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呂錫民:儲能系統:風電成功之關鍵

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【大紀元2019年08月04日訊】隨著風能發展的快速增長和風電滲透水平的提升,風電固有的可變性和不確定性,使得風電場在高滲透率電力系統上的持續可靠運行成為一大挑戰。憑藉靈活的充電-放電特性,儲能系統(Energy Storage System, ESS)被認為是一種有效的工具,不僅針對特定風電場,ESS還可以提高整個電網的靈活性和可控性。

根據國際能源署(IEA)評估,到2020年世界每年的風力發電量將達到1282 TWh,比2009年增加近371%。到2030年,這一數字將達到2182 TWh,幾乎比2020年生產翻了一番。作為最受歡迎的再生能源,風能實現了快速發展與增長。

由於風力發電的間歇性,風電電力系統的整合帶來了固有的可變性和不確定性。風電一體化對系統穩定性和可靠性的影響取決於滲透水平。從可靠性的角度來看,在相對較低的滲透水平下,淨負荷波動與現有的負荷波動相當,而傳統發電機,如熱力或水力發電機組,具有足夠的負荷跟踪能力,無需額外的營運儲備。然而,隨著風力發電滲透水平的增加,與傳統發電機的短暫響應時間的配合變得十分重要,另外,機械故障和陣風導致風力發電和負荷的突然和極大變化,從而需要更多的儲能運營。從穩定性的角度來看,與同步發電機不同,風力發電機對頻率穩定性的貢獻很小,甚至沒有貢獻。由於電力過剩或不足,風力發電變化也會降低電網電壓穩定性。此時,ESS具有靈活的充電和放電能力,配合電力電子技術的最新發展和進步,使得能量存儲技術成為現代電力應用的可行解決方案,潛在應用主要包括以下幾個面向。

首先,藉由時間的切換,ESS可以調節發電匹配負載。同時,ESS還可用於輔助功能、負載跟踪和負載均衡等,以平衡整個電網。另外,EES還可以滿足日益增長的儲量需求,以管理風力發電的不確定性,提高系統運行效率,增強功率吸收,節省燃料成本,以及減少二氧化碳排放。最後,ESS還是消除波動,提高電源連續性與電能品質的潛在解決方案。

對於特定的應用程序,ESS計畫的第一項任務是規劃。它通常包括類型選擇和容量確定。有時,還需要考慮ESS選址。另外,技術特徵、經濟成本和當地風電特性等幾個因素也會影響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現最佳容量大小。如果沒有地理限制,ESS可以被優化安裝,以實現最大效益,從而降低傳輸系統升級成本。

ESS的操作和控制策略是為不同的應用目的而設計的。最近的研究主要集中在風電場和現場ESS的協調控制上。ESS的短期(每日或每小時)調度方案與洗刷過濾器的波動平滑是兩個具有吸引力的領域。研究人員還建議可將許多分散的ESS當作虛擬存儲單元和控制集中組合。由於ESS是一種昂貴的解決方案,因此ESS無法為單一應用程序行為提供經濟可行性。然而,EES有助於發電系統的範圍控制,因為電能可以不同能量形式存儲:機械、電化學、化學、電磁、熱等。

抽水蓄能(PHS)是目前最大、最成熟的儲能技術。它占全球安裝電力存儲容量的近99%,超過120 GW。傳統的PHS由兩個水庫組成。處於較高海拔水庫代表潛在或儲存能量。在非尖峰時段,水從下部水庫泵送到上部水庫,被視為儲能過程。在電網尖峰時段,PHS進行放能過程,上部儲庫中的水被釋放,往下流過水力渦輪機,水力渦輪機連接到發電機,產生電能。

在所有儲能系統中,PHS具有最大的功率和能量等級,壽命長,效率高,具有非常小的放電損耗。PHS於風力發電一體化中的主要應用是藉由時移、頻率控制和非旋轉備用電源等機制進行能量管理。由於響應緩慢,PHS不適合抑制風的波動。PHS的安裝取決於地理條件,以及對自然環境所產生影響。因此,其應用的靈活性很低。

第一代飛輪儲能(FES)運行始自20世紀70年代,原理為在機械軸承上使用大型鋼製旋轉體。在儲能過程中,轉子被加速到非常高的速度,其可以達到20,000 rpm或超過50,000 rpm。藉由將旋轉體保持在恆定速度,能量存儲在飛輪中。在放能過程中,飛輪釋放能量並驅動機器作為發電機之用。飛輪的主要優點在於,出色的循環穩定性,提供完全充放電循環的長壽命,低維護成本,高功率密度和高效率。FES主要用作電能質量設備,以抑制快速風力波動,提供幾秒鐘的中斷穿越或橋接兩個能量之間的轉換。此外,它的功能還包括阻尼增強。主要缺點為操作時間短、自放電損耗高。FES一般認為可與其他ESS結合使用,但不適合當作風力渦輪機的單一輔助動能機具。

二次電池整體而言具有非常快速的響應時間(<秒),能夠跟踪負載變化,以提高系統穩定性。自放電損耗小,往返效率高。由於高功率和高能量密度,電池儲能系統(BESS)可以較短前置時間、潛在便利裝設及技術模組化來促成。然而,大多數電池含有金屬及有毒物質,導致了處理上的生態問題。截至目前為止,已開發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,其中能量儲存在一種或多種電活性物質中,這些物質溶解在液體電解質中。另外的電解質通常儲存在外部,通常在罐中,藉由泵送通過反應器,從而具有電池功能。能量等級由電解質的量決定,而額定功率則取決於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)。液流電池已經建成MW等級,可以在未來的大規模應用中發揮更關鍵作用。

由於替代電極間固體電介質的共同佈置,電解質溶液置於超級電容器(SC)的兩個實心導體之間,讓電容器存儲技術目前取得重大進展。與傳統電容器相比,SC具有更大的電容和能量密度,從而實現緊湊的設計。SC具有幾乎無限循環的穩定性以及極高的功率密度,並且由於極低的內阻而快速充電與放電。其他優點包括耐用性、高可靠性、無需維護、高壽命、寬廣溫度範圍和不同環境操作性。SC環保且易於回收或中和,效率保持約在90%,並且放電時間在數秒至數小時的範圍內。目前SC對風電一體化支持的研究主要集中在風電場的功率平衡,利用與電池的協調,以平滑快速波動。

其他ESS技術,包括燃料電池(FC)、金屬空氣(MA)電池、太陽能燃料(SF),低溫儲能(CES)、合成天然氣(SNG)和熱能儲存(TES),它們仍在產品或技術開發階段,仍未廣泛使用。不同應用類別需要不同ESS技術特徵。其中,能源和電力等級是兩個主要因素。

ESS可用於特定風電場、電網運營商或消費者等所需的不同應用場合。針對發電端,ESS裝設可改善風電場內風機間的差異性,以便完成最佳風能分配,使得它們可以像傳統發電廠一樣被控制。對於電網端角色,ESS可提供輔助型服務,減輕整體風電系統的可變性和不確定性。另外,針對需求端角色,匯總的電動車虛擬電廠(EVPP)可以滿足車主和電網運營商的雙向要求。

針對ESS營運計劃,選擇正確ESS類型並確定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,包括使用歷史風力輪廓線,及以風力預測誤差為基礎的概率方法。容量設計問題可以優化不同成本函數問題來表述。沒有地形限制的選址方式可讓ESS安裝在任何現場位置,從而實現高效可控性。研究顯示關鍵傳輸線末端或中間的節點對擁塞管理有較大影響。

展望未來,ESS運行和控制的研究將主要集中在風電場和波動緩解的ESS日常調度方案上。考量風電預測誤差、技術約束、市場規則和能源價格等不同因素,單一或多個ESS的最優運行策略可被使用。為實現平滑輸出目的,風電高頻分量被ESS濾去和補償。控制演算中的時間常數特具平滑效果,ESS所需功率和容量等級之間取得平衡是為其中的關鍵因素。

(作者為工研院能環所前研究員)

責任編輯:高義

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2019-08-04 3:22 PM
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