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合成惯性让风能也可成为电网的稳定力量

2016-11-29 11:10:00 来源: 互联网

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半导体行业观察绿能发展至今，许多国家绿能占比日渐提升，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、风况预测都越来越准确，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，已经没有什么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设备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，可以故意采用非常规的操作，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占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”，那么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）是全球首先规范风机采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 年就规范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，以及德国最大风机制造商爱纳康（ENERCON），如今魁北克水电输电的电网上，有合成惯性功能的风机占总数三分之二。

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。