再生能源搭配儲能有助於促進電網系統穩定。（圖片來源：iStock）
日前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，盡可能避免類似事件發生，是本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：
- 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。
- 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。
- 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，並據以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[1]。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。
必須要強調的是，逆變器構成的綠能或儲能選項能提供比傳統電廠更迅速、準確的彈性調度[2]，不論是透過電網支援或是電網建構控制，都能促進電網變得更穩定。這樣的理論已經在許多綠能佔比極高的電網，比如南澳州以及夏威夷得到證實；在這些例子中，投入能提供合成慣性、快速頻率反應或電網建構控制的電池後，對於相同程度的頻率擾動，電力系統的反應更迅速也更有效。
綠能與儲能大多分散在配電網上，有慣性較小、卻也較能迅速進行控制的特性，好比自行車隊；傳統電廠大多單一電廠規模龐大集中，慣性較大、但也較難以做迅速控制，好比一輛貨運卡車。
另外一個需要強調的是，電力系統中的慣性和電壓源並不是越多一定越好。回到前一節的機械類比，一個慣性很大但沒辦法迅速控制頻率的電力系統，相當於一顆質量極大的球在極小空氣阻力下保持長時間的來回振動，這樣的情況顯然不利於系統穩定性（參考下圖）；而電壓源也是過猶不及，同處設置過多時反而會造成該區域電流不穩定[3]。因此，調和系統中慣性和各種頻率控制參數，同時平衡電網建構以及電網追隨逆變器的比例，以讓系統在各種情境下都能保持在受控的狀態，才是較健全的決策思維。
較大的慣性並不總是有助於電網穩定示意圖：當其他條件相同時，慣性較小的系統（實線）會比慣性較大的系統（虛線）更迅速弭平相關擾動。
比如近年，由於變動型再生能源大量併網、傳統電廠陸續除役，人們往往關注電網追隨控制下的綠能系統劣於傳統電廠的面向。固然，將除役傳統電廠改裝成同步補償器、要求逆變器採取電網建構控制是應對這些疑慮的直接回應，然而我們也不應該忽略綠能和電池系統優於傳統電廠的面向—電網追隨下的綠能和電池不像傳統電廠，本身不需考慮相位角穩定性、以及前面所述也更具備彈性調度能力等等。
這代表我們不必要求未來所有併網的電池都具備合成慣性或者電網建構控制功能，而是應該因地制宜，在系統較脆弱或關鍵的地方進行更嚴格的併網規範和彈性資源的建置。
供電的未來在綠能、穩電的未來在儲能
再生能源的持續成長，註定了它們將佔據電力系統舞台上的主唱C位。而就像樂團中總是需要其他樂器維持節奏與旋律，未來在一旁協助穩定電力系統的就是儲能。
隨著世界各國開展能源轉型，未來總會有某處綠能佔比較高的區域發生電力系統事故。如果忽略更多綠能和儲能控制得宜、最終避免電網事故或抑制其規模的例子，很容易就會得到「綠能只會危害電網」的錯誤認知。像是這次西班牙停電事故發生前，各種電源的供電沒有已知的異常情形；事故當下傳統電廠幾乎全數解聯時，是部份再生能源維持運作，確保西班牙的電網不至於全黑；事故後，風能和太陽能分別在一到兩天之內恢復至預測電力輸出潛能，核能在那時則才剛開始重新發電，並且拖了一週還沒有完全恢復正常電力輸出量。
西班牙停電事故當下，傳統電廠幾乎全數解聯（3.3GW的核能全數歸零、2.2GW的燃氣也降至0.42GW），部份再生能源持續維持運作，確保電網不至於全黑。
儘管有這些綠能相較傳統能源更穩定和更具有軔性的實蹟存在，事件發生當下西班牙發電佔比最高的太陽能仍直接被能源轉型懷疑者咬成元兇。有趣的是，同樣怪罪佔比最高發電選項的邏輯在2021年德州停電時便不成立；當時在懷疑論者眼裡，事故的元兇就變成發電佔比較低的綠能。
這些論述的潛台詞其實就是「不論甚麽樣的綠能佔比都會危害電網，所以我們不應該發展綠能」，而這恰恰是不可能發生的事情。世界各地綠能和儲能技術特性和相關規範日新月異，每起電網事故都不是阻礙發展綠能和儲能的藉口，而是加速佈置的契機，畢竟電池儲能、電動車、熱泵等新式彈性資源正是處理這種電網事故的最佳解方。正如2020年夏大範圍限電後4年內增設近7GW電池的加州、以及2021年冬以後也加速建置綠能和儲能的德州所揭示的一般，能源轉型可以、也應該是跨越政黨政治鴻溝的共同願景。
台灣目前在2030年已經規劃建置5.5GW的電池，我們可以開始鼓勵部份電池提供合成慣性以及電網建構控制。而台灣現在初級頻率控制市場已經完全由電池主導，可預見的未來也應該進一步擴大電池在快速頻率反應和其他頻率控制的參與，讓電力系統需要的慣性減少，以利進一步提昇再生能源瞬間電力輸出佔比的安全上限，期望最終達成併網綠能佔比不設上限的目標。
註解
- 綠能電廠也可以提供電網建構控制，但這通常代表必須額外削減電廠的出力，所以應該優先要求已經建置儲能設施進行這種服務。
- 逆變器控制的速度和準確度，可以參考美國國家再生能源實驗室（NREL）過去幾個針對逆變器綠能或儲能機組的試驗，比如Demonstration of Essential Reliability Services by a 300-MW Solar Photovoltaic Power Plant或Fast Grid Frequency Support from Distributed Energy Resources。而相近的裝置容量下，電池儲能可以提供遠高於傳統蒸氣渦輪機組的慣性給與系統，其有效電力和無效電力的控制也不受限於機械轉動產生的物理限制。
- 可以參考Revisiting Grid-Forming and Grid-Following Inverters: A Duality Theory的討論。一般情況下電網建構型逆變器（電壓源）有益於系統的前提在於該處其他逆變器多採取電網追隨控制（電流源），然而如果併網規範要求到處設置電網建構型逆變器，提昇電壓穩定性的效益和降低電流穩定性的損失相比可能就不值得。
※ 本文作者為挪威科技大學產業經濟學系博士顏東白。原文標題：〈電池儲能是穩定電力系統的未來 再生能源搭配電池儲能將是電力系統的主角〉
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