離岸風場電力設計與電網規範符合性的整合方法 — Philip Johnson、Jonathan Horn 與 Omer Guksu 的見解

台灣電力與能源工程協會技術發展委員會與沃旭能源於 2024 年 11 月 19 日所共同舉辦「韌性、可靠及永續的再生能源供應：離岸風電與電力系統技術論壇」，探索如何將離岸風電和電力系統技術相結合，以建構一個具有韌性、可靠且永續的再生能源電網。沃旭能源 (Ørsted) 臺灣區董事長汪欣潔（左 8）表示開發商與電網營運者間的緊密合作，對於確保風場專案具備成本效益與技術可靠性至關重要。

本文綜合了 3 位專家對離岸風場設計與整合的觀點，內容參考了台灣電力與能源工程協會技術發展委員會與沃旭能源 (Ørsted) 電網專家 Philip Johnson、Jonathan Horn 與 Omer Guksu 於 2024 年 11 月 19 日所共同舉辦研討會「韌性、可靠及永續的再生能源供應：離岸風電與電力系統技術論壇」之演講內容。討論範疇涵蓋了疊代設計流程、關鍵數據需求、電網規範符合性以及穩定性分析。文章強調及早獲取相關數據、嚴謹的風險管理與開發商和電網營運者間的緊密合作，對於確保專案具備成本效益與技術可靠性的重要性。

離岸風電已成為全球再生能源策略的基石。然而，電力設計、電網整合及法規符合性所既有的技術挑戰要求採取系統化且疊代的方法。本文結合了 3 位沃旭能源電網領域專家 —— Philip Johnson、Jonathan Horn 與 Omer Guksu —— 所提供的見解，旨在提供成功離岸風場專案所必須之設計方法論、關鍵數據考量及穩定性分析的綜合概覽。

離岸風場電力設計流程
(依據 Philip Johnson 的演講內容)

Philip Johnson 概述了設計離岸風場的基本步驟，強調必須從明確的目標與初步假設開始。隨著實際數據逐步獲得，這些假設會被系統性地替換，以優化設計。其方法著重於法規遵循、風險管理以及同業建議在整個設計過程中的重要性。

沃旭能源資深併網規劃首席 Philip Johnson

Philip Johnson 的重點：

• 初步假設與數據替換：
o　以已發表資料和調查報告為依據，建立技術初步假設。
o　隨著實際數據的獲得，逐步用真實數據更新設計。

• 電網規範符合性：
o　從一開始便理解並納入電網法規。
o　確保設計滿足輸電公司要求與品質標準。

• 風險管理與專家參與：
o　透過詳細的風險評估與緩解策略管理專案風險。
o　善用專家知識，並確保設計經過嚴格的同行評審。

• 系統瓶頸與電纜設計：
o　根據風速、風機安裝容量與輸出電纜長度來評估風場區域。
o　確認陸上登陸點 (landfall) 可能成為瓶頸，尤其在從海底電纜過渡至陸上變電站時。

• 無功補償與諧波濾波器：
o　設計無功補償策略，以減少在關鍵區段（例如陸上登陸點）中的充電電流。
o　將諧波濾波器與穩定性評估納入設計，確保系統平穩送電及運行。

Johnson 最後強調，離岸風場設計具有疊代性：早期假設會經由現場調查、詳細的製造商輸入以及與電網營運者持續溝通而逐步修正。

關鍵數據與疊代設計研究
(依據 Jonathan Horn 的發演講內容)

Jonathan Horn 擴展了討論內容，詳細介紹了為確保離岸風場電力設計既可行又符合法規而需進行的大量研究工作。他將這些研究分為 4 大類，並突顯了由於研究結果、採購變更以及電網要求演變而引起的設計調整所面臨的挑戰。

沃旭大彰化東南、西南計畫-電力系統規劃首席Jonathan Horn

Jonathan Horn 的重點：

• 研究類別與工作量估算：
o　控制器穩定性研究： 通常需要約 3 人 / 月，尤其在需要多次疊代的情況下。
o　裝置協調研究： 聚焦於電磁暈現象 (EMT) 分析（如暫態恢復電壓），耗時較長。
o　一般性研究： 包含短路與諧波研究，這些研究對設備額定值及系統應急計劃至關重要。
o　長期設計任務： 涵蓋運行與控制原則的制定以及最終設備規格的編寫。

• 疊代設計流程：
o　當研究結果揭露技術挑戰、採購導致設備變更或電網營運者要求演變時，可能需要進行設計疊代。
o　及早獲得清晰的電網數據對避免最後階段的修改（這可能使專案變得不可行）至關重要。

• 電網數據與故障水準分析：
o　強調獲取明確預設電網故障水準（尤其是最小故障水準）的重要性，以便為穩定性研究提供依據。
o　從電網獲得詳細的諧波與阻抗數據（包括精確的電纜幾何資訊及鄰近風場的貢獻）對於精確建模非常關鍵。

• 業界諮詢與標準化：
o　開發商與電網營運者之間的積極對話對釐清模糊不清的電網規範要求十分必要。
o　電網規範術語與諮詢流程的標準化有助於減少不確定性並降低能源成本。

Horn 的見解強調，通過及早收集數據與主動的業界合作來降低不確定性，對於成功整合離岸風場極為重要。

電網規範符合性與穩定性分析
(依據 Omer Guksu 的演講內容)

Omer Guksu 聚焦於風機轉換器接入電網所引發的穩定性挑戰。他闡述了短路比 (SCR) 的概念，作為衡量電網強度的一項指標，並討論了各種穩定性分析方法。

沃旭大彰化西北、西南二階計畫-電力系統規劃首席Omer Guksu

Omer Guksu 的重點：

• 基於轉換器的發電與慣性問題：
o　透過電力電子設備連接的風機轉換器並不會像傳統同步發電機那樣固有地提供慣性。
o　轉換器的限制要求對穩定性及動態性能進行仔細分析。

• 短路比 (SCR)：
o　SCR 定義為電網在接入點的短路功率與離岸風場額定功率的比值。
o　當 SCR 低於 5 時，表示電網較弱；低於 3 則表示極弱。
o　即使在公共耦合點的 SCR 尚可，但內部網絡阻抗及鄰近發電可能進一步影響穩定性。

• 穩定性分析方法：
o　時域模擬： 雖能提供詳細見解，但需要較長的模擬時間，且可能無法清楚定位不穩定的根源。
o　基於阻抗的穩定性分析： 利用 Nyquist 等方法評估不同運行條件下的穩定裕度。
o　基於特徵值（狀態空間）分析： 提供量化評估並辨識各系統元件的參與因子，從而揭示不穩定性來源。

• 主動緩解策略：
o　在早期設計階段調整運行參數與轉換器控制至關重要。
o　應提前規劃增加額外被動或主動元件（例如諧波濾波器、同步電容器）以緩解穩定性問題。

Guksu 的分析強調，通過及早進行詳細穩定性評估並結合自適應控制策略，可確保離岸風場在不斷變化的電網環境中穩定可靠地運行。

結論

將離岸風場整合進現代電網是一項多面向的挑戰，這需要採取協調且疊代的設計方法。正如 Philip Johnson、Jonathan Horn 與 Omer Guksu 的見解所示，成功的專案取決於：

• 及早且精確的數據獲取：
從一開始便蒐集精確的電網參數、故障水準及諧波特性數據。

• 疊代與協作的設計流程：
透過專家意見、業界諮詢與詳細模擬研究，不斷修正與優化初步假設。

• 嚴謹的穩定性與法規符合性分析：
結合時域模擬、阻抗分析與特徵值分析，確保滿足電網規範並具備堅實的動態性能。

透過前瞻性規劃與開發商和電網營運者之間的公開溝通，離岸風場專案能夠在最大化輸電效率的同時降低風險與成本。這種整合方法不僅支持技術卓越性，也有助於實現以高效與可靠方式推動乾淨再生能源目標。