大量再生能源併入台電系統後調頻備轉容量的最佳化與穩定度分析

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研究生：	蔡宗哲 Tsung-Zhe Tsai
論文名稱：	大量再生能源併入台電系統後調頻備轉容量的最佳化與穩定度分析 Optimization and Stability Analysis of Regulation Reserve with High Renewable Energy Penetration in Taiwan Power System
指導教授：	郭明哲 Ming-Tse Kuo
口試委員:	吳啟瑞 Chi-Jui Wu 郭政謙 Cheng-Chien Kuo
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電資學院 - 電機工程系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2022
畢業學年度：	110
語文別：	中文
論文頁數：	158
中文關鍵詞：	高滲透率再生能源、太陽光電併網、頻率暫態穩定度、儲能輔助服務規格、非線性雙目標最佳化
外文關鍵詞：	high penetration rate of renewable energy, solar photovoltaic grid connection, frequency transient stability, energy storage auxiliary service specification, nonlinear dual-objective optimization
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隨國際能源轉型趨勢，本國也制定相關計畫及政策推動，著重兼顧電網安全及環保，2025年主要目標為燃氣發電量提升至總發電量的50%，而綠能也將有17%的占比。再生能源中目前以風力及太陽光電為主要來源，台電對2025年情境也規劃併網20 GW的太陽光電裝置容量，本論文也依據環境等因素將太陽光電裝置分散併接於全台11個縣市，主要偏重於中南部地區，共計91%容量占比。再生能源滲透率如此高的情況下，勢必對系統產生嚴重衝擊，故本論文參照現行台電相關併網規範進行模擬，結果顯示在電壓變動率、三相短路故障電流及系統暫態穩定度三個項目皆符合規定。而因為太陽光電發電間歇性及不易預測，本研究依據未來現實可能發生之情況設計了太陽光電裝置跳脫事故及太陽光電發電量驟降兩類案例，並針對台電長期電源規劃中新增的複循環機組設計在跳機事故時遭遇太陽光電發電驟降的情境案例，模擬分析事故案例對於2025年台電電網的電壓及頻率影響，觀察結果發現冬季日間時同樣事故影響較明顯，有部分案例會低於59.5 Hz的低頻卸載觸發頻率。後續根據模擬結果挑出各類型中最嚴重的案例作為頻率改善目標，加入兩種技術規格的電池儲能輔助服務，探討其對於不同案例的改善效果，回歸分析各別的數學模型，最後透過NSGA-II演算法進行雙目標最佳化，得出結果並以PSS/E驗證。本研究結果也供未來儲能調度及採購參考，以期在不影響其他用戶及機組運作下，以較佳效益利用適當儲能容量及配置，保全事故後系統的穩定性。

Following the trend of international energy transition, our country has
also formulated relevant plans and policies to promote power grid security and environmental protection. The main goal in 2025 is to increase gas-fired power generation to 50% of the total power generation, and green energy will also account for 17%. Wind and solar photovoltaics are the main sources of renewable energy. Taipower also plans to connect 20 GW of solar photovoltaic installations connected to the grid in the 2025. In this thesis, solar photovoltaic devices are scattered and connected to 11 counties and cities in Taiwan according to environmental and other factors. They mainly focus on the central and southern regions, with a total capacity ratio of 91%. With such a high penetration rate of renewable energy, it is bound to have a serious impact to the system. Therefore, in this thesis, the simulation is carried out with reference to the current Taipower related grid-connected specifications. The results show that the three items including voltage regulation, three-phase short-circuit fault current and system transient stability are in compliance with the regulations. Because solar photovoltaic power generation is intermittent and difficult to predict, this study designs two cases of photovoltaic device tripping accident and sudden drop in photovoltaic power generation according to the actual situation in the future. A case study of the situation where the design of the newly added gas-steam combined cycle units in Taipower’s long-term power supply planning encounters a sudden drop in solar photovoltaic power generation during a trip accident. Simulation analysis of the accident cases affects the voltage and frequency of Taipower grid in 2025. The observation results show that the same accident has a more obvious impact during the daytime in winter. In some cases, it will be lower than the low frequency unloading trigger frequency of 59.5 Hz. Then, according to the simulation results, the most serious cases of each type are selected as the frequency improvement target. Two technical specifications of battery storage ancillary services are added. The improvement effect of different cases is discussed. The respective mathematical models were subjected to regression analysis. Finally, the NSGA-II algorithm is used for dual- objective optimization, and the results are obtained and verified by PSS/E. The results of this study can also be used as a reference for future energy storage scheduling and procurement. It is hoped that without affecting the operation of other users and units, the appropriate energy storage capacity and configuration can be utilized with better benefits to preserve the power system stability after the accident.

摘要    I
Abstract    III
致謝    V
目錄    VI
圖目錄    X
表目錄    XVII
第一章 緒論    1
1     研究背景與動機    1
2     文獻探討    2
3     研究目標與方法    4
4     論文架構    6
第二章    能源轉型及輔助服務現況介紹    9
1     前言    9
2     能源轉型概況    9
2.1    國際能源現況及發展趨勢    9
2.2    我國能源現況及發展趨勢    15
3     儲能輔助服務現況及發展    20
3.1    國際儲能現況及發展    20
3.2    台灣輔助服務現況及發展    25
第三章    研究使用軟體及分析工具介紹    32
1     前言    32
2     PSS®E模擬軟體介紹    32
3     模型及參數介紹    33
3.1    太陽能發電模型    33
3.2    電池儲能模型    38
4     MATLAB 軟體介紹    48
5     非支配型排序基因演算法    50
5.1    基因演算法    50
5.2    非支配型排序基因演算法    51
第四章    太陽光電併網規劃及影響評估    56
1     前言    56
2     太陽光電併網規劃    56
3     太陽光電併網可行性分析    59
3.1    電壓變動率分析    60
3.2    三相故障短路電流    62
3.3    暫態穩定度    64
摘要    I
Abstract    III
致謝    V
目錄    VI
圖目錄    X
表目錄    XVII
第一章 緒論    1
1     研究背景與動機    1
2     文獻探討    2
3     研究目標與方法    4
4     論文架構    6
第二章    能源轉型及輔助服務現況介紹    9
1     前言    9
2     能源轉型概況    9
2.1    國際能源現況及發展趨勢    9
2.2    我國能源現況及發展趨勢    15
3     儲能輔助服務現況及發展    20
3.1    國際儲能現況及發展    20
3.2    台灣輔助服務現況及發展    25
第三章    研究使用軟體及分析工具介紹    32
1     前言    32
2     PSS®E模擬軟體介紹    32
3     模型及參數介紹    33
3.1    太陽能發電模型    33
3.2    電池儲能模型    38
4     MATLAB 軟體介紹    48
5     非支配型排序基因演算法    50
5.1    基因演算法    50
5.2    非支配型排序基因演算法    51
第四章    太陽光電併網規劃及影響評估    56
1     前言    56
2     太陽光電併網規劃    56
3     太陽光電併網可行性分析    59
3.1    電壓變動率分析    60
3.2    三相故障短路電流    62
3.3    暫態穩定度    64

第五章    太陽光電併入系統後之事故影響分析    69
1     前言    69
2     太陽光電裝置跳脫事故    69
2.1    太陽光電跳脫模擬結果    70
2.2    太陽光電跳脫之系統影響分析    74
3     太陽光電短時間發電驟降    75
3.1    太陽光電發電驟降模擬結果    75
3.2    太陽光電發電驟降之系統影響分析    79
4     複循環機組跳機事故    81
4.1    複循環機組跳機模擬結果    81
4.1.1    單一機組跳機事故    82
4.1.2    兩組機組跳機事故    87
4.2    複循環機組跳機事故模擬結果                  —太陽光電發電驟降情境    91
4.3    複循環機組跳機事故系統影響分析    95
5     小結    97
第六章    儲能輔助服務對事故後穩定度之改善分析    98
1     前言    98
2     儲能輔助服務規劃    98
3     儲能裝置併網對系統衝擊改善模擬結果    99
4     儲能裝置容量對事故後系統頻率改善分析    109
4.1    dReg 0.5規格儲能改善效果分析    109
4.2    sReg規格儲能改善效果分析    113
第七章    儲能容量配置之雙目標非線性規劃    116
1     前言    116
2     最佳化問題定義    116
3     最佳化結果與分析    117
4     最佳化結果模擬驗證    125
第八章    結論與未來展望    130
1     結論    130
2     未來展望    133
參考文獻    135
                                

[1] 推動能源轉型政策，中華民國經濟部，2021年
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[3] Huu Phuc Nguyen, Hoang Quan Le, “Transient stability analysis in high
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[4] 曾彬鴻，電池儲能系統改善高佔比再生能源電網運轉之擾動分析，碩士論文，國立中山大學，
2020年
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[20] 電源開發規劃，台灣電力公司，2021年，取自：https://www.taipower.com.tw/tc/
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[22] 謝芳吉，「全世界最大的儲能系統不是Tesla的鋰電池儲能廠，竟然是…？」，綠學院，2019年，取
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[23] 吳錦貞，儲能技術發展現況與國際之儲能示範場域， 2020年，取自：https://speakerdeck.com/
learnenergy/
[24] 吳進忠，“太陽能和風力發電併網的神救援！三分鐘帶你搞懂電力輔助服務”，綠學院，2019年，取
自：https://greenimpact.cc/zh-TW/articles/
[25] 513 及 517 停電事故檢討報告，中華民國經濟部，2021年
[26] 日前輔助服務市場之交易商品規格，台灣電力公司電力調度處，2022年，取自：https://etp.
taipower.com.tw/web/download/
[27] Xiaoyu Wang, Meng Yue, “Design of energy storage system to improve inertial
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[29] PSS/ETM 30 Program Operation Manual, Power Technologies Inc., Shaw Group of
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[30] X. Xu, M. Bishop, and D. Oikarinen, Modeling and Simulation of Battery Energy
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[31] Pouyan Pourbeik, Jeffrey K. Petter, “Modeling and validation of battery energy
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[32] “What is MATLAB?”, javaTpoint, https://www.javatpoint.com/ma/matlab-introduction
[33] K. Deb, Associate Member, “A Fast and Elitist Multiobjective Genetic Algorithm:
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NSGA-II
[35] 各縣市再生能源裝置容量，台灣電力公司，2022年，取自： https://www.taipower.com.tw/tc/
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[36] 確保我國供電穩定之再生能源管理與運轉策略，財團法人中技社，2018年
[37] 台灣電力股份有限公司再生能源發電系統併聯技術要點，台灣電力公司，2018年
[38] 台灣電力股份有限公司輸電系統規劃準則，台灣電力公司，2020年

全文公開日期 2025/08/18 (校內網路)
全文公開日期 2027/08/18 (校外網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)

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