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能源監控安穩獲長遠收益
系統嚴防以免後院失火
[作者 陳念舜]   2020年03月24日 星期二 瀏覽人次: [460]

目前台灣用電大戶為了配合在2025年前完成安裝再生能源「自發自用」,同時維持電源穩定,並可藉此饋入電網,節約契約用電量,進而創造長期穩定的收益,自行導入儲能設備幾成為最佳選擇。又逢近年來南韓發生多起儲能系統起火事件,「他山之石,可以為錯」,足見選擇合適電池與能源管理系統的重要性,更值得相關廠商提早曲突徙薪,以免後院失火。


因應未來大量再生能源發電開始被併聯於配電系統之後,可能造成末端電壓上升,而超過運轉電壓限制的要求。在2019年通過的《再生能源發展條例》中也規定,未來台灣用電大戶若選擇自建儲能設備者,必須確保電池可儲能2小時以上,並且在10年內維持一定的水準,才能真正有助於工廠穩定供電。可見大型儲能技術將成為未來儲能應用的重點,估計約有300家用電大戶受到影響,並帶動約600億元投資,創造1.05GW的裝置容量。


其不僅可用於發電系統削峰填谷、負載調配、能量管理,簡化發電計畫,均衡負載、減少備轉容量需求等;待併接入輸配電系統中,還能管理電力品質、提高再生能源滲透率、供電穩定性與可靠度,緩解輸配電壅塞,遞延設備投資;或在用戶端需求面可作為不間斷電源,以穩定供電、管理容量費用,亦可搭配再生能源發電設備或分時電價,提供負載追蹤與升降載服務(Ramping Support),降低用電支出。當再生能源發電中止或過剩時,還能搭配智慧電網及輔助服務,確保發電曲線的平滑與可控性,免於「棄風棄光」窘境。


慎用電池與調度能力 攸關儲能系統優劣關鍵

然而,隨著儲能系統(Energy Storage System;ESS)技術已從應急轉向經濟需求,若有意組裝大型電網級MW儲能系統業者,不能只從小型動力電池系統思考,後者光是為了均衡單一電池系統循環充放電的一致性,就是個令人頭痛的課題。反觀大型儲能系統,更像是一個系統同時存放電的行為,必須有效整合儲能電池本體與應用技術緊密雙向溝通聯繫,才能累積相當多實用的大數據,來解決所有應用的問題。



圖1 : 隨著擴增電力調節系統PCS、電池管理系統BMS、電力管理系統EMS等,造成考驗國內外業者系統調度及管理能力的關鍵,真正儲能成本總和可能比電池還貴。(攝影/陳念舜)
圖1 : 隨著擴增電力調節系統PCS、電池管理系統BMS、電力管理系統EMS等,造成考驗國內外業者系統調度及管理能力的關鍵,真正儲能成本總和可能比電池還貴。(攝影/陳念舜)

基於兩者應用場景不同,結構並非完全一樣,使用者首要須將動力電池與儲能電池有效區隔。前者主要用於汽車充電,能量密度為關鍵因素;後者更注重安全性和延長壽命,最好免維修,現在還要能用於快速調峰調頻以安全饋入電網,而增加許多功率調節(變流)器。


因此,擴增電力調節系統(Power Conditioning System;PCS)、電池管理系統(Battery Management System;BMS)、電力管理系統(Energy Management System;EMS)之間的通訊協議,以及相關參數、軟體程序、晶片運算能力等,都導致採集資料和傳輸量變得更為複雜,造成考驗國內外業者系統調度及管理能力的關鍵,真正儲能成本總和可能比電池本身還貴。


尤其PCS位居連接電池組與電網應用的關鍵系統,也是儲能功率調節的執行設備,更須在監控與調度系統的調配下,實施有效和安全的儲放電管理,以整合與協調多方資源來併聯和適應既有電網的基礎架構維持穩定性,或形成微電網「孤島運作」。


南韓儲能系統大火 促從電池與管理層面防患未然

舉例來說,近年來南韓電化學儲能裝機量,雖然始終處於國際領先地位,但這2年來就發生多達23起ESS儲能電站起火事故,卻引發市場高度疑慮,其危害程度高於電動汽車自燃或爆炸,甚至可能損及產業的發展進程。



圖2 : 南韓官方於2019年宣布儲能系統火災原因調查結果為綜合管理不足,包含從人員安裝不細心到管理疏忽、環境影響,以及BMS失效到PCS的標準問題。(source: res.heraldm.com)
圖2 : 南韓官方於2019年宣布儲能系統火災原因調查結果為綜合管理不足,包含從人員安裝不細心到管理疏忽、環境影響,以及BMS失效到PCS的標準問題。(source: res.heraldm.com)

根據2019年南韓工信部公布的調查結果為綜合管理不足,包含針對PCS、ESS系統設計製造,以及人員安裝和施工、使用管理過程中疏忽,可能受到電氣和環境因素影響的原因如下:


一、電池系統缺陷;


二、應對絕緣檢測的保護系統不佳;


三、完成儲能電站建設後的管理和維護不足;


四、從PCS到ESS系統之間的綜合管理不良。


除了從使用環境和性能要求而言,儲能用鋰電池的性能要求理應比動力電池還要高,分為能量型、功率型不等。未來國際儲能領域的鋰電池若能因此,逐步由LG化學、三星SDI、Tesla等企業採用活性大而易燃的三元電池,轉型為安全性和成本更佳的磷酸鐵鋰電池,即可為其他電池業者提供發展機會。


且因為EMS、PCS、BMS系統可能皆屬不同公司產品、標準,一旦失效或無法有效整合,妥善協調與電池保護系統操作順序,將影響後續售服維護人員共享彼此資訊。若在PCS排除故障後未檢查電池狀態的情況下重啟,就可能造成系統於AC交流與DC直流側衝突起火。


亞力楊梅廠投入太陽能 精進能量調度管理能力

亞力電機公司研究開發處協理兼綠能處處長方志行進一步指出,隨著台電的電網負載越來越重,還要納入再生能源後的改壓工程已勢在必行,才能同時提升可承受容量與降低電流;又可確保在改壓、配電過程中不致斷電,主動偵測與承受傳輸電壓/電流改變,所以相關元件也因此必須提高耐壓等級,在出現事故時切斷,而不必等到負載出問題了才被動跳脫。亞力電機雖然可在饋線終端單元(FTU)的基礎上監控、量測電力,但涉及後端的SCADA、EMS系統尚在發展中。


下一階段發展便是透入儲能系統,雖然長期以來不乏業者積極投入,卻因為成本居高不下,至今能形成商業模式,真正獲利者仍是少數。台電也希望透過由企業自建5MW以下儲能系統,並補助提供自動頻率控制(AFC)調頻輔助服務,以吸引相關業者投入,並自負盈虧和維持穩定頻率來分攤負載,提高系統可靠度。有別於動力電池要求有足夠係數比,以承受瞬間大電力;儲能電池則係數較小,在ESS內部管控即可,僅涉及成本設計。


如今全球PCS不僅須具備AC/DC轉換功能,且正朝向儲能專用型產品持續發展,還須同時處理電力或車輛剎車系統產生回生電源。關鍵在於透過EMS負責電池與PCS之間的能量管理系統,能否經過BMS偵測以瞭解電池狀態和外在環境、負載,防止電池串聯過多或平衡電流的能力有限,恐導致電芯過熱,出現老化等異狀;並容許PCS管控,提升系統可靠度,而避免火災。


亞力電機也在2018年11月率先於該公司楊梅廠投入一套100kWPCS + 200kWH ESS儲能系統,並於2019年初正式啟用運轉,藉此執行削峰填谷、降低契約容量等運轉實績,先行建立此相關技術能量與實務經驗;研發同仁亦可在實際應用過程中,不斷精進能量調度控制策略來修正演算機制,已有效將廠區契約用電量由720kW下修至680kW。



圖3 : 亞力電機在2018年11月率先投入一套100kWPCS + 200kWH ESS儲能系統,並於2019年初正式啟用運轉。(source:亞力電機)
圖3 : 亞力電機在2018年11月率先投入一套100kWPCS + 200kWH ESS儲能系統,並於2019年初正式啟用運轉。(source:亞力電機)

舉例來說,當EMS演算與有效下達控制命令後,透過ESS多次的放電提供需量來避免產生負載超約罰款;同時在系統運行中不斷收集有效數據建立模型,後續將可整合負載預測、整合太陽能發電系統,進行多源(市電、光電、儲能)智慧電力系統管控與調度;再經過電力管理系統(PMS)整合內部BMS及PCS系統與雲端負載需量介面訊息,呈現智慧調度系統整體資訊,當系統失效時,控制單元將持續作業。


弘訊併購EEI 完善電力系統管控資源

成立於台灣的弘訊科技在2015年以寧波弘訊科技為名,於上海證券交易所主板掛牌上市後,成為台商在大陸首家上市的工業自動化公司,並同步啟動「工業4.0」與「國際化」雙成長戰略,於2016年完成併購義大利超過40年歷史(1978)的知名工業自動化品牌EEI,為公司長遠發展奠定穩固基礎。


於2019年宣佈啟動台灣竹北營運總部建設計畫後,除了原有塑膠成型機自動化發展,再增加兩項經營主軸:


一、先進製造,包括自動化關鍵元件與系統整合,以及建立工業雲平台;


二、新能源,包含潔淨能源、微型電網、儲能系統與工廠能源管理。


其中為了建構「微型電網與儲能系統」,須仰賴儲能、能量轉換、用電監控等多方面技術整合,足以決定今後再生能源產業走向,成為當前舉世聚焦的科技重點。弘訊則利用EEI多年來專注於電力電子技術核心,包含發電、電力轉換與逆變技術,在工業控制、升降纜車、物理研究和新能源等領域的多元客製化技術方案深獲肯定。


由於全面掌握相關的儲能、快速充放電系統,以及電網平衡、電力管理系統與物理醫療、研究設備等特殊電源技術解決方案,可依客戶需求設計製造,滿足再生能源系統要求20年產品生命周期,相較於Siemens、ABB等國際大廠,EEI更具有小而美優勢。


在獲得弘訊集團併購入主,除了有助於EEI開發大中華市場,再經由產品標準化、系統化方案聚焦新能源領域,深耕其相關應用。目前弘訊已在台灣推動EEI能源物聯網方案,未來隨著竹北總部啟用,還會將EEI設備引進台灣製造,透過在台採購零組件、組裝半成品(SKD),提升關鍵部件自製率,期盼讓台灣成為分散式微型電網驗證與展示基地。


新廠規劃也會落實新能源的相關應用,立基於EEI太陽能、儲能電能調節系統等再生能源設備,再搭載物聯網、雲平台技術等數據蒐集及儲存,結合可視化互動介面,打造能源管理系統(EMS)。期待透過活用能耗、發電等數據分析,合理化廠內能源分配,促使工廠能源使用效率最佳化。


接著還會善用EEI先進能源技術,精準提供台灣製造的再生能源儲存快充系統化解決方案,符合ISO 50001能源管理規範;另以竹北廠工廠智慧電網為範本,策略結盟有志於相關能源服務業者,協力促進台灣產業進一步升級。進而立足台灣,輻射東南亞市場,透過異地系統方案驗證、改進、再完善,攜手能源服務業者持續精進與升級。最終架構技術在義(大利)、決策在台、市場在(東南)亞的供輸體系,完善集團在全球佈局。


例如目前在台灣正積極推動的再生能源產業,便存在高壓電力轉換系統(PCS)的技術缺口,而EEI在歐洲該領域則與Siemens、ABB齊名,該公司PCS的特色便在於彈性配置(Flexible Configurations),堆疊多樣模組,包含變流器(AFE)、電池充/放電器(Battery Charger/ Discharger);再通過直流鏈DC Link,聯結(Coupling)多路輸入埠(Multiple Input/ Ports Availability),最後統一轉換輸出。



圖4 : 弘訊目前也在台灣結合傑明新能源公司,推動EEI能源物聯網方案。(攝影/陳念舜)
圖4 : 弘訊目前也在台灣結合傑明新能源公司,推動EEI能源物聯網方案。(攝影/陳念舜)

該公司還可依客戶實際需求,搭配「混合系統(Hybrid System)」,包含:太陽能PV,透過MPTT獨立模組監測不同日照量或污損,彌補因此造成太陽能板轉換效率差異所造成的功率損失,穩定反饋電網能量;加上儲能電池BESS,利用不同串接技術及電池種類,達到最大容量;以及利用PCS,調配平衡不同功率因數下的脈衝;以及柴油發電機(DG),當失去日照或電池放空後,避免瞬間電流衝擊電網,而須抑制或追補頻率,具備在孤島運作下的垂降控制(Droop Control)、「黑啟動(Blackstart)」功能。


同時加入輔助服務其他相關應用,係對於儲能系統要求嚴苛,必須在24小時內分秒不歇,負載追隨,或針對再生能源的彈性升降載支持(Load Following/Ramping Support for Renewables)及頻率反應(Frequency Response)等,由於儲電系統即非常適用於抑制風力或太陽光電系統的變化性,而被大量應用,其中頻率反應與電網調節服務非常相似,但必須在毫秒到小於3分鐘內的時間內快速反應。


EEI兩大產品系列分為:一、電網支持,電壓、頻率調節 Voltage/Frequency Regulation;二、需量控管,能量移轉 Power Shifting (Peak Shaving),750kW系列變流器更適用於AFC快速調頻服務需求。


總結

隨著儲能系統技術逐步落實安全與可靠性之後,各種儲能的特性使之可提供某些電網服務,實現不同的應用服務需求,是過去單純發展抽蓄水力、燃氣渦輪機組或柴油發電機等備援機制所無法企及的利基市場。


國際知名的市場分析機構皆一致看好儲能應用未來市場規模的擴大與多元性,主力市場會在電網調節及應用、再生能源補償等。接下來還有賴於商業模式成形,以完善系統管控資源,結合自建再生能源系統,確保前後階段均衡獲利、分散風險。


尤其台灣地形破碎,又有諸多離島、高山部落須自行管理供電,若導入大量再生能源將有助於提升電力系統供電品質與可靠度;進而形成微電網技術為基礎,擴大再生能源利用,推動儲能技術成熟而降低成本,將更有機會改善再生能源,做為離島供電解決方案選項之一。


**刊頭圖:(source:img.technews.tw)


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