出平時優先供給緊急負載使用，若有餘電，可將電力輸出至其他迴路，減少市電使用，增加再生能源利用率(圖4)。其中太陽光電以最大功率為主，PCS以併網/Bypass模式運作，電池處於飽電狀態。

市電異常　夜間由ESS提供電力

利用設置之儲能設備進行調節，將多餘電力儲存於電池，並於太陽光電發電功率小於負載耗電功率之適當期間，釋放電能，主動調配電力；也可與市電搭配，依實際需求調整分攤供應用電(圖5)。其中太陽光電仍以最大功率為主，PCS以併網/放電模式運作，電池處於放電狀態。

儲能/既設再生能源之應用

當電力系統發生輸電瓶頸時，常容易發生跳電現象，而太陽光電在市電斷電時尚無妥善的方式進行即時售電。解決方式之一是利用分散式微電網系統供應緊急電力來支援緊急負載：

・當跳電時，ATS立即自動切換緊急模式，供應緊急用電和維生用電。

・利用太陽光電及儲能電池持續供電。

既設再生能源整合微電網架構一：市電併網模式

市電正常，再生能源售電。當市電正常，且再生能源充足時，太陽光電系統與市電直接併聯，將再生能源往系統輸出直接售電或自發自用，此時電網一方面提供負載用電，另一方面同時對儲能系統充電(圖6)。

既設再生能源整合微電網架構二：再生能源發電充足之孤島模式

市電斷電，自動再生能源充足時供電，自動切換開關ATS轉為緊急迴路供電，如果此時再生能源發電量大於負載量，太陽光電可透過電源轉換系統優先供給緊急用電使用。

既設再生能源整合微電網架構三：再生能源發電不足之孤島模式

市電斷電再生能源發電不足情境時，使用儲能供電，電池輸出電能補足再生能源負載不足的部分，維持供電可靠度。

微電網平衡電力系統重要性日益提升

天然資源消耗殆盡是可預期發展，全球暖化及空氣污染現象日趨嚴重，地球生態面臨嚴峻考驗，再生能源大量加入電網是世界各國的趨勢，因微電網可調控大量不穩定能源的特性以及電池材料進步與再生能源範圍的擴大，微電網平衡電力系統的應用範圍越來越廣泛，角色也越來越吃重。

由於微電網應用範圍相當廣泛，監控系統根據使用需求和客製化的機電結構來設計調控模式和視覺化區域，本文設計並且建置兩套微電網系統，實現再生能源和併網之微電網系統，除可供應緊急電力大幅降低停電範圍，在天災停電時可立即切換為孤島模式，利用儲能系統和太陽光電系統供應緊急電力和維生用電，確保災區安全和重要機能運作。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者皆任職於大同公司)