打破「智慧」之謎 智慧電網、智慧城市厲害在哪裡?

中大新聞

2018/01/12 環境資訊電子報

編按:電網、建築、社區、城市紛紛冠上智慧之名,想像空間也隨之變大。智慧電網可以解決缺電嗎?住在智慧社區就不用怕斷電嗎?公車、空污等資訊都能即時顯示,這就是智慧城市?

對「智慧」的想像高不可測,但真實的界線在那裡?本報特別請中央大學電機系講座教授,同時也是第二期能源國家型科技計畫(NEP-II)智慧電網主軸中心召集人林法正,以深入淺出的方式說明什麼是智慧城市?什麼是智慧電網?
大小管理系統層層相接  組成智慧大電網
一般而言,最小的智慧電網是以家戶為單位,包含智慧電錶與家庭能源管理系統(HEMS)。更大的系統可以則管理整棟大樓,就叫建築能源管理系統(BEMS)。範圍再更大,擴及社區或大區域時,就需要區域能源管理系統(CEMS)。
 
這三套能源管理系統呈現階層式的關係。「家庭能源管理系統」最簡單,只管一戶家庭的家電。「建築能源管理系統」除了管理大樓裡各住戶的家庭能源管理系統,可能要管地下室的儲能系統、電動車充電柱、柴油發電機、頂樓的太陽光電等。
 
「區域能源管理系統」就更上一層了,除了管理社區內各棟建築的建築能源管理系統,也要管社區內的再生能源或儲能設備。
 
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家庭能源管理系統(HEMS)、建築能源管理系統(BEMS)、區域能源管理系統(CEMS)三者間的架構關係。圖表來源:第二期能源國家型科技計畫(NEP-II)智慧電網主軸中心
區域能源管理系統也有大、小之分。台北正在推動的興隆公共住宅智慧電網底下有兩個建築能源管理系統,外加再生能源,屬於小型的區域能源管理系統。前瞻基礎建設計畫裡的沙崙綠能科學城也將建構一套區域能源管理系統。
 
日本橫濱的區域能源管理系統則管理了近4200套家庭能源管理系統、37 座MW級的太陽能板以及2300台電動車(EV)。這樣的等級稱得上是「智慧城市」了。
 
20180107 智慧電網
第二期能源國家型科技計畫智慧電網主軸中心召集人林法正。攝影:陳文姿(本報資料照)
有儲能就不怕停電? 「孤島系統」才是關鍵
有了再生能源跟儲能系統就不怕停電嗎?答案是否定的。
 
一遇到停電,馬上啟動備用的儲能裝置,並取代外界的電力供應,這叫孤島運轉。在孤島運轉中,電池不僅提供電力,也必須控制電網的電壓與頻率。為最做到這點,電池容量必須達一定規模,所以不是每個具備儲能設備的電網都能孤島運轉。
 
具備孤島運轉能力的系統很昂貴,主要應用在無法承受斷電風險的地區,如科學園區、醫院、軍事單位等。沙崙綠能科學城跟興隆公共住宅智慧電網都將具備孤島運轉功能。具備這種特性的電網也稱微電網。
 
至於備援電力可以撐多久,則要看停電期間的電力負載決定。目前沙崙綠能科學城之微電網預計可以撐一個小時,興隆公共住宅微電網僅提供緊急用電,而新北烏來福山的微電網目標是維持一個禮拜。福山是屬於防災型的微電網,孤島運轉狀態下,電力僅供緊急防災與救援、維生使用。
 
20170118 全台首座防災型微電網在烏來福山
台電在烏來福山國小打造全台首座防災型微電網。圖片來源:台電。
智慧電網多厲害? 就看「整合」功夫
如果區域能源管理系統只管到自己轄內的設備,管理上的意義不大,需接到台電的配電調度中心,才能發揮進一步智慧電網的效益。
 
智慧電網的技術並不難,最困難的工作叫「整合」。要將上千套的區域管理系統整合運作時,難度就會變得高。舉例來說,要對2300台電動車同時充電,系統的排程工作就會比對2台電動車充電複雜很多。
 
想像一下,當數百套區域能源管理都接到台電的配電調度中心,而且又能成功整合,這會發生什麼事情?
 
舉個例子,當一區的變電站飽和時,台電就可以請每個區域管理系統去調度建築能源管理系統,建築能源管理系統再去調度家戶的能源管理系統。如果能讓每一戶都減少幾瓩,區域供電的壅塞就可以解決。這技術不難,但要有夠多的家戶願意接受緊急的電力調度才做得到。
 
 
未來的電力調度將會產生很大的變化(示意圖)。圖片來源:slayer(CC BY 2.0)
另一個可能的運用是「需量反應」。「需量反應」是指台電需要緊急電力的時候,以較高的價錢去向用戶「買電」。所謂「買電」並不是要用戶發電賣給台電,而是指台電花錢請用戶減少用電量。對台電而言,用電尖峰時需要開啟燃料成本最高的輕柴油機組,實際上是賠本發電,向民眾買電反而更划算。目前台電「需量反應」交易的對象都是用電大戶。如果一般家戶能透過能源管理系統整合起來,聯合將省下的電「賣電」給台電,這就好像是個虛擬的發電廠一樣。
 
未來的台電的配電調度中心會起很大的變化,不僅要管理電力,還要管理區內的許多區域能源管理系統。智慧電網是2009年以後的新興產業,其運用與潛力都還在發展中。但保守估計,相關產業鏈的產值可達千億元以上。
 
原文轉載自【2018-01-12/環境資訊電子報】

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