限電降載時台電停電之衝擊分析探討

1.前言

近年來台灣電力供應型態的轉變及電網事故頻發，當台電面臨備轉容量不足時，科學園區將配合台電參與需量反應之緊急措施，協助降載度過用電尖峰。由於半導體廠的負載特性，無法隨意減少負載用電或避開用電尖峰時段，故廠內最直接有效參與需量反應方式為啟動緊急發電機供電，抑低尖峰負載。但若在參與需量反應協助降載期間，台電發生異常停電，則可能對廠內的供電穩定性帶來衝擊，因此本研究透過分析限電降載時台電停電之情境，探討廠內保護電驛及發電機設定，進而研擬限電降載時停電之應變對策，以期加速復電程序，使停電對廠區帶來之衝擊降至最低。

2.文獻探討

2.1 我國能源政策轉型探討

近年來隨著 全球經濟成長與科技的進步，電力是現代社會發展和生活的基礎，因為可靠的電力供給是企業營運的關鍵，也是帶給人類生活便利性的指標。各界對於電力的需求日益增加，過度使用煤、石油等化石燃料，使得周遭環境面臨重大的衝擊，雖因此投入核能電廠的建設，來抑低火力發電產生的二氧化碳排放量，但在311日本福島核電廠事故發生後，不僅核安成為我國社會關注議題，民間對非核家園的渴望亦受到高度討論。因此政府積極推動能源轉型過程中，如何在確保能源穩定供應，又同時兼顧經濟發展與環境永續，已成為全球共同關注的課題。

目前台灣電力公司以備轉容量率用來衡量每日供電可靠度的指標，備轉容量率定義為系統運轉淨尖峰供電能力扣除系統瞬時尖峰負載，再除以系統瞬時尖峰負載的百分比。一般而言為了滿足尖峰用電需求及供電穩定，備轉容量率須高於等於系統瞬時尖峰負載的10%，低於此門檻可能面臨限電的危機。根據台電 106年統計，備轉容量率已多次低於6%以下(圖1)，其中 8月 8日只剩1.72%，並在8月15日出現全台無預警大停電的事故，經過緊急分區限電才得以恢復正常供電。

政府為使台電系統備轉容量率維持在需求面而推動包含計畫性與臨時性減少用電措施、需量競價及用戶群代表等抑低尖峰作法，同時供給面亦推動調整歲修時程與火力電廠提早併聯或延後除役等措施，並積極進行燃煤電廠汰舊換新為超超臨界發電機組。

2025年的能源轉型將以達成再生能源發電量占比20%為目標，政府規劃各類再生能源：太陽光電20,000 MW、風力發電6,938 MW、地熱能200 MW、生質能813 MW、水力2,150 MW及燃料電池60 MW。我國整體能源轉型路徑以逐步增加再生能源與燃氣發電，降低燃煤比例為發展方向，我國2025年能源發電結構配比如圖2所示^[1]。

但在擴大燃氣與再生能源設置之電源規劃下，電力系統將可能面臨間歇性再生能源大量併網、燃煤發電常態性降載及天然氣供氣穩定性之挑戰，為確保滿足用電需求，藉由發電機組彈性調度，俾提昇電力系統供電可靠度、強化電力系統供電韌性，以因應未來可能發生諸如「鴨子曲線」等挑戰，如圖3所示。

2.2 需量反應之應用

現今社會對於電力供給面的開源上，礙於環境評估、民眾抗爭種種因素，已比過去來的不易，全球紛紛從用戶端的電力需求量進行管理，此法方稱之為需求面管理(Demand-Side Management, DSM)，而且會因為各自不同的目標與需求，發展出獨特的需求面管理方式，如圖4所示。

西元1979年發生第二次能源危機，由於伊朗和伊拉克爆發戰爭，使中東情勢動盪不安，原油產量銳減，導致油價在市場上飆升，物價也隨之上揚，此次能源危機發生於民國68年，我國也從當時開始實施時間電價，民國76年推廣計畫性減少用電措施，用戶若減少用電將給予電價上的優惠，民國78年則開始實施季節電價，主要目的是引導用戶抑低夏季尖峰的用電，民國80年推出中央空調與箱型空調週期性暫停用電措施，加上近期於民國104年推行的需量競價措施，台電透過這些不同策略的需量反應措施，促使用戶改變自身的用電習慣，達到節約能源和均衡尖離峰時的負載量。目前需量反應分成價格型與誘因型 ^[2]， 價格型如當今的季節電價、二段式及三段式的時間電價^[3]，誘因型則如計畫性減少用電措施、臨時性減少用電措施、 空調暫停用電措施、需量競價措施等。

台電持續檢加強需量反應抑低尖峰負載，強化可靠型需量反應：

❶優化需量競價措施獎勵價格，透過價格誘因機制，提高用戶參與意願。並調整減少用電措施方案供工業用戶參與，藉以事先調整製程、配合減少（移轉）尖峰時段用電。推動以用戶群代表方式擴大募集中、小用戶，透過聚沙成塔作為提高用戶參與需量反應成效。

❷藉由智慧電表（Advanced Metering Infrastructure, AMI）之資訊，分析有效之時間電價機制，未來將配合電價調整，逐步擴大時間電價尖離峰價差，提出更具誘因之方案，促成用戶調整用電行為。

❸利用智慧電網進行智慧節能：擴大智慧電網建置，加速區域分散型電源完備、掌握即時用電資訊、利用大數據進行分析，精進需求面管理措施。

❹提供即時電價選擇方案：研擬尖峰時段用電即時電價（Real Time Pricing），提供用戶調整用電需求，進而藉由市場機制降低電力系統之整體供電量及污染排放。

3.研究方法

3.1 限電降載之風險評估

當發電端供電量與需求量不匹配時，負載端限電降載就成為必然的措施，而近年來的能源政策轉型以及發電、輸配電設備異常事故，導致園區大用戶限電降載支援台電的情形逐漸增加。

由於半導體業的負載特性無法隨意降載或避開用電尖峰時段，以F15P6廠區用電量曲線為例，如圖5所示，觀察廠區用電基本上是呈現平坦，整日無特別尖離峰之分，再加上負載用電特性皆為24小時不間斷運轉，因此無法進行負載轉移，故廠內最直接有效參與需量反應方式為配合台電抑低電力系統尖峰負載，而若需要達成此目的則需透過啟動發電機自行供電給廠內負載，以降低用電尖峰時段之耗電量，圖6為F15P6廠區發電機(KOHLER 2000REOZM)。

在配合台電限電降載參與需量反應時，台電停電則可能對廠內的供電穩定性帶來衝擊，本研究旨在探討當參與需量反應時停電之情境，並擬定緊急應變程序，以因應未來參與需量反應時，當台電停電能減少對廠內系統之影響。

3.2 台電停電情境說明

本文首先說明在正常運轉情況下台電停電之情境，以F15P6電力系統架構為例，正常供電狀態下，除了發電機併聯EH開關以及Tie CB，其餘供電中開關皆為投入狀態，如圖7示意圖所示。

當台電端發生停電時，UV保護功能將動作跳脫各下游開關，如圖8所示。

此時廠內緊急發電機自動啟動併聯投入，如圖9所示。

發電機併聯完成後，下游開關隨即自動復電，並由廠內緊急發電機供應急電負載之用電需求，如圖10及圖11時序所示。

3.3 保護電驛與發電機設定探討

說明限電降載之衝擊分析前，應先針對廠區保護電驛與發電機設定進行探討，以瞭解發電機與高壓開關保護功能動作條件及先後順序，如3.2台電停電情境說明，當台電停電時，下游開關欠壓跳脫，且PLC判斷停電條件成立，隨即啟動發電機併聯，EH開關投入供應急電負載用電。

上述開關動作以及發電機啟動之條件成立，主要係透過發電機及保護電驛功能設定達成，本章節將以F15P6廠區發電機及保護電驛設定為範例說明，如表1。

由表1可知台電端或廠內特高壓設備發生異常，電壓瞬間驟降將導致下游開關相繼欠壓動作跳脫(27-1)，若在發電機運轉時遇到停電狀況，廠內NH-M開關保護電驛存在81L+27功能設計，此保護規劃能在發電機運轉又發生台電停電之情況下，快速解聯EH開關，使發電機跟已停電之市電端及廠內負載切離，進而避免發電機因發電量與負載相差過大，導致頻率或電壓崩潰，且解聯後若可維持發電機運轉不停機，則能快速執行停電自救程序，恢復廠內緊急電力供應。

81L+27功能係依據電力系統中相角與實功率以及電壓與虛功率相對關係之物理現象設計，由於電力系統輸電線路有很高的X/R比值，在此類型電力系統中，實功率的改變ΔP相對於電壓大小的改變ΔV較不靈敏，但相對於相角的改變Δθ則極為靈敏，反之，虛功率ΔQ相對於相角的改變Δθ較不靈敏，而主要取決於電壓大小的改變ΔV，由此可知，實功率變化ΔP與相角Δθ較有關，而虛功率之變化ΔQ則與電壓大小ΔV較有關^[4]，故當系統發生異常瞬間，發電量遠小於負載量時，系統頻率會快速下降，例如：台電大型機組跳機，系統頻率下降，此時台電需依靠低頻卸載規劃，卸除部分負載來維持發電量與負載量間的平衡，以穩定電網運轉頻率，避免系統頻率崩潰^[5]。

如前所述，若廠內發電機併聯時，不幸遇到停電事故，因發電量與負載量不匹配，導致發電機供電電壓與頻率快速下降，依據表1設定值，供電電壓以及頻率下降幅度與持續時間不同，將演變成兩種不同情境：當滿足驟降之供電頻率維持在54Hz~58Hz間達1秒，或是電壓降至80%以下達0.5秒任一條件，81L+27保護功能將動作跳脫EH開關，使發電機跟已停電之市電端及廠內負載解聯；而另外一種情境則是供電頻率低於54Hz時，將觸發發電機DEC550保護功能導致發電機直接停機，以上兩種情境說明將在後續章節詳細介紹。

4.情境分析

4.1 限電降載時台電停電之情境分析

本章將針對當限電降載時台電停電之情境進行分析，依據前一章節發電機與保護電驛設定探討，可依異常發生時系統頻率驟降之程度歸納出兩種情境，如圖12所示。

情境一：發電機供電頻率高於54Hz，但低於58Hz(達1秒)，及情境二：發電機供電頻率低於54Hz。

首先介紹情境一，廠內發電機啟動併聯加載至預定之發電量，此時情境示意如圖13所示。

當台電端發生停電時，發電機將持續供電給廠內負載，因發電量與負載量差異導致供電電壓與頻率下降，如圖14所示。

若下降之頻率或電壓滿足供電頻率低於58Hz或電壓降至80%以下達0.5秒之設定條件，則81L+27將動作跳脫EH開關，如圖15所示。

由於在此情境中系統頻率仍高於54Hz，故不會觸發發電機本體停機保護功能，此時發電機跟已停電之市電端及廠內負載切離，以避免發電機因發電量與負載相差過大，導致頻率或電壓崩潰。而發電機組將持續運轉，廠內下游開關因EH開關啟斷，導致無電源路徑可供電，使下游開關欠壓相繼跳脫，如圖16所示。

因發電機組尚未被廠內負載拖垮，故可自動執行復電程序，如圖9及圖10台電停電程序示意，發電機組將自動併聯投入供應廠區緊急電力負載需求，如圖17所示。

與圖13~圖15在相同停電程序下，倘若負載量與發電量差異過大，導致系統頻率低於54Hz時，則將會演變為情境二，將觸發發電機組停機保護功能，導致運轉中機組停機，如圖18所示。

EH/NH開關及下游開關將因停電相繼欠壓啟斷，由於發電機觸發停機保護，需要手動進行復歸，因此不會執行自動復電程序，如圖19所示

在手動復歸所有停機之機組後，發電機系統始得自動執行復電程序，如圖8及圖9台電停電程序示意，發電機組將自動併聯投入供應廠區緊急電力負載需求，如圖16~圖17所示。

已知當限電降載時台電停電，廠區負載會瞬間轉移至發電機端，導致停電瞬間發電機無法提供足夠輸出供給負載需求，經由上述兩種情境分析比較，可發現其關鍵在於停電當下發電量與負載量之差異，此差異將決定驟降之供電頻率是否會低於發電機停機保護設定54Hz。

此外，分析發電機與保護電驛設定可發現，當EH開關因81L+27使發電機與廠內負載解聯，如情境一中圖15所示，視當時電網與負載條件，若停電後運轉頻率剛好在臨界點，發電機組仍可能因當下運轉慣性，令供電頻率持續降至低於54Hz，則可能使發電機在拉抬頻率前即停機，故即便27+81L成功切離EH開關，仍然有可能由情境一轉變為情境二，從此處亦能看出，停電瞬間之供電頻率及發電機能否成功拉抬頻率，將演變成兩情境之分歧點。

4.2 限電降載時台電停電之衝擊應變策略

由於難以隨時掌握電網供電與負載狀態，當啟動發電機降載台電停電之情況下，無法預期其負載量與供電量差異所造成之頻率變化，因此於最壞情況下，情境二必然存在發生之可能性，故應擬定應變策略，以因應未來限電降載時台電停電帶來之衝擊，若是遇到發電機停機情形，則可根據應變程序操作，加速復電流程並縮短停電時間，將限電降載時台電停電對廠內系統帶來之影響降至最低。

有鑑於此，本文針對廠區發電機與保護電驛設定探討，提出基於F15P6廠區緊急電系統供電架構之應變程序。

當台電停電發生，若廠內發電機因無法供應充足電量導致發電機被拖垮，此時發電機之低頻或欠壓保護功能將動作，令發電機全停，值班確認狀況後應立即啟動應變程序：

❶值班確認狀況，限電降載時台電停電(Power SCADA 特高壓輸入電壓為0V)，緊急發電機因發電量與負載量導致頻率驟降，令發電機停機，立即啟動通報程序。

❷值班前往緊急發電機控制室將所有併聯控制盤發電機控制旋鈕(34M)切換為OFF，如圖20所示。

❸至緊急發電機房將所有異常停機發電機DEC550之控制旋鈕由AUTO切至OFF/RESET再切回AUTO，逐一復歸緊急發電機，如圖21所示。

❹回到緊急發電機控制室修改人機介面併聯台數，由現有設定改回預設台數(若限電降載時PLTC Mode有操作修改預設併聯台數才須執行此步驟)，如圖22所示。

❺於緊急發電機控制室將併聯控制盤上異常發電機保護電驛Alarm Reset (按下RESET鍵)，如圖23所示。

❻於緊急發電機控制室併聯控制盤按下異常機組的Fault Reset鈕，如圖24所示。

❼於緊急發電機控制室併聯控制盤將所有34M旋鈕切換為AUTO，如圖20所示。

❽復歸完成後，緊急發電機將自動併聯加載，供電給下游緊急電負載。

5.結論

5.1 總結

由於近年的能源轉型，加上電源開發不易，電力供需問題逐漸必須從用戶端的電力需求量著手，因應不同的目標與需求，發展出獨特的管理方式，需量反應(Demand Response)即為其中之一。

由於半導體業的負載特性無法降載或避開用電尖峰時間，加上負載用電特性皆為24小時不間斷運轉，因此無法進行負載轉移，故最直接有效參與需量反應方式為啟動發電機供電給廠內負載，以降低全廠耗電量。

透過彙整廠內保護電驛設定及研究發電機與開關之動作情形，探討限電降載時停電之情境，經上述分析擬定緊急應變程序，以因應未來限電降載時台電停電帶來之衝擊，若發生發電機停機之情境，可望透過此應變程序加速復電流程，縮短停電時間，將限電降載時台電停電帶來之影響降至最低。

5.2 未來研究方向

本文彙整各種需量反應措施並說明現行廠內參與需量反應的方式，當未來廠內配合減少用電成為常態，未來亦能透過此研究加以評估參與台電何種措施之需量反應規劃對公司最為有利。

透過研究廠內保護電驛設定及研究發電機與開關之動作情形，探討限電降載時停電之情境，若往後能夠再加入穩定度分析與模擬驗證，計算負載量差異導致之頻率變化，便能分析不同供電條件狀況下，限電降載時台電停電造成之影響，同時也能透過搖擺方程式計算或軟體模擬結果，檢討廠內發電機與保護電驛之設定是否有改善空間，或加入低頻卸載規劃及跨廠備援自動加減載等其他機制，以使文中情境二發生的機率降至最低，將能夠令本研究更臻完備。