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【丰云】合成惯性让风能也可成为电网的稳定力量

2020-06-12来源:时尚生活
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【丰云】合成惯性让风能也可成为电网的稳定力量

绿能发展至今,许多国家绿能佔比日渐提升,绿能支持者对于反对者所谓「不稳定」批评颇有微词,尤其是如今配合卫星云图,云况、风况预测都越来越準确,不论云层遮荫造成的太阳能发电量下降,以及风力减弱造成的风能发电减低,电网均可事先应对,已经没有什幺真正的意外突发状态造成所谓的不稳定,不过,电网方面对绿能仍然抱持「不稳定」看法,与其说是真的会带来不稳定,不如说是因为「没有稳定的力量」。

所谓「稳定的力量」,指的是传统发电方式中,与电网交流电频率同步的各涡轮机以及飞轮,这些设备都有庞大的质量,发电过程中持续的高速旋转,有强大惯性,一旦电网上发生任何意外,如某部机组突然跳机,或变电厂发生事故,供需失衡导致电网上交流电的频率骤降时,这些旋转中设备的惯性,就成为一股强大的「稳定的力量」,因为惯性抵抗减速,让这些机组物理上自动能瞬间提高输出,缓冲频率骤降的幅度,为电网操作人员争取时间,启动各种备转设备与措施来防止电网崩溃。

太阳能没有这种「稳定的力量」,风能虽然风机也是有巨大质量在旋转,但是没有直接与电网同步,所以不像前述各种旋转装置有自动提升出力缓冲的功能,因此过去也一样被视为「没有稳定的力量」,因此造成电网接受度上的阻碍。不过,既然实际上风机有巨大质量在旋转,可以故意採用非常规的操作,以牺牲动能,减慢风机转速为代价,一时突然拉高发电量,模拟其他设备的惯性反应,这种技术,称之为「合成惯性」(Synthetic Inertia)。

合成惯性技术可解决电网长期以来的忧虑。随着许多绿能发展先驱国家绿能佔比达到越来越高比例,电网上具有惯性稳定能力的发电来源相对比例减少,营运者越来越担忧一旦出任何意外状况时「稳定的力量」不足,但如果风力发电机都能以合成惯性提供「稳定的力量」,那幺电网营运者可就放心多了。

当然,能源不会无中生有,不管是传统的惯性稳定力量,还是风机的合成惯性,都必须付出代价,那就是因为动能转换为电能,转速会减慢,一时提高输出之后要用其他措施输入能量来拉回转速,过去电网若半小时内连续发生重大意外就可能无法避免跳电,就是因为旋转惯性用掉了,还在拉高转速中,又发生意外,惯性稳定力量不足,来不及应变。

风机助魁北克电网度过危机

风机的合成惯性也是一样,一时提高输出,会使得风机扇叶的转速降低,得汲取风能来重新加速风机,使得发电量大减,造成电网的恢复时间延长;或是若设定错误,汲取风能过多,供电减少过度,甚至有可能会发生反而让电网出现二度危机的情况。因此,最新的合成惯性发展,考量到这种可能性,将限制重新加速期汲取的电力,以避免造成二度危机。

合成惯性过去只是理论,如今已经有实际应用并度过电网危机的实例,加拿大魁北克水电(Hydro-Québec)输电部门魁北克水电输电(Hydro-Québec TransÉnergie)是全球首先规範风机採用合成惯性的电网营运者,目前拥有 3,300 百万瓦(MW)风力发电容量,由于魁北克电网是北美规模最小的电网,尖峰容量不过 40 吉瓦(GW),相对而言,任何事故对电网的影响就更大,对稳定性的需求也更殷切。

因此,魁北克水电输电自 2005 年就规範风机需有合成惯性功能,规定风力发电机在电网事故造成频率突降时,必须能紧急提供名目发电容量 6% 的电力,协助电网度过难关。搭载合成惯性功能的首批风机在 2011 年完工上线,风机来自印度风能大厂苏司兰能源公司(Suzlon)旗下德国风机解决方案厂商 Senvion,以及德国最大风机製造商爱纳康(ENERCON),如今魁北克水电输电的电网上,有合成惯性功能的风机佔总数三分之二。

2015 年 12 月,这些风机派上用场,魁北克电网发生重大变电所事故,导致 1,600 百万瓦电力来源断线,各风机的合成惯性总共紧急输出 126 百万瓦,防止系统崩溃,撑住魁北克电网的频率仅降至 59.1 赫兹(Hz),估计若没有合成惯性,还会再掉 0.1~0.2 赫兹,魁北克水电输电估计,若是这些风机都改成具备传统惯性的发电方式,所能提供的支撑幅度也差不多是如此。

也就是说,在事故发生的第一时间应变阶段,合成惯性表现与传统惯性一样好。

但是,在恢复阶段,根据爱纳康资料显示,为了回到最佳转速,有些风机的发电量大降 60%,这使得电网整体恢复速度减慢,魁北克电网频率因此保持在 59.4 赫兹好一段时间,之后额外电力输入,才重回正常值 60。魁北克电网记取这次经验,打算限制恢复阶段时,风机用来恢复转速所汲取的风能,不能超过名目发电容量的 20%。

魁北克电网的此次经验,证明风机搭载合成惯性功能以后,虽然针对恢复期的运作还需调整参数以达最佳化,但已经可以初步担任过去传统发电方式惯性的「稳定的力量」,在风能日渐普及的趋势下,对全球所有电网营运者来说,都是一大好消息,而对风能产业的进一步发展也是一大助力,未来,风机可望大多数都搭载合成惯性功能,电网将不再抱怨风能「不稳定」,因为它也是「稳定的力量」之一了。

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