「交流電頻率」之於「供電能力」

2021年的5月,在一個星期之內(13日與17日)連續發生了兩次緊急輪流限電,當然執政者有許多的理由,甚至透過台電官方粉絲專頁「電力粉絲團」發出了一個貼文說「低頻卸載」只是為了保護系統,不是缺電。同時,也發現有一些人不是很懂「備轉容量」、「供電能力」的意義,認為備轉容量太高就是把電浪費掉,這是錯的

「電力粉絲團」於5月13日發布的圖片,重點就在「低頻卸載」這四個字。

其實從頻率這個觀點來切入,是非常直白的。目前的供電網路,使用的是易於變壓、維護輸送品質的交流電系統,交流電的頻率是50Hz或60Hz。臺灣使用的規格是60Hz,也就是每秒有60個週期,對應到大型火力或水力發電廠的發電機,大多數是每分鐘3,600轉的轉速(每秒60個週期,1分鐘60秒),而核能電廠的發電機多為每分鐘1,800轉(設計成轉一圈兩個週期,所以轉速變成一半)。這些發電機組在並聯到電網上前,都會確定頻率、相位與電網同步後才會進行並聯;而太陽能、風力發電、電池儲能等,則會透過逆變器(inverter)轉換成跟電網上同步的交流電後並聯。

如果電網上的用電量增加、負載變大了,那麼因為電磁物理效應,發電機的阻力也會增加(電動車減速時的動能回收、軌道運輸系統用的再生電軔,都是利用這個原理將動能轉換為電能來減速),此時發電機的轉速也會變慢、連帶使得產生的交流電頻率下降。而驅動發電機的原動機就要出更多的力來維持轉速。反之,如果電網上的用電量減少、負載變小,那麼發電機的阻力也會跟著變小,在相同出力的情況下就會使轉速連同頻率上升,這時候就要減少原動機的出力,使頻率維持在穩定的狀態。

這就好比用等速度騎腳踏車,遇到上坡、逆風的時候,就需要花比較大的力量維持速度,遇到下坡、順風時,則不需要出什麼力就能達到一樣的速度。而如果真的遇到很陡的上坡、很大的逆風,也可能會用盡全力,還是沒辦法維持原來的速度;就和電網上負載太大,線上的機組盡了全力仍然沒辦法維持應有的頻率一樣,為了電力的品質與安全性,就會有「低頻卸載」的保護機制使其跳脫。

不論是大型發電機組,還是透過逆變器接入的再生能源、儲能設備⋯⋯等,整個電網相當於有許多人一起踩腳踏車發電,如果有突然增加的需求、突發的機組故障、線路故障等等問題,就是線上能出力的多出點力,然後趕快叫待命中能幫忙的趕快來幫忙。這些線上機組的餘裕、待命中能快速投入、避免大家開天窗的,就是所謂的「備轉容量」,也是電力調度的工作,電力調度要能掌握電力負載狀況、可用機組總共的最大供電能力、對於負載變化的應變能力,然後根據不同機組的特性,做出最適當的安排,才能為持供電品質穩定。

由此可見,「備轉容量」代表的是最大供電能力,實際的發電量則是根據目前的需求量進行調度,有多少需求發多少電、太多太少都會造成電力品質不穩定,並沒有備轉容量太大是把電浪費掉的問題。

然而在5月11、12日,以及後續的這段期間內,一些對電力品質敏感度高的用戶,都陸續有發現降壓、將頻,甚至是電壓與頻率變動較大的現象。目前臺灣的電網狀況,相當於能上場的都上場了,而且都是用全力在發電,剩下的就是歲修、維護等需要較長時間才能上場的,或是比較靠天吃飯的;因此在應變的餘裕上,確實比較弱一些。

當然有人會說透過儲能、智慧電網、分散式電網等,可以提高電網的「韌性」⋯⋯。沒錯,有一些幫助,但是別忘了⋯⋯能量不會憑空產生,分散的再生能源搭配儲能設備,可以提供一種韌性,大型發電機組的機械慣性,也能提供一種韌性;不同特性、多元化的電力配置,才是健康的配置。

最後來個輕鬆一點的,英國BBC曾經做過一個節目——用踩腳踏車發電來供應普通家庭的一日用電,這個方式是將大家踩腳踏車發出的電,整流成直流電,經過電容(或電池)、逆變器後轉換為家用的交流電,所以大家就用力踩、不用管頻率,只要注意電容上的電壓(負載一樣會反映到踩腳踏車的阻力)。

影片呈現的是有一位家庭成員要用即熱式電熱水器洗澡了,會耗費大量的電力,需要正在踩的人更用力踩、旁邊可以馬上來幫忙的人都來幫忙,維持正常供電,這就是「備轉容量」的意義。

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