參考資料之來源及日期：Getting the Grid to Net Zero - Grid-forming inverters will take us to 100 percent renewable energy, April 13, 2024

網頁：https://spectrum.ieee.org/electric-inverter

參考資料之作者：Benjamin Kroposki, Andy Hoke

傳統電網透過天然氣、燃煤、核能或水力發電等發電廠，利用具有轉動慣量的發電機組來發電。若一台或多台大型發電機與電網斷開，負載與發電的驟然不平衡會產生扭矩，減緩剩餘機組轉速，從而降低電網頻率。轉動慣量的特點即在減緩頻率下降速度，確保其餘正常運轉機組有足夠時間提高其功率輸出，以滿足負載需求。

由上可知，轉動慣量有助於穩定電力系統頻率，避免受到負載改變、機組跳機等突發事件影響。然而隨著我國再生能源發電量佔比逐漸提高，及數部傳統機組陸續除役，系統慣量將逐步遞減，換言之，電力系統將更容易受到偶發事件影響而改變頻率，進而導致電網無法穩定供電。

參考資料作者Benjamin Kroposki及 Andy Hoke 表示，再生能源與傳統機組不同，在於再生能源產生電力為直流電，需藉由變流器轉為特定頻率之交流電方能併網。變流器係由功率電晶體作為開關，透過軟體控制下進行高速切換，將直流電轉換為與電網相容的交流電，經過電容器和其他組件濾波，以產生平滑的交流電輸出。由此可見，變流器與傳統機組的差異，在於變流器的輸出波形係由軟體決定，而傳統機組的輸出波形則受物理及電氣特性影響。

作者提及，併網型變流器可分為2種，包含跟網型 (Grid-Following, GFL) 變流器及構網型 (Grid-Forming, GFM) 變流器。GFM 變流器與GFL變流器具有某些共同的特性，例如兩者皆可在擾動期間向電網注入電流，皆可透過控制虛功來調節電網電壓，亦可透過實功控制穩定電網頻率。兩者的主要差異在於軟體的控制策略。

傳統的併網型變流器為GFL變流器，其控制策略為測量電網電壓角或頻率的變化，以控制電力輸出。若反應速度毋須太快，則GFL控制策略尚稱奏效。但隨著電網上再生能源佔比提高，系統慣量降低，系統頻率可能因突發事件驟降，GFL控制會變得較不穩定，一旦失去電壓角及頻率訊號，GFL變流器亦將失去作用。反之，GFM變流器不需透過感測電網上的頻率和壓降做出響應，而是模擬傳統機組，藉由主動控制其功率及頻率輸出，提供電網慣量，以確保電網能穩定運轉。

作者並以夏威夷考艾島電網為例，講述考艾島電網中的某部傳統機組跳機，對該島電網的衝擊，及GFM變流器在其中扮演的關鍵角色。考艾島電網係由兩座大型 GFM 太陽能電池廠、一座大型 GFL 太陽能電池廠、一座大型燃油渦輪機、一座小型柴油廠、兩座小型水力發電廠、一座小型生質能發電廠和其他在線太陽能發電機所組成。某日傍晚時分，燃油渦輪機發生故障後，交流頻率在前 3 秒內迅速從 60 Hz 快速降至接近 59 Hz 。隨著頻率下降，兩台配備GFM 變流器的發電廠迅速提高功率，其中一個發電廠的輸出電力在不到0.05 秒的時間內增加兩倍，另一個發電廠的輸出電力則增加一倍。相比之下，其餘傳統機組雖可透過慣量貢獻實功，但需要數秒鐘的時間才能產生持續增加輸出。換言之，若沒有兩座GFM電廠及時提供奧援，考艾島電網將陷入停擺狀態。

作者表示，GFM 性能及驗證標準已在澳洲、芬蘭、英國等國家陸續建立，當電網由傳統機組為主邁向以變流器電源為主的過程中，於電網中導入GFM變流器，方能維持電網穩定運轉。

當電網中再生能源佔比逐漸提高，亦須輔以儲能系統協助削峰填谷，以平衡尖離峰的用電差異。儲能系統之控制核心，即為電力轉換系統(PCS)，係一雙向變流器，可控制電能於電網及儲能系統間雙向流動，俾能有效調度電力資源。現行用戶用電設備裝置規則第六章有規定變流器之裝設相關規定，此可提供我國電氣技術人員設計及施工之依據。

經濟部能源署113年度「電力工程技術規範及高壓用電設備管理計畫(1/3)」

台灣綜合研究院電力工程研究團隊 編輯

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