目錄：

一.前言

二.執行摘要-頻率部分

三.頻率(Frequency)領域本文

3.1概要

3.2 NGESO所說的頻率是什麼意思？

3.3 NGESO的義務是什麼，未來的運轉挑戰是什麼？

3.3.1頻率調整及遏制(Regulation and containment)

3.3.1.1故障後頻率遏制(Post fault containment)

3.3.1.2定態調整(Steady state regulation)

3.3.2頻率恢復與復原(Recovery and restoration)

3.3.2.1慣性下降(Falling inertia)

3.3.2.2跳脫容量增大(Increasing loss sizes)

3.3.2.3運轉情況(Operating conditions)

3.4 NGESO需要什麼能力來應付這些運轉挑戰？

3.5 2025年(零碳雄心目標)及2030年後的要求是什麼？

3.5.1調整(Regulate) 服務

3.5.2遏制(Contain) 服務

3.5.3恢復(Recover)服務

3.5.4復原(Restore)服務

3.5.5替代(Replace)備轉容量

3.6 在不同未來能源情境下，要求量如何變化？

3.7 下一個巨大運轉挑戰是什麼？

四.後語

參考資料：

一.前言

英國國家電網電力調度中心(NationalgridESO: National grid Electricity System Operator，以下簡稱NGESO)負責運轉英國大不列顛島(Great Britain)電力系統。目前脫碳化(Decarbonisation)、分散化(Decentralisation)、數位化(Digitalisation)正在驅動整個英國大不列顛電力網路發生重大變化，衝擊著NGESO如何運轉現在及未來的系統。

這些挑戰是在其他業界發生重大變化的背景下而發生的，諸如配電電網公司(DNO/配電調度中心(DSO)的轉型及分散型電源(DER: Distributed Energy Resources)與輸電互聯線(Interconnection)的增加成長。

到2030年，NGESO預計將看到4,000萬瓩(40GW或40,000MW)的離岸風力及1,700萬瓩(17GW)的跨國海底電纜高壓直流(HVDC)互聯線，這兩者都將帶來系統運轉的挑戰。NGESO的職責是支持能源轉型，同時確保NGESO能夠繼續為終端用戶帶來最大利益的方式來運轉大不列顛電力系統。

到2025年，NGESO將改變英國大不列顛電力系統的運轉方式，並實施創新的系統、發電(產品)及服務，以確保輸電系統準備好處理100% 的零碳電力。但它並不止於此，系統將繼續演變，隨著NGESO努力實現淨零。這意味著NGESO系統運轉方式將發生根本變化-在整個系統中整合新技術-從大規模離岸風力到家庭規模的太陽能發電，再到大量需量端的參與。 NGESO認識到NGESO工作的關鍵性質-確保安全度與可靠度、降低用戶電費、減少環境破壞及增加整體社會利益，NGESO承諾與業界合作以釋放此一價值。

為此，NGESO每年都會提出年度運轉策略報告(OSR: Operability Strategy Report)，2022年度也是如此，本年度報告也跟前幾年版本一樣，考慮了系統頻率、穩定度、電壓、輸電線熱容量、及復電等五個關鍵領域。在每個領域，NGESO解釋了運轉的挑戰，說明達成NGESO要求所需的能力，並期待著預測到下一個挑戰。NGESO的計畫(報告)將提供NGESO運轉零碳電網所需之服務，並移除英國對化石燃料發電的依賴。

本文僅摘要第一章有關系統頻率(Frequency)關鍵領域部分。首先在下面執行摘要中提供頻率領域主要訊息的簡短摘要，然後在頻率章節提供鏈接(Link)以便獲得更多詳細訊息。

二.執行摘要-頻率部分

電力系統慣性正在減少中，再加上供需變化幅度的增大，意味著系統頻率更加不穩定且更加不可預測。這在NGESO透過NGESO的反應(Response)、及備轉容量(Reserve)服務兩者來管理頻率時，需要重大改變。

反應(Response)：NGESO需要故障前服務(Pre-fault services)來管理頻率接近50 Hz，並需要故障後服務(Post fault services)來確保NGESO能夠遏止故障後的系統頻率。在慣性較低的系統中，NGESO需要更快速的故障後服務來確保頻率被遏制。
備轉容量(Reserve)：係手動啟動，可用於反應啟動之後將頻率移回朝向50Hz。NGESO的新備轉容量服務需要與新反應服務無縫接軌合作，它們的特性及容量大小，係由說明如何管理頻率的法規(Code)及執照義務(License obligations)來驅動的。

頻率服務要求量的大小取決於系統的慣性水準，以及發電與負載跳脫量的大小。這些要求量可能會發生變化，並且會受到系統演變的嚴重影響。例如，如果系統慣性進一步下降，或者如果推動更嚴格的頻率標準，則要求量就會增加。下表列出了NGESO 2025年的要求量，並假設市場提供的慣性低至96GVA.s：

表1 2025年NGESO系統假設慣性低至96GVA.s時各類頻率服務之要求量(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

迄今為止，NGESO的頻率控制策略是基於必須遏制突發性意外故障所發生的頻率變化並將頻率恢復到正常狀態。

然而，下一個重大挑戰可能是在正常運轉期間管理系統失衡，因為由於供需模式難以預測，系統不平衡變得更加多變。

三.頻率(Frequency)領域本文

3.1概要

NGESO的頻率控制策略是透過使用頻率反應(Frequency Response)及備轉容量(Reserve)兩種類型的服務來實現。

頻率反應((Frequency Response))服務係使用頻率測量值自動啟用，來決定有效電力的適當變化。

備轉容量(Reserve)則由調度中心控制室調度員在觀察到的系統事故、或主動預測系統需求後手動調度。就像頻率反應一樣，備轉容量可以增加或減少有效電力，並且可由發電電源或用電需量資源來提供。

NGESO的頻率控制策略之基本目標，以及NGCESO所採用之服務係將系統頻率維持在50Hz的目標值。除了維持頻率，NGESO還必須平衡NGESO所採措施帶給用戶利益與風險的剩餘水準之成本與衝擊。

在本報告中，NGESO著眼於NGESO頻率控制義務及如何轉化成為系統頻率反應及備轉容量要求量。

NGESO也著眼到在目前與2025年之間可能影響或改變要求量的因素。

3.2 NGESO所說的頻率是什麼意思？

頻率係衡量供需平衡的指標。NGESO使用頻率反應及備轉容量服務來校正電力不平衡並將系統頻率維持在接近50Hz的目標。

3.3 NGESO的義務是什麼，未來的運轉挑戰是什麼？

3.3.1頻率調整及遏制(Regulation and containment)

ESO控制頻率的義務可以在下列兩種設定中予以理解：

故障前或定態(Pre-fault or steady-state)
故障後或暫態頻率偏差(Post-fault or transient frequency deviations)

供電安全與品質標準(SQSS: Security and Quality of Supply Standard)係說明NGESO應該在多大程度上控制頻率的法律文件。它要求NGESO運轉電網並避免在許多事故中出現「不可接受的頻率情況(unacceptable frequency conditions)」。

對於上述各個設定，這些「不可接受的情況」定義為：

定態頻率超出49.5Hz或50.5Hz
暫態頻率偏差超出49.5Hz或50.5Hz-除非不常見且可容忍

這些要求中的第一個規定，在正常條件下，NGESO應該將頻率調整到50Hz目標值的 +/-0.5Hz以內。

第二個規定尋求要求NGESO限制故障對系統頻率的影響，這可以解釋為故障後之頻率遏制。

3.3.1.1故障後頻率遏制(Post fault containment)

NGESO的義務是將事故的暫態頻率偏差控制在50Hz的 +/-0.5Hz以內，除非這些偏差不常見且可容忍。

這種頻率偏差是否可以容忍取決於三個因素的組合：

它們發生的頻率（可能性）
它們持續多長時間（持續時間）
它們有多大（偏差）

下表說明了2021年度頻率風險與控制報告(FRCR: Frequency Risk and Control Report)所得出的這些因素的組合

表2 NGESO容忍系統頻率偏差之三大因素組合表(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

任何高於50.5Hz的頻率偏差都是不能容忍的，除非是由1,100年最多發生一次的故障引起的。

如果頻率降至49.2Hz與49.5Hz之間的偏差持續時間不超過60秒，而且是每年最多可能發生兩次的事故引起的，是可以容忍的。

如果由一個在270年內最多只可能發生一次的事件所引起，那麼低至47.75Hz的頻率偏差，是可以容忍的。

FRCR還定義了不應發生的不可接受頻率情況事故。頻率風險與控制報告(FRCR)過程將每年檢討一次，在第一期研究的事故分為三類：

平衡機制機組(BMU)跳脫事故：一部或多部BMU機組跳脫事故，及可能會也可能不會導致相應的頻率下降率電驛(RoCoF)動作跳脫[無向量位移保護( Vector Shift)]
向量位移(VS)保護電驛動作事故：僅導致向量位移保護電驛動作跳脫事故，及可能會也可能不會導致相應的頻率下降率電驛(RoCoF)動作跳脫(無BMU機組跳脫)
BMU+VS跳脫事故：一部或多部BMU機組跳脫事故，並導致相應VS保護電驛跳脫，及可能會也可能不會導致相應的頻率下降率電驛(RoCoF)動作跳脫

因此，透過FRCR，NGESO及更廣泛的利益相關者可以了解相關暫態頻率偏差相關的兩個關鍵因素：

必須系統安全的事故
必須系統安全的事故之標準（亦即什麼是可以容忍的）

在本章後面，NGESO將研究這些義務如何轉化為系統頻率反應及備轉容量服務的要求量。

3.3.1.2定態調整(Steady state regulation)

供電安全與品質標準(SQSS)的其他義務涉及在正常或定態情況下之調整頻率。

系統頻率偏離50Hz目標值不僅是由於突然、意外的故障，但也因逐漸的供需不平衡，及獨立機組動作。為此原因，NGESO使用輔助服務來調整故障前的頻率。

SQSS所規定的義務，係NGESO應該維持定態頻率在50Hz +/-0.5Hz的標準頻率範圍內。

下兩張圖表展示了供需不平衡如何驅動自動(反應)及手動(備轉容量)頻率調整服務兩者之需。

下圖係來自真實世界經驗的圖片。黃線及綠線係約3小時期間系統負載可能如何變化的預測值。藍線則為系統負載實際紀錄值。

在此情況下，負載預測值與實際結果值之間存在著顯著的差異。

紅線係發電計畫結果-顯示控制室調度員根據排程的最終發電量。

本樣例楬櫫了控制室調度員所面臨的不確定性及挑戰。系統負載並未如預期那樣演變，因此導致計畫的發電計畫必須在即時顯著的改變。

圖1系統負載預測值與實績值之比較(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

下圖顯示了同一時間的系統頻率變化。

查看這兩個圖表，可以將事故、行動措施及後果拼湊在一起。

圖2系統頻率變化曲線(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

從上述的整個樣例中之動作，實際上在任何時候，係自動頻率調整服務之措施。這些服務旨在幫助達成定態頻率調整義務。

如樣例所示，NGESO通常會採取額外的手動措施來調整頻率。

NGESO需要根據供電安全與品質標準(SQSS)調整頻率，並避免定態頻率超出49.5Hz或50.5Hz（法定範圍）。下一節將介紹當頻率超出法定範圍及較窄的運轉範圍時，發揮作用之規則及義務。

3.3.2頻率恢復與復原(Recovery and restoration)

歐盟輸電系統運轉指南(SOGL: guideline on electricity transmission system operation)說明了歐盟所有輸電調度中心的義務，這些義務現在是英國法律的一部份。這些義務橫跨歐盟四個同步區域有所不同，但遵守相同的原則。

恢復(recover)頻率的最長時間
復原(restore)頻率的最長時間

在英國大不列顛電力系統的義務為：

系統頻率必須在60秒內恢復到+/- 0.5Hz
並在15分鐘內復原到+/- 0.2Hz

表3各同步區域頻率品質訂定常數(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

這些義務有助於形塑NGESO在未來幾年推出的新備轉容量服務之關鍵設計元素。例如，快速及慢速備轉容量服務將幫助NGESO分別達成恢復（60秒）、及復原（15分鐘）系統頻率的義務。

NGESO現在可以在更廣泛運轉環境及運轉挑戰的背景下考慮上述義務。

3.3.2.1慣性下降(Falling inertia)

在過去十年中，年平均慣性下降了約40%。這不是一個新現象，以前的運轉策略報告(OSR)議題已經解釋了這對運轉性的影響。較低的慣性意味著系統頻率對變化的抵抗力變小，當受到類似機組或負載突然跳脫衝擊時，頻率會更快的變化。
目前NGESO的政策是在140GVA.s的最小慣性下運轉。

未來能源情境(FES: Future Energy Scenarios)報告研究的2050年實現淨零排放之四種途徑指出，這可能變得更具挑戰性。所有途徑都預計慣性會進一步下降。最小慣性政策係頻率風險與控制報告(FRCR)可以調查的一個重要領域，以查看不同的方法，是否會提供更好的價值與風險。

圖3系統負載與慣性之關係圖(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

圖4系統慣性之年度分布圖(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

3.3.2.2跳脫容量增大(Increasing loss sizes)

許多不同容量大小供應商發電機組及需量負載連接到電力系統網絡。NGESO經常關注其中最大的一個機組或負載，因為如果以及當它們跳脫時，它們會帶來最大的挑戰。跳脫量越大，NGESO需要採取的行動措施就越多，既要在事件發生前進行保護，又要在事故發生後進行恢復。
目前，北海海底高壓直流互聯線(North Sea Link interconnector)可能是最大的發電量或負載跳脫量，因為該HVDC互聯線能夠輸入(相當發電機組發電)及輸出(相當用電負載)1,400MW的電力。隨著新核能機組及互聯線連接到電力系統電網，最大跳脫量將發生變動。

表4英國大不列顛電力統未來最大機組或互聯線容量表(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

3.3.2.3運轉情況(Operating conditions)

低慣性及大跳脫量的結合，意味著系統頻率變化率(RoCoF)可以很大。反過來，也就意味著頻率控制服務需要足夠快，以便阻止頻率變化。這是促使NGESO開發及推出一種快速頻率反應服務-動態遏制(dynamic containment)服務。

動態遏制(Dynamic Containment)係一套新反應與備轉容量服務的第一個服務。所有這些服務都以某種方式貢獻減輕NGESO預計在未來運轉低慣性系統所出現的風險。

3.4 NGESO需要什麼能力來應付這些運轉挑戰？

結合供電安全與品質標準(SQSS)、頻率風險與控制報告(FRCR)及歐盟系統運轉指南(SOGL)的頻率控制義務，NGESO可以拼湊出頻率復原過程的圖像。

NGESO必須調整定態系統頻率在+/-0.5Hz的法定限度內
NGESO必須遏制事故頻率在頻率風險與控制報告(FRCR)中規定的標準之內
NGESO必須在60秒內將頻率恢復到法定範圍（+/-0.5Hz）
NGESO必須在15分鐘內將頻率復原到運轉範圍（+/-0.2Hz）
然後NGESO可以使用備轉容量來替代任何電能不平衡可慮到這些義務

NGESO正在設計各種服務及容量大小要求量，以滿足NGESO目前及到2025年之所需。

圖5使用系統(輔助)服務控制與復原頻率之過程圖(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

3.5 2025年(零碳雄心目標)及2030年後的要求是什麼？

3.5.1調整(Regulate) 服務

在定態故障前情況下的頻率調整(Frequency regulation)將透過動態調整(Dynamic Regulation)及動態調節(Dynamic Moderation)的組合來達成。這兩項服務預計在2022年推動。
NGESO預計將分別購買最高達300MW的動態調整及動態調節服務。
當系統平衡受到不可預見的供需之間不平衡影響時，NGESO的頻率調整要求量為最大值。

3.5.2遏制(Contain) 服務

NGESO的主要遏制服務(containment service)為動態遏制(Dynamic Containment)，低頻變動版係於2020年10月推出，高頻變動版於2021年11月推動。
NGESO對遏制服務的要求量多寡係以系統上最大跳脫量(機組或負載)來決定的，並受到系統慣性水準的影響。頻率風險與控制報告(FRCR)將決定確保那些跳脫量及慣性最低水準，因此FRCR的任何建議，都可能對NGESO遏制服務要求量產生重大影響。

到2025年，NGESO可能會採購最多達140萬瓩(1,400MW)的動態遏制服務，以確保幾處140萬瓩的跳脫。如果有更大的HVDC互聯線跳脫，或例如辛克萊角C (Hinkley Point C) 180萬瓩互聯線完工，則NGESO可能需要採購更多遏制服務量。

圖6頻率調整、調節、遏制服務之互動圖(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

3.5.3恢復(Recover)服務

NGESO的主要恢復服務將是快速備轉容量(Quick Reserve)，將於2023年新推出的新服務。
恢復服務要求量也是受到重大容量跳脫的大小所驅動。因此，NGESO預計到2025年將採購最多140萬瓩(1,400MW)的快速備轉容量。

3.5.4復原(Restore)服務

NGESO的主要復原服務將是短期備轉容量(STOR: Short-Term Operating Reserve)，它將轉換到計畫在2022年推出的新慢速備轉容量服務(Slow Reserve service)。
- 頻率復原服務量的大小，將與恢復服務類似，到2025年NGESO可能採購最多140萬瓩(1,400MW)的慢速備轉容量。它提供了物超所值的附加量，可以採購用來協助故障前頻率調整，以及主動不平衡管理。

3.5.5替代(Replace)備轉容量

最後階段，替代備轉容量，係透過在平衡機制(BM)中的彈性及市場參與者的自我校正來完成。

3.6 在不同未來能源情境下，要求量如何變化？

前一節中的要求量係根據目前NGESO所知道何時及如何併入電網的新互聯線容量來決定。
這些要求量也假設NGESO的政策沒有根本變化。頻率風險與控制報告(FRCR)可能每年檢討計算一次，例如，建議更改NGESO需要確保的跳脫類型。供電安全品質標準(SQSS)可能同樣會被檢討及修改NGESO必須管理頻率的標準。

反應(Response)要求量的一個關鍵驅動因素是慣性水準。如果要達成相同的頻率標準，則較高慣性系統需要較少的頻率反應服務量，而較低慣性系統需要較多與更快速的頻率反應服務量。

依賴天氣的發電佔比也會影響NGESO的要求量。具有更多間歇性、不能調度的發電情境下，可能需要更多的備轉容量。

表5影響反應與備轉容量服務要求量多寡之因素(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

3.7 下一個巨大運轉挑戰是什麼？

迄今為止，NGESO的頻率控制策略是根據從發生突發、或非計劃故障時，遏制及恢復系統頻率的需要。這是NGESO所面臨市場與運轉情況下的結果；大量非常大的發電機組可能在沒有警告的情況下非常迅速地停止發電。

在通往淨零的道路上，NGESO轄下的系統，可能會在故障前不平衡方面經歷到更大的變化，這將來自幾個方面：

家庭用電的彈性，像智慧型家電及電動汽車充電
商業及工業用電彈性，像更高價格的敏感度及電解(electrolysis)用電
更多依賴天氣與間歇性的發電
與鄰近市場互連導致快速升降載期間的增多

當前，NGESO透過在平衡機制中採取行動來管理不平衡，但未來NGESO可能需要調整NGESO的方法與工具：

提高所有彈性資源的可見性
更有效地控制大量彈性資產
行動措施之更高程度自動化
評估及獎勵NGESO所需彈性及能力的各種類型新服務
所有負載與發電的新資源之更佳預測

圖7冬季住宅電熱用電尖峰與熱技術彈性之關係(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

圖8在平均寒冷(ACS: Average Cold Spell)冬季用電尖峰期間的電動汽車充電行為(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

圖9住宅、商業用電之電熱需量反應(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

圖10可調度供電資源與用戶轉型(資料來源：Operability Strategy Report 2022)

四.後語

2019年，英國政府成為第一個通過淨零排放法(Net zero emissions law)的主要經濟體，要求英國到2050年將所有溫室氣體排放量降至零。國家電網電力調度中心(NGESO)的雄心目標到2025年運轉零碳(Zero-carbon)電力系統為實現大不列顛(GB)2050年淨零目標的重要一步。因此，英國近年來努力增加風力及太陽能等不產生任何碳的資源的使用，尤其是北海的離岸風力；另外並搭配增建與挪威、丹麥、德國、法國、比利時、荷蘭等歐陸國家的海底電纜高壓直流(HVDC)互聯線，最大輸電能力達1,400MW；還有2027年將完成單機容量高達將近1,800MW辛克萊角C核能電廠新核能機組。

這些都增加系統運轉的挑戰？尤其對頻率運轉部分，獨立的大不列顛島電力系統之HVDC互聯線可以輸出多餘風力發電，也可以輸入北歐的豐富水力發電，但也是一顆不定時炸彈，當1,400MW最大輸入(類似大型發電機組)或輸出電力(相當大型負載)突然跳脫，對系統頻率的衝擊至為嚴重。另外大型離岸風力的出力變動也是對系統頻率的挑戰。

從下圖(圖11)這星期三(2022/1/26)NGESO轄區大不列顛電力系統日發電(能源別)曲線可以明顯看到風力出力情形，離峰時約占系統發電的50幾%。另外圖12的去(2021)年9~12月每天每半小時系統負載與風力出力曲線，在12月底風力出力佔系統負載約達60幾%。

圖11 2022/1/26英國大不列顛系統日發電(能源別)曲線(資料來源：Carbon Intensity NGESO網站)

圖12 2021年9月-12月英國大不列顛系統負載與風力發電曲線(資料來源：Historical Demand Data 、Monthly Operational Metered Wind Output NGESO網站)

因此，英國也跟孤島的愛爾蘭一樣，面臨這種再生能源高佔比的運轉挑戰。從今年NGESO的2022年運轉策略報告頻率部分可以知道，NGESO如何隨著再生能源增多及系統情況變化滾動檢討運轉對策，尤其2025年是零碳運轉關鍵，特別在系統(輔助)服務方面也配合倡新新的服務，檢討輔助服務的要求量多寡。另一在使用系統(輔助)服務控制與復原頻率過程(圖5)的說明，更是一大亮點，讓不懂電力的一般民眾一目瞭然了解到調度人員控制系統頻率的辛苦過程，值得同樣2025年要達成再生能源將佔20%能源政策的台灣效法！

參考資料：

Operability Strategy Report 2022 National Grid ESO

Security and Quality of Supply Standard

FRCR: Frequency Risk and Control Report

Carbon Intensity NGESO網站

Future Energy Scenarios (FES) 2021

COMMISSION REGULATION (EU) 2017/1485 of 2 August 2017-establishing a guideline on electricity transmission system operation(SOGL)

Generation By Fuel Type | BMRS (bmreports.com)

https://www.edfenergy.com/energy/nuclear-new-build-projects/hinkley-point-c/about

https://www.nationalgrideso.com/who-we-are