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上個月，通用電氣（GE）諮詢公司釋出了一項由美國國家可再生能源實驗室（NREL）贊助的研究結果，該研究測試了是否可以透過控制風力渦輪機來管理電網的穩定性。作者發現，風力渦輪機實際上可能成為未來控制和穩定電網的寶貴工具，這反駁了風能與電網不相容的傳統觀念。為了理解這種反直覺結果的來源及其影響，讓我們回顧一下電力電網控制的關鍵方面：頻率調節。
頻率調節是指電網運營商將電網交流電頻率維持在精確、預定水平的過程。例如，在美國，電網受到嚴格控制，以輸出頻率為 60 赫茲的電流。為了維持這個頻率水平，電網運營商必須小心地提升和降低發電廠的功率，以使流入電網的總電量與電力客戶提取的總電量完全平衡。
電網的平衡和頻率可以用旋轉的旋轉木馬來比喻說明。電網運營商的目標是保持電網的電頻率恆定，或者在我們的比喻中，保持旋轉木馬以恆定速度旋轉。為了提高旋轉木馬的速度，電網運營商可以命令發電機增加其功率輸出——或者實際上增加旋轉渦輪軸上的扭矩，以“推動”電網加速。客戶從電網提取的電力會減慢我們比喻中的旋轉木馬的速度，從而降低電網的電頻率。旋轉木馬的慣性——或者說它保持運動的趨勢——取決於所有向電網供電的旋轉渦輪機和發電機的質量和動量。電網運營商的工作是透過調節流入電網的功率流量，使其始終與電力負荷相匹配，從而保持整個系統的平衡。
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對風能對電網影響的擔憂源於風力渦輪機無法按需發電這一事實，因此直觀上看來，新增過多的風能可能會降低電網運營商保持電網頻率平衡的能力——但通用電氣和國家可再生能源實驗室的研究表明並非如此。
該研究旨在模擬美國東部電網的風能滲透率增加到 25% 時會發生什麼情況，與今天相比，這是一個急劇的增長。作者使用類似於旋轉質量（如我們上面類比中提到的旋轉木馬）的方程來模擬電網的頻率和穩定性。此外，他們還模擬了配備商用機械控制裝置的風力渦輪機，這些控制裝置可以調整葉片的槳距或發電機的扭矩，以稍微調整渦輪機的功率輸出，如這篇近期論文所述。
儘管與直覺相反，作者發現，如果風力渦輪機使用調速器和慣性機械控制裝置，僅保留 5% 的功率輸出，它們實際上可以幫助穩定電網。透過這樣做，如果電網運營商要求，渦輪機可以解鎖快速少量增加或減少其功率輸出的能力。採用這些控制裝置的淨效應是，電網運營商看到來自連線到電網的所有風力渦輪機的相對穩定且可預測的總輸出訊號。
雖然這項研究的結果乍一看是違反直覺的，但當您在我們的旋轉木馬類比的背景下考慮直徑超過 100 英尺（30 米）的旋轉風車的慣性時，它們就變得有道理了。雖然風力渦輪機可能沒有電能儲存（例如電池），但所有風力渦輪機在其旋轉葉片的慣性中都具有大量的被動機械能儲存。通用電氣和國家可再生能源實驗室的研究表明，透過正確的機械控制，即使在高風能滲透的情況下，也可以利用這種慣性來保持電網頻率的受控狀態，從而打破了風能會破壞電網穩定性的概念。
儘管該研究取得了成果，但向 100% 可再生能源電網過渡仍然存在挑戰。雖然機械控制可以用於管理風力渦輪機輸出的秒級變化，但可能需要更長期的能量儲存來構建能夠每週 7 天、每天 24 小時可靠供電的可再生能源組合。
然而，通用電氣和國家可再生能源實驗室的研究表明，整個美國東部電網可以在不遭受任何重大不穩定影響、不威脅電力可靠性以及不安裝任何昂貴能量儲存的情況下，實現風能滲透率的顯著提高。至少就目前而言，風能的間歇性不應成為其發展的障礙。
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