一直以來，美國未實現(xiàn)大規(guī)模風電及光伏發(fā)電并網(wǎng)的兩個主要理由是它們的可控性及可調(diào)度性差，并且成本高昂。而電網(wǎng)運營商們漸漸發(fā)現(xiàn)，事實并非如此，通過推進儲能應(yīng)用，可以很好地調(diào)節(jié)風電、光伏發(fā)電并網(wǎng)。
推進風電、光伏發(fā)電并網(wǎng)研究
近年來，美國國家可再生能源實驗室(NREL)、美國電力研究院(EPRI)及科羅拉多大學正在研究如何實現(xiàn)風電和光伏發(fā)電的有功功率控制，從而使它們像傳統(tǒng)能源發(fā)電那樣保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。研究重點集中在有功功率控制的調(diào)節(jié)儲備和一次調(diào)頻兩方面。
“紐約電力調(diào)度中心(New York ISO)是首個將風電這種分布式間歇性資源應(yīng)用于電力經(jīng)濟調(diào)度及阻塞管理的。當時人們認為利用風電并網(wǎng)來維護電網(wǎng)的穩(wěn)定性真是個瘋狂的舉措，”美國國家可再生能源實驗室(NREL)的高級研究工程師埃瑞克艾拉說，“但如今在美國幾乎每一個電力調(diào)度中心都開始這么做。我們還將進一步利用風電的靈活性，為維護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供更多支持。另外，大規(guī)模的光伏發(fā)電也將逐步并網(wǎng)來保證電網(wǎng)穩(wěn)定性。
“有功功率控制是通過控制發(fā)電機組的出力來平衡輸入功率與負荷功率。”艾拉解釋道，“提供調(diào)節(jié)服務(wù)是實現(xiàn)有功功率控制的途徑之一，即使是在短時間內(nèi)。”例如，當大型發(fā)電機組突然出現(xiàn)故障時，需要提供備用電力來補充電網(wǎng)的電力損耗，這時就可以通過有功功率控制維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。此外，它也能在線路負荷和可再生能源出現(xiàn)間歇性變化，需要平衡時穩(wěn)定電網(wǎng)。
艾拉表示，電網(wǎng)運營商希望有更好的方法解決輸電線路過載，電壓下降和頻率變化方面的問題，但他們未曾考慮過利用新能源發(fā)電的有功功率控制來穩(wěn)定電網(wǎng)，而電力監(jiān)管機構(gòu)也沒有這方面的推薦和建議。風力渦輪機制造商說，他們有足夠的技術(shù)支撐來提供新能源發(fā)電的有功功率控制這項服務(wù)，但似乎新能源開發(fā)商們并沒有對這方面的需求。而對新能源開發(fā)商們來說，由于電網(wǎng)運營商對這項服務(wù)需求不大，因此抬高成本以開發(fā)新能源的性能，意義甚微。電力監(jiān)管機構(gòu)則認為，傳統(tǒng)能源發(fā)電本身已經(jīng)可以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性了，因此要求電網(wǎng)運營商們從新能源開發(fā)商那里購買這項服務(wù)也是沒有意義的。因此關(guān)鍵在于如何將各方觀點綜合起來從而達到利益平衡。
調(diào)節(jié)儲備可以修正經(jīng)濟調(diào)度的時間間隔內(nèi)電量不平衡的狀況。艾拉解釋道，它比常規(guī)的調(diào)度速度稍快，是系統(tǒng)操作者根據(jù)發(fā)電機輸出功率的時刻變化來判斷的。美國大平衡地區(qū)，地區(qū)輸電組織(RTOs)、電力調(diào)度中心(ISOs)，以及垂直一體化集團公司都有大量調(diào)節(jié)備用容量。
研究表明，風電在一定時間內(nèi)可以提供比傳統(tǒng)能源“更快更準確”的服務(wù)。因為傳統(tǒng)能源發(fā)電有降低反應(yīng)速度的熱時間常數(shù)，而風電完全是動力電子過程，因此能夠?qū)崿F(xiàn)即時反應(yīng)。
要滿足平衡電網(wǎng)的需求，調(diào)節(jié)備用容量在輔助服務(wù)市場將是收益非常可觀的一項服務(wù)。通常電力市場在調(diào)節(jié)備用容量服務(wù)上的支出比購買能源本身高很多，而且隨著更多新能源并入電網(wǎng)，這種花費將更加頻繁。艾拉舉例說，現(xiàn)如今備用容量市場已達到每千瓦時$0.21(每兆瓦時$209.02)。
一項系統(tǒng)仿真實驗的結(jié)果顯示，若美國加利福尼亞的所有風力發(fā)電廠都采用風電來提供調(diào)節(jié)備用容量，該區(qū)電力調(diào)度中心可在兩個月間將收益提升400萬美元。此外，還有很多其他方式能夠繼續(xù)增加收益。
一次調(diào)頻能減少電網(wǎng)頻率的變化。它的必要性在于，當大型發(fā)電機脫機時，所有連結(jié)的裝置都會同步減速，降低頻率來彌補功率損失。如果頻率下降太多，就要甩負荷或限電來避免大規(guī)模災(zāi)難性停電。
研究顯示，若輸電系統(tǒng)中40%以上的電力直接由風電提供，當風電的頻率響應(yīng)不充足時，電網(wǎng)性能就會降低；而系統(tǒng)仿真實驗中，若由風電提供頻率響應(yīng)，電網(wǎng)性能將有非常顯著的提升。
艾拉說，造成調(diào)節(jié)儲備和頻率響應(yīng)分離的主要經(jīng)濟因素是頻率響應(yīng)沒有相應(yīng)的輔助服務(wù)市場。電網(wǎng)運營商和新能源發(fā)電商沒有足夠的市場激勵來經(jīng)營這項服務(wù)。另外，頻率響應(yīng)的服務(wù)供應(yīng)每年都在下降，我們認為，一定要有充足的市場激勵來提供頻率響應(yīng)服務(wù)所需的資源，否則這項服務(wù)的供應(yīng)將持續(xù)下降。因此，我們必須保證一次調(diào)頻這些輔助服務(wù)有足夠的市場激勵，艾拉說，并且不能再阻止任何機構(gòu)提供相關(guān)服務(wù)。
利用新能源發(fā)電實施有功功率控制的前提條件是，讓發(fā)電商們都選擇參與到這個市場，并設(shè)置合理的市場規(guī)則，使發(fā)電商獲得盡可能高的額外稅收，這樣可再生能源發(fā)電將比其他方式表現(xiàn)得更加卓越。有關(guān)研究顯示，風電最適合實施有功功率控制，且其質(zhì)量遠遠超過其他的發(fā)電方式。它是電網(wǎng)的維護者，而非損害者。
