根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)評(píng)估，到2020年世界每年的風(fēng)力發(fā)電量將達(dá)到1282 TWh，比2009年增加近371%。到2030年，這一數(shù)字將達(dá)到2182 TWh，幾乎比2020年生產(chǎn)翻了一番。作為最受歡迎的再生能源，風(fēng)能實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展與增長(zhǎng)。
由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性，風(fēng)電與電力系統(tǒng)的整合帶來了固有的可變性和不確定性。風(fēng)電一體化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的影響取決于滲透水平。從可靠性的角度來看，在相對(duì)較低的滲透水平下，凈負(fù)荷波動(dòng)與現(xiàn)有的負(fù)荷波動(dòng)相當(dāng)，而傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，如熱力或水力發(fā)電機(jī)組，具有足夠的負(fù)荷跟蹤能力，無(wú)需額外的營(yíng)運(yùn)儲(chǔ)備。然而，隨著風(fēng)力發(fā)電滲透水平的增加，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的短暫響應(yīng)時(shí)間的配合變得十分重要，另外，機(jī)械故障和陣風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電和負(fù)荷的突然和極大變化，從而需要更多的儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)。從穩(wěn)定性的角度來看，與同步發(fā)電機(jī)不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)頻率穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)很小，甚至沒有貢獻(xiàn)。由于電力過剩或不足，風(fēng)力發(fā)電變化也會(huì)降低電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。此時(shí)，ESS具有靈活的充電和放電能力，配合電力電子技術(shù)的最新發(fā)展和進(jìn)步，使得能量存儲(chǔ)技術(shù)成為現(xiàn)代電力應(yīng)用的可行解決方案，潛在應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)面向。
首先，藉由時(shí)間的切換，ESS可以調(diào)節(jié)發(fā)電匹配負(fù)載。同時(shí)，ESS還可用于輔助功能、負(fù)載跟蹤和負(fù)載均衡等，以平衡整個(gè)電網(wǎng)。另外，EES還可以滿足日益增長(zhǎng)的儲(chǔ)量需求，以管理風(fēng)力發(fā)電的不確定性，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，增強(qiáng)功率吸收，節(jié)省燃料成本，以及減少二氧化碳排放。最后，ESS還是消除波動(dòng)，提高電源連續(xù)性與電能品質(zhì)的潛在解決方案。
對(duì)于特定的應(yīng)用程序，ESS計(jì)劃的第一項(xiàng)任務(wù)是規(guī)劃。它通常包括類型選擇和容量確定。有時(shí)，還需要考慮ESS選址。另外，技術(shù)特征、經(jīng)濟(jì)成本和當(dāng)?shù)仫L(fēng)電特性等幾個(gè)因素也會(huì)影響ESS的選擇。一旦選擇了特定的ESS類型，就需要通過平衡收益和成本來實(shí)現(xiàn)最佳容量大小。如果沒有地理限制，ESS可以被優(yōu)化安裝，以實(shí)現(xiàn)最大效益，從而降低傳輸系統(tǒng)升級(jí)成本。
ESS的操作和控制策略是為不同的應(yīng)用目的而設(shè)計(jì)的。最近的研究主要集中在風(fēng)電場(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)ESS的協(xié)調(diào)控制上。ESS的短期(每日或每小時(shí))調(diào)度方案與洗刷過濾器的波動(dòng)平滑是兩個(gè)具有吸引力的領(lǐng)域。研究人員還建議可將許多分散的ESS當(dāng)作虛擬存儲(chǔ)單元和控制集中組合。由于ESS是一種昂貴的解決方案，因此ESS無(wú)法為單一應(yīng)用程序行為提供經(jīng)濟(jì)可行性。然而，EES有助于發(fā)電系統(tǒng)的范圍控制，因?yàn)殡娔芸梢圆煌芰啃问酱鎯?chǔ)：機(jī)械、電化學(xué)、化學(xué)、電磁、熱等。
抽水蓄能(PHS)是目前最大、最成熟的儲(chǔ)能技術(shù)。它占全球安裝電力存儲(chǔ)容量的近99%，超過120 GW。傳統(tǒng)的PHS由兩個(gè)水庫(kù)組成。處于較高海拔水庫(kù)代表潛在或儲(chǔ)存能量。在非尖峰時(shí)段，水從下部水庫(kù)泵送到上部水庫(kù)，被視為儲(chǔ)能過程。在電網(wǎng)尖峰時(shí)段，PHS進(jìn)行放能過程，上部?jī)?chǔ)庫(kù)中的水被釋放，往下流過水力渦輪機(jī)，水力渦輪機(jī)連接到發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能。
在所有儲(chǔ)能系統(tǒng)中，PHS具有最大的功率和能量等級(jí)，壽命長(zhǎng)，效率高，具有非常小的放電損耗。PHS于風(fēng)力發(fā)電一體化中的主要應(yīng)用是藉由時(shí)移、頻率控制和非旋轉(zhuǎn)備用電源等機(jī)制進(jìn)行能量管理。由于響應(yīng)緩慢，PHS不適合抑制風(fēng)的波動(dòng)。PHS的安裝取決于地理?xiàng)l件，以及對(duì)自然環(huán)境所產(chǎn)生影響。因此，其應(yīng)用的靈活性很低。
第一代飛輪儲(chǔ)能(FES)運(yùn)行始自20世紀(jì)70年代，原理為在機(jī)械軸承上使用大型鋼制旋轉(zhuǎn)體。在儲(chǔ)能過程中，轉(zhuǎn)子被加速到非常高的速度，其可以達(dá)到20,000 rpm或超過50,000 rpm。藉由將旋轉(zhuǎn)體保持在恒定速度，能量存儲(chǔ)在飛輪中。在放能過程中，飛輪釋放能量并驅(qū)動(dòng)機(jī)器作為發(fā)電機(jī)之用。飛輪的主要優(yōu)點(diǎn)在于，出色的循環(huán)穩(wěn)定性，提供完全充放電循環(huán)的長(zhǎng)壽命，低維護(hù)成本，高功率密度和高效率。FES主要用作電能質(zhì)量設(shè)備，以抑制快速風(fēng)力波動(dòng)，提供幾秒鐘的中斷穿越或橋接兩個(gè)能量之間的轉(zhuǎn)換。此外，它的功能還包括阻尼增強(qiáng)。主要缺點(diǎn)為操作時(shí)間短、自放電損耗高。FES一般認(rèn)為可與其他ESS結(jié)合使用，但不適合當(dāng)作風(fēng)力渦輪機(jī)的單一輔助動(dòng)能機(jī)具。
二次電池整體而言具有非常快速的響應(yīng)時(shí)間(<秒)，能夠跟蹤負(fù)載變化，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。自放電損耗小，往返效率高。由于高功率和高能量密度，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)可以較短前置時(shí)間、潛在便利裝設(shè)及技術(shù)模組化來促成。然而，大多數(shù)電池含有金屬及有毒物質(zhì)，導(dǎo)致了處理上的生態(tài)問題。截至目前為止，已開發(fā)且商用的各類二次電池，包括鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳金屬混合(NiMH)電池、鋰離子(Li-ion)電池和鈉硫( NaS)電池。
液流電池(flow battery)是另一種類型的電池，其中能量?jī)?chǔ)存在一種或多種電活性物質(zhì)中，這些物質(zhì)溶解在液體電解質(zhì)中。另外的電解質(zhì)通常儲(chǔ)存在外部，通常在罐中，藉由泵送通過反應(yīng)器，從而具有電池功能。能量等級(jí)由電解質(zhì)的量決定，而額定功率則取決于電池堆疊的有效面積。典型的液流電池種類包括釩氧化還原電池(VRB)、多硫化物溴化物(PSB)及溴化鋅(ZnBr)。液流電池已經(jīng)建成MW等級(jí)，可以在未來的大規(guī)模應(yīng)用中發(fā)揮更關(guān)鍵作用。
由于替代電極間固體電介質(zhì)的共同布置，電解質(zhì)溶液置于超級(jí)電容器(SC)的兩個(gè)實(shí)心導(dǎo)體之間，讓電容器存儲(chǔ)技術(shù)目前取得重大進(jìn)展。與傳統(tǒng)電容器相比，SC具有更大的電容和能量密度，從而實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)。SC具有幾乎無(wú)限循環(huán)的穩(wěn)定性以及極高的功率密度，并且由于極低的內(nèi)阻而快速充電與放電。其他優(yōu)點(diǎn)包括耐用性、高可靠性、無(wú)需維護(hù)、高壽命、寬廣溫度范圍和不同環(huán)境操作性。SC環(huán)保且易于回收或中和，效率保持約在90%，并且放電時(shí)間在數(shù)秒至數(shù)小時(shí)的范圍內(nèi)。目前SC對(duì)風(fēng)電一體化支持的研究主要集中在風(fēng)電場(chǎng)的功率平衡，利用與電池的協(xié)調(diào)，以平滑快速波動(dòng)。
其他ESS技術(shù)，包括燃料電池(FC)、金屬空氣(MA)電池、太陽(yáng)能燃料(SF)，低溫儲(chǔ)能(CES)、合成天然氣(SNG)和熱能儲(chǔ)存(TES)，它們?nèi)栽诋a(chǎn)品或技術(shù)開發(fā)階段，仍未廣泛使用。不同應(yīng)用類別需要不同ESS技術(shù)特征。其中，能源和電力等級(jí)是兩個(gè)主要因素。
ESS可用于特定風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商或消費(fèi)者等所需的不同應(yīng)用場(chǎng)合。針對(duì)發(fā)電端，ESS裝設(shè)可改善風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)間的差異性，以便完成最佳風(fēng)能分配，使得它們可以像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣被控制。對(duì)于電網(wǎng)端角色，ESS可提供輔助型服務(wù)，減輕整體風(fēng)電系統(tǒng)的可變性和不確定性。另外，針對(duì)需求端角色，匯總的電動(dòng)車虛擬電廠(EVPP)可以滿足車主和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的雙向要求。
針對(duì)ESS營(yíng)運(yùn)計(jì)劃，選擇正確ESS類型并確定ESS大小及位置非常重要。ESS大小，包括功率和能量，可以透過幾種方法予以確定，包括使用歷史風(fēng)力輪廓線，及以風(fēng)力預(yù)測(cè)誤差為基礎(chǔ)的概率方法。容量設(shè)計(jì)問題可以優(yōu)化不同成本函數(shù)問題來表述。沒有地形限制的選址方式可讓ESS安裝在任何現(xiàn)場(chǎng)位置，從而實(shí)現(xiàn)高效可控性。研究顯示關(guān)鍵傳輸線末端或中間的節(jié)點(diǎn)對(duì)擁塞管理有較大影響。
展望未來，ESS運(yùn)行和控制的研究將主要集中在風(fēng)電場(chǎng)和波動(dòng)緩解的ESS日常調(diào)度方案上。考量風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差、技術(shù)約束、市場(chǎng)規(guī)則和能源價(jià)格等不同因素，單一或多個(gè)ESS的最優(yōu)運(yùn)行策略可被使用。為實(shí)現(xiàn)平滑輸出目的，風(fēng)電高頻分量被ESS濾去和補(bǔ)償。控制演算中的時(shí)間常數(shù)特具平滑效果，ESS所需功率和容量等級(jí)之間取得平衡是為其中的關(guān)鍵因素。
(作者為工研院能環(huán)所前研究員)
