微電網(Microgrid)系統為近年世界各國電力科技發展重點，主要效益歸納為二，首先，由于再生能源為間歇性能源，大量的再生能源并入電網將造成電壓浮動的問題，影響區域電網供電穩定度;微電網具穩定電壓及頻率功能，可有效引入再生能源進入電網，提升區域電網再生能源之使用率。其次，微電網具有尖峰用電調節(Peak Shaving)作用，可降低尖峰用電的系統設備需求規格及成本，配合時間電價制度抑制用電行為，達到節能減碳目的。
 
        事實上，日本于2010年即成立智能社區(Smart Community)聯盟，由新能源及工業技術發展組織(NEDO)于橫濱、豐田、京都府與北九州等四個都市進行微電網示笵計劃;中國大陸則將微電網試點列入十二五計劃，國家電網電力公司已于南麂島和鹿西島分別建置離網型及并網型微電網示范工程。
 
        2012年美國再生能源國家實驗室(NREL)亦與沙加緬度市電力公司(SMUD)于加州建置微電網示笵系統;韓國國網更進一步在濟州島上建置智能電網 (Smart Grid)測試區。至于歐盟則提出第七期架構方案(Framework Programme 7)，由雅典科技大學領導團隊于Kythnos島內建置微電網測試系統;另外，西班牙、葡萄牙、德國和法國等也都有微電網示笵計劃正在運行。
 
        實現節能減碳目的核研所加速微電網測試
        為接軌國際間節能減碳風潮，臺灣核能研究所(簡稱核研所)亦致力發展自主式(Autonomous)微電網技術，并規劃分三個階段進行，以有效提升國內再生能源利用率。第一階段系統將著重分析與關鍵技術研發，第二階段則進行系統工程整合，以能源電子技術配合微電網能源管理及儲能技術，發展區域電網再生能源滲透率達10%(裝置容量20%)的電力控制技術。
 
        第三階段將進行系統試運轉，以分散式發電架構，示笵并推廣自主式控制的微電網系統，于市電并聯與孤島運轉平穩切換，有效控制微電網再生能源發電滲透率達 20%(裝置容量達40%)，提升國家能源安全、開發新興國家市場與加入先進國家市場供應鏈，同時創造綠色就業機會及能源新興產業的契機。
 
        目前，核研所已完成建置國家級首座一百瓩(kW)級自主式低壓380伏特(V)微型電網示笵系統及測試平臺(圖1)，提供產業、學術單位、研究機構、電力公司等進行研究與測試，并發展微電網相關核心技術，包含能源電子、電力系統、智能控制與能源管理、電網級儲能系統與應用工程技術等四大關鍵技術。





圖1 百瓦級自主式微電網試驗場




        微電網經由靜態開關與市電并聯，當內部發生故障或外部市電故障時，靜態開關運用主動式孤島偵測技術，快速確認故障并完成隔離動作;而儲能系統藉由雙向功率轉換器(圖2)連結微電網電力匯流排，于一個周期內，由電流源快速轉換為一穩定電壓源，提供能量給予負載使用。



圖2 雙向功率轉換器裝置構造圖




        當靜態開關跳脫瞬間，微電網電力匯流排電壓將驟降，此時分散式電源搭配具實、虛功率控制及低電壓穿越功能(LVRT)的再生能源電力轉換器(圖3)，仍在可容忍電壓笵圍內，持續與微電網的電力匯流排連接，使微電網內部持續供電，達成市電并聯模式與孤島運轉模式間之平穩切換。當微電網內部故障排除或外部市電恢復時，靜態開關判斷市電正常，則利用雙向功率轉換器調整實、虛功率輸出至微電網電力匯流排，當內外部的電力匯流排電壓、頻率同步后令靜態開關閉合，微電網再重新并網。





圖3 具實虛功率控制及低電壓穿越功能的再生能源電力轉換器




        目前核電所微電網已完成前述具主動式孤島偵測技術的靜態開關、實虛功率輸出控制的雙向功率轉換器、電流源轉換電壓源平穩切換技術，及具有低電壓穿越功能的再生能源電力轉換器等設備開發及功能測試。
 
        有別傳統電網微電網電力系統大改造
        微電網內部包含再生能源系統、分散式電源，如微渦輪機、燃料電池及各類負載組成，當處于孤島運轉時，其電力潮流方向、系統暫態現象、電力品質分析及保護協調機制，均與傳統電網的需求不同。
 
        目前核研所開發的微電網三相潮流解析法，適用于低電壓、高R/X比的三相不平衡系統或電壓控制型匯流排過多的微電網系統，不論于微電網在并網或孤島運轉下，皆能保持強健性及快速收斂、求解的效果。另外，為分析微電網并網、孤島及N-1事件時的系統暫態響應，核研所亦已建立高聚光太陽能電池(HCPV)、風力機組、電力轉換器及電子負載等微電網細部元件的數學模型。
 
        由于再生能源使用的電力轉換器大多含有電容及電感元件，容易產生系統諧波，因而也須建構微電網系統主要元件諧波時域模型，并開發微電網于并網與孤島不同狀態的三相諧波潮流與不平衡分析，以確保微電網電力品質。現階段，業界已運用主動式電力濾波器(APF)，改善微電網系統中諧波濾除、無效通濾補償、功率因數修正與負載平衡等問題，并實現微電網電力品質監控平臺;核研所正在研發中的微電網系統亦可支援上述功能。
 
        此外，微電網所需的電力保護機制亦與傳統電力系統不同，業者須導入具可擴充與隨插即用(Plug-and-Play)的模組化微電網保護協調機制，同時還要依據微電網區域串、并聯形式，開發微電網內部發生故障時的電源-負載配置(Configuration)方法，減少微電網內部故障時須卸除的負載量，并配合卸載計劃提高供電可靠度。
 
        強化微電網能源管理通訊/儲能系統扮要角
        至于微電網控制與管理方面，其監控介面與即時量測系統(圖4)須確保各區域系統訊號的同步性、正確性與精確度，并于系統介面上設定與執行情境測試步驟，截取即時量測波形資料，做為故障偵測演算法、諧波頻譜分析與卸載策略開發的依據。



圖4 微電網監控介面與即時量測系統




        此舉將有助實現微電網生活化應用，透過建置家庭微電網監控介面與即時量測系統，并開發負載用電與再生能源發電量預測演算法，結合儲能系統、電動車與未來時間電價機制，就可進行市電、負載、儲能系統與再生能源的電力調度，滿足用戶節能需求。
 
        未來，微電網將結合IEC-61850、電力線通訊(PLC)、ZigBee及無線區域網路(Wi-Fi)，與多區域微電網或臺電配電自動化平臺做連結，建立混合式通訊介面于微電網監控介面與即時量測系統，以達成并網及多區域供電調度功能。
 
        除通訊技術外，電網級儲能系統亦是微電網電能管理重要的一環，供應商須整合儲能與微電網監控介面、即時量測系統，才能在不同的微電網運轉模式下達成動態電力調節，以確保微電網供電品質。然而，新電池的開發與復合系統的應用，除須研發新的化學配方研發與結構設計外，還須進行其特性與應用測試，因此測量、評估與分析各種儲能技術是發展電網級儲能系統不可或缺的要務。
 
        核研所建置儲電電池管理系統測試平臺，主要設備包括有25kW充放電測試機、5kW全釩液流電池(Vanadium Redox Battery， VRB)系統與60kWh磷酸鋰鐵電池組，并逐步建立儲能電池與系統的測量分析能力、建立測試程序與標準，進行分散與集中化之電能管理系統(EMS)與電池管理系統(BMS)等技術開發。
 
        此外，核研所近期更投入全釩氧化還塬液流電池技術開發，包含離子交換膜、活性物質、雙極板及流道設計、電池平衡控制系統(BOP)及密封組裝技術等，并依據微電網及儲能系統的特性進行整合測試及應用，提供分散式再生能源微電網之能源有效調節運用。
 
        臺產官學研全力推動微電網
        目前臺灣的經濟部已提出智能電網總體規劃方案，而國科會能源國家型計劃中，亦已列入智能電網主軸計劃--微電網先導計劃，同時也與國內學術單位合作，包括中山大學、中央大學、中正大學、中塬大學、臺灣大學、臺灣科技大學、成功大學、清華大學、義守大學與聯合大學等，全力培育國內微電網領域的專業人才，以加速推動未來微電網建置及前瞻性技術研發。
 
        核研所扮演產業與政府之間的溝通橋梁，現已與中華電信研究所簽訂合作備忘錄MOU，共同開發微電網分布式電力節點資訊同步整合技術，并與裕隆集團納智捷公司簽訂合作意愿書，推動電動車應用。
 
        核研所也已完成微電網產業先期參與及技術移轉案，包含微電網能源管理與控制、新型諧波與間諧波量測演算法、負載預測、低壓穿越測試環境建置和數位脈波調控等技術;并與國內多家廠商合作開發微電網能源管理控制平臺、通訊技術、儲能系統、微電網電力轉換器、智能家庭微電網等關鍵技術，以促成國內產業加速進入微電網供應鏈。
 
        除電網建置與新技術研發外，臺灣也開始著手推行微電網標準，包含產業標準驗證試驗設施規劃等工作，如技術推廣及示笵教育等，充分讓參訪者了解微電網架構、發展現況與未來應用。
 
        微電網技術可擴大再生能源應用，增強區域電網供電穩定及可靠度，配合經濟部澎湖低碳島示笵計劃、陽光屋頂百萬座及千架海陸風力機等計劃的推動，微電網將扮演重要角色并發揮效益，未來應用于離島、偏遠地區、農莊及中小型社區等。
 
        在短期效益方面，可提高臺灣電力網路對分散式再生能源電力承載容量，達成可穩定控制再生能源發電滲透率20%的區域電網的目標。中長期，將結合電動車、儲能產業，期望在中小型社區規模廣泛運用，降低電能傳輸損失及尖峰負載用電，有效提升能源使用效率。