随着风能发展的快速增长和风电渗透水平的提升，风电固有的可变性和不确定性，使得风电场在高渗透率电力系统上的持续可靠运行成为一大挑战。凭借灵活的充电-放电特性，储能系统(Energy Storage System, ESS)被认为是一种有效的工具，不仅针对特定风电场，ESS还可以提高整个电网的灵活性和可控性。

根据国际能源署(IEA)评估，到2020年世界每年的风力发电量将达到1282 TWh，比2009年增加近371%。到2030年，这一数字将达到2182 TWh，几乎比2020年生产翻了一番。作为最受欢迎的再生能源，风能实现了快速发展与增长。

由于风力发电的间歇性，风电与电力系统的整合带来了固有的可变性和不确定性。风电一体化对系统稳定性和可靠性的影响取决于渗透水平。从可靠性的角度来看，在相对较低的渗透水平下，净负荷波动与现有的负荷波动相当，而传统发电机，如热力或水力发电机组，具有足够的负荷跟踪能力，无需额外的营运储备。然而，随着风力发电渗透水平的增加，与传统发电机的短暂响应时间的配合变得十分重要，另外，机械故障和阵风导致风力发电和负荷的突然和极大变化，从而需要更多的储能运营。从稳定性的角度来看，与同步发电机不同，风力发电机对频率稳定性的贡献很小，甚至没有贡献。由于电力过剩或不足，风力发电变化也会降低电网电压稳定性。此时，ESS具有灵活的充电和放电能力，配合电力电子技术的最新发展和进步，使得能量存储技术成为现代电力应用的可行解决方案，潜在应用主要包括以下几个面向。

首先，藉由时间的切换，ESS可以调节发电匹配负载。同时，ESS还可用于辅助功能、负载跟踪和负载均衡等，以平衡整个电网。另外，EES还可以满足日益增长的储量需求，以管理风力发电的不确定性，提高系统运行效率，增强功率吸收，节省燃料成本，以及减少二氧化碳排放。最后，ESS还是消除波动，提高电源连续性与电能品质的潜在解决方案。

对于特定的应用程序，ESS计划的第一项任务是规划。它通常包括类型选择和容量确定。有时，还需要考虑ESS选址。另外，技术特征、经济成本和当地风电特性等几个因素也会影响ESS的选择。一旦选择了特定的ESS类型，就需要通过平衡收益和成本来实现最佳容量大小。如果没有地理限制，ESS可以被优化安装，以实现最大效益，从而降低传输系统升级成本。

ESS的操作和控制策略是为不同的应用目的而设计的。最近的研究主要集中在风电场和现场ESS的协调控制上。ESS的短期(每日或每小时)调度方案与洗刷过滤器的波动平滑是两个具有吸引力的领域。研究人员还建议可将许多分散的ESS当作虚拟存储单元和控制集中组合。由于ESS是一种昂贵的解决方案，因此ESS无法为单一应用程序行为提供经济可行性。然而，EES有助于发电系统的范围控制，因为电能可以不同能量形式存储：机械、电化学、化学、电磁、热等。

抽水蓄能(PHS)是目前最大、最成熟的储能技术。它占全球安装电力存储容量的近99%，超过120 GW。传统的PHS由两个水库组成。处于较高海拔水库代表潜在或储存能量。在非尖峰时段，水从下部水库泵送到上部水库，被视为储能过程。在电网尖峰时段，PHS进行放能过程，上部储库中的水被释放，往下流过水力涡轮机，水力涡轮机连接到发电机，产生电能。

在所有储能系统中，PHS具有最大的功率和能量等级，寿命长，效率高，具有非常小的放电损耗。PHS于风力发电一体化中的主要应用是藉由时移、频率控制和非旋转备用电源等机制进行能量管理。由于响应缓慢，PHS不适合抑制风的波动。PHS的安装取决于地理条件，以及对自然环境所产生影响。因此，其应用的灵活性很低。

第一代飞轮储能(FES)运行始自20世纪70年代，原理为在机械轴承上使用大型钢制旋转体。在储能过程中，转子被加速到非常高的速度，其可以达到20,000 rpm或超过50,000 rpm。藉由将旋转体保持在恒定速度，能量存储在飞轮中。在放能过程中，飞轮释放能量并驱动机器作为发电机之用。飞轮的主要优点在于，出色的循环稳定性，提供完全充放电循环的长寿命，低维护成本，高功率密度和高效率。FES主要用作电能质量设备，以抑制快速风力波动，提供几秒钟的中断穿越或桥接两个能量之间的转换。此外，它的功能还包括阻尼增强。主要缺点为操作时间短、自放电损耗高。FES一般认为可与其他ESS结合使用，但不适合当作风力涡轮机的单一辅助动能机具。

二次电池整体而言具有非常快速的响应时间(<秒)，能够跟踪负载变化，以提高系统稳定性。自放电损耗小，往返效率高。由于高功率和高能量密度，电池储能系统(BESS)可以较短前置时间、潜在便利装设及技术模组化来促成。然而，大多数电池含有金属及有毒物质，导致了处理上的生态问题。截至目前为止，已开发且商用的各类二次电池，包括铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍金属混合(NiMH)电池、锂离子(Li-ion)电池和钠硫( NaS)电池。

液流电池(flow battery)是另一种类型的电池，其中能量储存在一种或多种电活性物质中，这些物质溶解在液体电解质中。另外的电解质通常储存在外部，通常在罐中，藉由泵送通过反应器，从而具有电池功能。能量等级由电解质的量决定，而额定功率则取决于电池堆叠的有效面积。典型的液流电池种类包括钒氧化还原电池(VRB)、多硫化物溴化物(PSB)及溴化锌(ZnBr)。液流电池已经建成MW等级，可以在未来的大规模应用中发挥更关键作用。

由于替代电极间固体电介质的共同布置，电解质溶液置于超级电容器(SC)的两个实心导体之间，让电容器存储技术目前取得重大进展。与传统电容器相比，SC具有更大的电容和能量密度，从而实现紧凑的设计。SC具有几乎无限循环的稳定性以及极高的功率密度，并且由于极低的内阻而快速充电与放电。其他优点包括耐用性、高可靠性、无需维护、高寿命、宽广温度范围和不同环境操作性。SC环保且易于回收或中和，效率保持约在90%，并且放电时间在数秒至数小时的范围内。目前SC对风电一体化支持的研究主要集中在风电场的功率平衡，利用与电池的协调，以平滑快速波动。

其他ESS技术，包括燃料电池(FC)、金属空气(MA)电池、太阳能燃料(SF)，低温储能(CES)、合成天然气(SNG)和热能储存(TES)，它们仍在产品或技术开发阶段，仍未广泛使用。不同应用类别需要不同ESS技术特征。其中，能源和电力等级是两个主要因素。

ESS可用于特定风电场、电网运营商或消费者等所需的不同应用场合。针对发电端，ESS装设可改善风电场内风机间的差异性，以便完成最佳风能分配，使得它们可以像传统发电厂一样被控制。对于电网端角色，ESS可提供辅助型服务，减轻整体风电系统的可变性和不确定性。另外，针对需求端角色，汇总的电动车虚拟电厂(EVPP)可以满足车主和电网运营商的双向要求。

针对ESS营运计划，选择正确ESS类型并确定ESS大小及位置非常重要。ESS大小，包括功率和能量，可以透过几种方法予以确定，包括使用历史风力轮廓线，及以风力预测误差为基础的概率方法。容量设计问题可以优化不同成本函数问题来表述。没有地形限制的选址方式可让ESS安装在任何现场位置，从而实现高效可控性。研究显示关键传输线末端或中间的节点对拥塞管理有较大影响。

展望未来，ESS运行和控制的研究将主要集中在风电场和波动缓解的ESS日常调度方案上。考量风电预测误差、技术约束、市场规则和能源价格等不同因素，单一或多个ESS的最优运行策略可被使用。为实现平滑输出目的，风电高频分量被ESS滤去和补偿。控制演算中的时间常数特具平滑效果，ESS所需功率和容量等级之间取得平衡是为其中的关键因素。

(作者为工研院能环所前研究员)