ERCOT電力市場簡介 當再生能源進入ERCOT電力市場 ERCOT維持電力可靠度的機制 我國的電力調度挑戰

1. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
建構電力系統可靠度
—以德州ERCOT為例
2019.04.24
工研院綠能所 產業發展推動組
李孟穎
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2. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
大綱
• ERCOT電力市場簡介
• 當再生能源進入ERCOT電力市場
• ERCOT維持電力可靠度的機制
• 我國的電力調度挑戰
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3. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
WHY 德州ERCOT？
• 德州ERCOT電力系統規模現況：
• 服務範圍：90%德州負載需求，
佔75%德州面積
• 2018年尖峰負載：
73,473MW (臺灣*1.97倍)
• 服務超過2,500萬消費者(臺
灣*1.06倍)
• 超過46,500英哩電網傳輸線
路 (臺灣*4.22倍)
• 超過600個發電機組 (與臺灣
相近)
3資料來源：ERCOT (2018), Overview of Renewables in the ERCOT System

4. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT的任務與運作模式
• 德州公共事業委員會賦予ERCOT的四大任務
完全競爭的
零售市場
開放使用的
電網線路
完全競爭的
批發市場
維持電力系統可靠度
• 發電機組完全私有(除
了少數市府所有)
• 於ERCOT市場(日前、
調度日)競爭
• 售電公司市場活躍，
用電戶合約轉換頻繁
• 智慧電表裝設率約達
100%
• 所有輸配線路為受管
制的事業單位所有並
運作
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5. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT電力市場監管機制
公共事業管制法案
Public Utility Regulatory
Act (PURA)
德州公共事業委員會
Public Utility Commission
of Texas (PUCT)
ERCOT ISO
聯邦能源管制委員會
Federal Energy
Regulatory
Commission (FERC)
北美電力可靠度
North America Electric
Reliability Corporation
(NERC)
德州可靠度機構
Texas Reliability Entity
(TRE) PUCT第三方
監督單位
(Potomac
Economic)
審查批准NERC
可靠度規範
建立規範並責成
區域機關監督
• 監督ERCOT符合
NERC可靠度規範
• 建立區域可靠度
標準
監管並確保ERCOT的
市場競爭性、預算、
運作規則等
監管ERCOT
市場運作
市場參與者委員會
(working groups,
task force,
subcommittee)
市場protocol的
訂定與調整
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6. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT的特色
• 孤島電網：聯外直流電網只有1.25GW
• 北美唯一不跨州電力市場：交易不受FERC監管
• 只有電能市場，沒有容量市場
• 完全市場運作與調度角色：不參與市場，不擁有任
何發電機組或輸電線路
• 完全中立性：所有市場規則由市場參與者組成的工作
小組決定
• 活躍的競爭市場：批發與零售市場
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7. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT發電結構現況
• 風力發電占比持續成長，至2018年底已達18.6%；裝置容量占21.4%。
• 燃氣機組持續作為最主要發電來源，小型引擎式發電機組裝置容量有逐漸成長
趨勢。
• 燃氣複循環裝置容量雖持續提升，但平均容量因數有下降趨勢，主因為再生能
源發展致使其無法維持高負載運轉，為目前複循環業者進入市場的考量。
• 燃煤機組因價格競爭力與環保法規等因素，其裝置容量與發電量皆呈下降趨勢。
7
ERCOT機組裝置容量變化趨勢 ERCOT燃料別發電量趨勢
11%
5%
7%
1%
資料來源：ERCOT (2019), The ERCOT Grid and Beyond; ERCOT Demand and Energy Reports

8. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT電力調度排序變化趨勢
資料來源：USDOE (2017), Staff Report to the Secretary on Electricity Markets and Reliability
• 再生能源通常為零或負價格(聯邦稅賦抵免)，最優先被調度。
• 燃氣複循環機組具價格競爭力，調度排序逐漸提前，燃煤被向後遞延。
• 燃氣引擎式機組與汽力機組，主要作為尖載機組調度使用；區域邊際定價
(LMP)通常由燃油機組決定。
8
ERCOT日前市場投標曲線

9. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT未來再生能源成長預估-風力發電
5,653
5,840
8,072
8,421
24,895
- 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000
Kansas
California
Oklahoma
Iowa
Texas
(MW)
• 風力發電紀錄：
發電達19.7GW
(01/21/2019 19:19)
發電占系統負載量達56%
(01/19/2019 03:10)
9資料來源：ERCOT (2018), ERCOT Changes and Challenges; ERCOT (2018),
Overview of Renewables in the ERCOT System ;AWEA, State Fact Sheets, https://www.awea.org/resources/fact-sheets/state-facts-sheets

10. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT未來再生能源成長預估-太陽光電
10資料來源：ERCOT (2018), ERCOT Changes and Challenges

11. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
高再生能源對ERCOT電網系統的影響
再生能源變動性
與間歇性
系統轉動慣量下
降
低電壓/頻率穿
越能力下降
棄風問題
• 受氣候影響導致風力瞬時出力變動變大
• 風力發電預測的不確定性
• 高潛力風場與負載中心不同區域
• ERCOT棄風率為曾為全美最高
• 傳統機組占比下降，導致系統轉動慣量下降
• 系統頻率調節能力下降
• 變流器機組在系統低頻率/低電壓時，
因缺乏調節能力，容易造成卸載，產生
連鎖跳機
系統虛功下降
• 傳統變流器無法提供虛功(reactive power)
• 系統電壓支持能力下降
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12. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT風力發電曲線與負載
• 風力發電導入導致淨負載(net load)曲線改變：淨負載不確定性增
加、尖離峰差異擴大、負載變化速度增加
尖離峰差異：
19.3GW
->26.2GW/day
淨負載不確定
性增加負載變化速度增加
12
ERCOT 4/1-4/15負載曲線
資料來源：Denholm, P., Hand, M. (2011) Grid flexibility and storage required to achieve very high penetration of
variable renewable electricity. Energy Policy (39): 1817-1830.

13. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
電網負荷與棄風挑戰
• ERCOT良好風場集中於西部
(平均容量因數可達
40~50%)，但負載中心位於東
部，使西部風能發展受限。
• ERCOT整體棄風率高於美國其
他電力市場，2009年風力發電
容量8.9GW時，棄風率高達
17%。
13
ERCOT 風力發電潛力分布
美國主要電力市場棄風情形
資料來源：Calming Chicken Little:
An EV Grid Tale Without the Scary
Ending.
https://www.raponline.org/blog/c
alming-chicken-little-an-ev-grid-
tale-without-the-scary-ending/

14. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
系統慣量(inertia)對頻率響應的作用
• 傳統發電機組與電網交流電頻率同步時，因設備(渦輪機、飛輪)在發電過程中
持續高速運轉，產生強大慣性，可提供類似一次調頻功能，當頻率驟變時，可
緩衝其變化幅度，爭取時間啟動其他備轉容量。
• 以變流器(inverter)連結電網的能源(包括PV, wind, storage等)無法提供轉動慣
量，故再生能源占比提升會降低整體系統慣量，增快頻率變動率(Rate of
Change of Frequency, RoCoF)
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再生能源併網對頻率響應的影響
再生能源併網對系統慣量的影響
資料來源：http://www.incite-itn.eu/blog/on-low-inertia-grids/; ERCOT (2018). Inertia:
Basic Concepts and Impacts on the ERCOT Grid

15. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT臨界系統慣量設定
• 臨界系統慣量(Critical Inertia)：當
系統頻率下降時，欲使系統既有的
一次調頻控制可有效避免低頻卸載
(低於59.3Hz)，系統轉動慣量需維
持的最小值。
• 規範為系統中2,750MW (ERCOT兩
部最大機組容量加總)機組跳機下，
使頻率從59.7Hz下降到59.3Hz的速
度不低於0.416秒 (或25 cycles)
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2,750MW機組跳機下的頻率響應
不同系統慣量下的頻率響應情形 不同系統慣量下可爭取延遲低頻卸載的時間
資料來源：ERCOT (2018). Inertia: Basic Concepts
and Impacts on the ERCOT Grid

16. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT維持電力系統可靠度
再生能源變動性
與間歇性
系統轉動慣量下
降
系統擾動穿越能
力下降
棄風問題
• 運轉規則的調整(時間與空間尺度細緻化)
• 再生能源發電預測
• 快速反映機組(燃氣為主，尤其引擎式小容量機組)
• 輔助服務市場調整
• CREZ區域設定與東西向高壓輸電線路規劃
• 再生能源併網規範
• 再生能源升降載速率限制
• 再生能源併網規範
• 再生能源機組提供頻率響應能力要求
• 再生能源機組提供電壓支持能力要求
• 再生能源機組擾動穿越能力規範
系統虛功下降
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17. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT市場結構與類型
• 確保調度日每個小時的運作至少被評估並重新規劃過24次，確保供電可靠度
• 極端氣候下會特別考慮極端機組狀況(停機)並採取對應措施
運轉日-1 (D-1) 運轉日
日前市場
(Day-Ahead Market,
DAM)
• 同時最佳化電能與輔
助服務市場
• 產出電能交易結果
日前可靠度機組排程
(Day-Ahead
Reliability Unit
Commitment,
DRUC)
• 每日一次 @2:30PM
• 確保機組容量足夠滿
足負載
• 包含電網安全分析
06:00 18:00
調整時間 逐時可靠度機組排程
(Hourly Reliability Unit Commitment, HRUC)
• 確保機組容量足夠滿足負載
• 包含電網安全分析
• 考量各種突發狀況(Contingencies)
00:00
電網安全經濟調度
(Security Constrained Economic Dispatch, SCED)
• 依機組報價經濟最佳化，每5分鐘重新調度一次
• 考量電網安全(包含超過7,100種可能狀況、電壓穩
定度等)
負載頻率控制
(Load Frequency Control, LFC)
• 每4秒偵測並發出訊號給發電機組一次
• 決定調節服務(regulation service)的調派
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18. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
運轉規則的調整
區域市場(Zonal Market)：依
輸電線路分為5個壅塞管理區，每
15分鐘調度一次
• 價格透明度不足：區域內設備
投資訊號不明顯
• 電源調度受限：缺乏區域內調
度資訊
• 區域壅塞情況無法確實反
應：缺乏壅塞情形訊號
節點市場( Nodal Market)：超
過4000個節點，每5分鐘調度一
次
• 節點價格反映系統實際情況：
訊號明確，有效鼓勵適當地點的投
資
• 提升調度效益：降低調度成本
• 直接反應區域壅塞：直接由節
點邊際成本反映
 精細定價計算
 改善調度情形
 增加系統效率
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資料來源：http://www.ercot.org/about/wc/zvn/index.html

19. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT稀少性定價機制與ORDC
• ERCOT沒有容量市場，發電商的電廠建置成本只能從能量市場與輔
助服務市場回收。
• 為了鼓勵作為維持系統備轉容量(較少被調度)的機組建設並投入市
場，ERCOT建立稀少性定價機制
• ERCOT建立Operating Reserve Demand Curve (ORDC)，來呈現
提供即時備轉容量的實際價值，設定LMP price adders，當
reserve越低，則價格越高，LMP上限是$9000/MW。
Value of real-time reserves = Value of avoiding load-shed
• 依缺電機率設定曲線
• 一天設定6條曲線(每條代表4小時)
• 當備轉容量低於6,000MW時啟動
• 以LMP + Price adder支付發電商
電能費用，額外支出轉嫁至零售商
19
ORDC曲線
資料來源：ERCOT, ORDC Workshop, ERCOT Market Training Materials

20. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT市場風能發電預測機制
• 7日前即進行風場發電量的預估，逐時進行預測
• 委託2家不同的預報公司並比較結果
風場以氣象塔監測，每4-
10秒傳送風速氣壓資料，
以及風機可利用情形。 ERCOT將風場氣象資料提
供給氣象預測公司
氣象預測公司回傳各風場
發電量預估
ERCOT提供發電量預估
資料給風場進行review
與修正
風場回傳修正後的發電量
資料給ERCOT進行排程
1
2
3
4
5
誤差率約5~6% 誤差率約3~4%
20
日前風能預測 小時前風能預測
資料來源：ERCOT (2017), ERCOT Renewable Integration

21. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
內燃引擎式小型機組的發展
• 內燃引擎式(Internal combustion engine, ICE)小型發電機組原以作為備援
或緊急機組用為主。
• 近年於大量再生能源併網的區域(州)發展最快，德州為全美之最。
• 特點為起停快速、可維持高效率下部分負載運轉，可作為電網彈性資源、
提供尖載發電需求，近年單一機組容量約落於16~19MW。
• 目前最大規模機組為德州的Denton Energy Center，以12個18.8MW燃油
ICE機組組合而成，總裝置容量為225MW。
• ERCOT小型Gas發電機容量占
比：
5.3% (1999) -> 6.3% (2017) ->
7.2% (2018)
21
美國內燃引擎式小型發電機組逐年新增量
各州ICE機組裝置容量
資料來源：EIA (2019). Natural gas-fired reciprocating engines are being deployed more to
balance renewables. https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=37972

22. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
內燃引擎式小型機組在電力系統的應用
• EPRI蒐集引擎廠商與電廠應用Reciprocating Internal Combustion
Engines (RICE)的經驗並歸納其與氣渦輪機(GT)相比的優勢與挑戰。
• 暖開機速度5-10min (GT需10-20min)
• 可低負載運轉至25% load (GT受限排放
濃度標準，通常平均僅能至30-50%)
• 負載變動速度可達50~130%/min (GT
約15~25%/min)
• 維護需求較不受機組起停次數影響 (增加機
組調度彈性)
• 50%負載時，相較滿載效率下降約2~3%
(GT下降約6~9%)
• 機組效率較不受環境溫度影響
• 機組耗水量較GT小
• 高負載效率較GT低
• 單位容量投資成本較GT高約
20~30%
• 維護成本較高約為GT的2倍
• 潤滑油(lubricating oil)需求高
• 運轉高頻噪音較GT嚴重
• CO, HCs, NOX排放較GT嚴
重
優勢 – (運轉彈性) 挑戰 – (成本、環境排放)
22

23. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT設置CREZ區域鼓勵風電發展
• ERCOT設置競爭再生能源地區(CREZ)將風能好的地區分為5大地區，規劃
345kV高壓傳輸線將這五大地區的風場發電傳輸至東部負載中心，其原則
為在容許2%棄風率的情況下，規劃電網容量可以滿足18.5GW的風機併網
傳輸。
• 此項建設大幅降低棄風比例，並提升風電容量因數，但目前容量已飽和。
• 佈建期為2008~2013年，共2000 miles花費70億美金，佈建經費由電網
輸配商支付後，後續再攤提在電力零售價格中的輸配電成本上(依6~9月尖
峰負載攤提)。
23資料來源：https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=16831#tabs_SpotPriceSlider-1
Yasuda et. al. (2015) International Comparison of Wind and Solar Curtailment Ratio
CREZ高壓傳輸線規劃 逐年風能發電與棄風情形

24. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT輔助服務市場調整
• 在日前市場採購，因應未來服務需求的變化與服務資源特性，ERCOT
重新規劃輔助服務架構，提供更多元的快速反應資源。
調節(Regulation)
157~687 MW
反應(Responsive)
冷機備轉容量
(Non-Spin)
967~2361 MW
調節(Regulation)
偶發備轉容量(Contingency
Reserve)
冷機備轉容量
(Supplemental Reserve)
0~1,180 MW
現有架構 規劃架構
59.85Hz下需於15 cycles內反
應，維持15min
24
一次調頻(Primary
FR)
反應(Responsive)
快速調頻(Fast FR)
低頻電驛之負載資源 (Load
Resource on UFR)
一次調頻(Primary FR)
2300~3200 MW
2300~3200 MW
10 min 升降載
負載資源 (Load Resource)
低頻電驛之負載資源
(Load Resource on
UFR)
508~1644 MW
59.70Hz下需於30 cycles內反
應，維持到訊號結束
由發電機組或可控負載而來，至
少需要1,150MW
提供10 min內升降載的機組
提供10 min內調節的負載資
源，最多可占CRS的50%
最多60%的RRS可以來自負載資
源
ERCOT每4秒傳遞一次訊號，告
訴機組應該進行升載或降載 (主
要為AGC)
資料來源：ERCOT (2019), EROOT ISO’s
Initiative on the Issue of Inertia. RMEL
Transmission Planning and
Operations Conference &
Roundtable

25. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT市場的需量反應資源
• 參與電能與輔助服務市場，每天都可以參與競標，得標者即可得到費
用，但不一定會被要求啟動 (過去三年每年只有真正啟動過1~2次)
• 至2018年底，高達406項低頻電驛啟動的需量反應資源，總計
5,064MW符合資格並參與ERCOT競標登記，被視為成功的市場設計
(產品資源分散且數量多，提供競爭性)
RT-Energy Market
Ancillary Services
Emergency
Responsive Service
TDSP Load
Management
1,833
2,169 2,183
2,036 2,070
2,268 2,266
2,548
2,332
2,116 2,227
2,367
1,400 1,515 1,501 1,501 1,391 1,338 1,253 1,283 1,393
1,626 1,730 1,734
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Offer Awarded
(MW)
2018年ERCOT每月負載資源
平均競標與得標容量
Retail DR
25
資料來源：ERCOT (2019), 2018 Annual Report
of Demand Response in the ERCOT Region

26. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT再生能源併網規則的訂定
• ERCOT陸續要求變動性再生能源併網條件，包括：
• 升降載速度：MW等級以上的機組，每分鐘最多只能併入
20%容量，可藉由風葉旋角控制技術或配合儲能系統因應。
• 頻率響應：
• 要求變動性再生能源提供一次頻率調節能力，需在輔助系
統中提供類調節器(governor-like)。
• 風力機組可以提供合成慣量(synthetic inertia)減緩RoCoF
(目前尚未要求機組提供)
• 穩壓：再生能源機組只要出力超過10%，都需提供虛功支援，
可藉由伏特-VAR控制，會些微影響實功輸出。
• 2016年11月FERC提案要求所有新設機組皆須具有可提供一次調頻
服務的能力方可併網，但要不要啟用這些能力，仍由各電力市場決
定。
• 對於新設電廠(尤其再生能源)的併網規範，需要在早期就訂定，即
使現階段用不到，但未來若系統開始有需要時，可以馬上獲得這些
資源，會比到時候才要求電廠改裝設備以符合規範要來的有效益。
26

27. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT再生能源併網規則-頻率調節
• 風力資源提供類調速機的功能，對於頻率調節有很好的效果，在大
範圍頻率升降狀況時，可有效支援頻率輔助控制。
27
風能頻率調節情形
資料來源：ERCOT (2017), ERCOT Renewable Integration

28. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
ERCOT小結 – 目前高再生能源占比對系統影響
• 冬季風力發電旺盛時，系統輔助服務需求大於夏季
• 隨著風力發電裝置量提升，全年小時平均系統調頻
備轉的需求反而有逐年下降的趨勢
• 節點市場提升調度效率
• 風力發電資源分散
• 輔助服務市場操作成熟
全年系統慣量分布
全年調頻備轉需求分布
• 風力預測準確度提升
• 系統慣量仍然充足
ERCOT逐年輔助服務需求量趨勢
28
資料來源：ERCOT (2017), ERCOT Renewable Integration; Potomac
Economics (2018). Wind Integration in ERCOT, EIA Conference.

29. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
我國的電力調度的困境
• 機組供電能力受限：
• 生煤管制：中火、興達、麥寮減產
• 環評承諾：燃氣機組在11~12月時會開始停機
• 水文限制：需配合下游用水運用
• 地方政府壓力：中火機組停機要求
• 高占比再生能源機組併網問題：
• 太陽光電與離岸風力為最大宗，發展區域集中在中南部
• 太陽光電鴨子曲線問題
• 燃料供應問題：天然氣儲槽存量限制、天然氣管輸量限制等
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30. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
我國機組供電能力考量原則
• 備用容量與備轉容量的落差：淨尖峰供電能力無法反應機組實際運轉受限情形
機組類型 說明
核能機組 平時以滿載規劃為原則
燃煤機組 考量台中、興達電廠受限於全年生煤用量，無法全年滿載發電；臺中市要求中火#1~4停機
燃煤IPP機組 麥寮IPP受限於生煤用量，無法全年滿載發電
燃氣機組 受中油供氣、環評承諾(NOX排放量)、EOH、熱降載的限制
燃氣IPP機組 依PPA合約安排供電能力但亦有全年容量因數限制
燃油機組 協和#1、#2因機組老舊，無法起停頻繁且有容量因數的限制
輕柴油機組 緊急備用電力設施有全年運轉時數限制
水庫式水力 大甲溪及濁水溪則依水資源局下游需求發電放水，當水位於規線以下時配合下游用水運用
川流/調整池水力 依水文及機組狀況規劃
抽蓄式水力 目前僅扣除無法運轉機組之供電能力
購電水力 依翡翠、石門、義興、曾文祺功電能力依北區及中區水資源局排程規劃
測試機組 依機組測試排程規劃
汽電共生 餘電收購，以近期系統實際發電總量及塑化大型機組發電情形調整預測汽電共生發電量
風力/太陽能 依未來48小時預測系統預測值與前日實際值進行規劃
30資料來源：吳進忠 (2019)，維持台灣供電穩定所需之備載容量來源及數量計算原
則，電力與能源主題論壇—準備合理的備轉容量配合經濟發展

31. Copyright 2019 © ITRI 工業技術研究院
我國備轉容量類型與規劃
輔助服務類型 服務需求 主要提供來源
調頻備轉服務
(Regulation, AGC)
• 3分鐘內可升降載的熱機備轉
• 用於穩定頻率
• 準備量700MW
• 發電機AGC
• 具調頻能力的再生能源
• 儲能系統(抽蓄、水力)
• 低頻啟動的DR資源
即時備轉服務
(Spinning Reserve,
SR)
• 30分鐘內可升降載之熱機備轉
• 用於故障/負載突升
• 通常以1部機組(約1,000MW)為原則
• 需量反應
• 儲能(抽蓄、水力)
• 快速起停機組
補充備轉服務
(Supplemental
Reserve, SupRes)
• 60分鐘內可升降載之冷/熱機備轉
• 可替代即時備轉
• 需量反應
• 發電機組(複循環)
• 備轉容量的準備量與類型：需視系統情況需要而調整與運用，不同時
段有不同備轉容量與類型的需求
• CPS1: 用來評估頻率控制的能力 (調頻備轉)
• DCS: 用來評估事故發生時系統回復正常的能力 (即時、補充備轉)
• 備轉容量設定應同時考量可靠性與經濟性，求取最小成本平衡
• 可快速起停與高升降載率的機組是未來需求重點(燃氣、抽蓄)
• 輔助服務市場的必要性：儲能、需量競價及需量反應資源的活絡
31資料來源：張簡樂仁 (2019), 符合頻率及擾動控制標準(CPS & DCS)之備轉容量，
電力與能源主題論壇—準備合理的備轉容量配合經濟發展

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參考資料
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