本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
上个月，通用电气（GE）咨询公司发布了一项由美国国家可再生能源实验室（NREL）赞助的研究结果，该研究测试了是否可以通过控制风力涡轮机来管理电网的稳定性。作者发现，风力涡轮机实际上可能成为未来控制和稳定电网的宝贵工具，这反驳了风能与电网不兼容的传统观念。为了理解这种反直觉结果的来源及其影响，让我们回顾一下电力电网控制的关键方面：频率调节。
频率调节是指电网运营商将电网交流电频率维持在精确、预定水平的过程。例如，在美国，电网受到严格控制，以输出频率为 60 赫兹的电流。为了维持这个频率水平，电网运营商必须小心地提升和降低发电厂的功率，以使流入电网的总电量与电力客户提取的总电量完全平衡。
电网的平衡和频率可以用旋转的旋转木马来比喻说明。电网运营商的目标是保持电网的电频率恒定，或者在我们的比喻中，保持旋转木马以恒定速度旋转。为了提高旋转木马的速度，电网运营商可以命令发电机增加其功率输出——或者实际上增加旋转涡轮轴上的扭矩，以“推动”电网加速。客户从电网提取的电力会减慢我们比喻中的旋转木马的速度，从而降低电网的电频率。旋转木马的惯性——或者说它保持运动的趋势——取决于所有向电网供电的旋转涡轮机和发电机的质量和动量。电网运营商的工作是通过调节流入电网的功率流量，使其始终与电力负荷相匹配，从而保持整个系统的平衡。
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对风能对电网影响的担忧源于风力涡轮机无法按需发电这一事实，因此直观上看来，添加过多的风能可能会降低电网运营商保持电网频率平衡的能力——但通用电气和国家可再生能源实验室的研究表明并非如此。
该研究旨在模拟美国东部电网的风能渗透率增加到 25% 时会发生什么情况，与今天相比，这是一个急剧的增长。作者使用类似于旋转质量（如我们上面类比中提到的旋转木马）的方程来模拟电网的频率和稳定性。此外，他们还模拟了配备商用机械控制装置的风力涡轮机，这些控制装置可以调整叶片的桨距或发电机的扭矩，以稍微调整涡轮机的功率输出，如这篇近期论文所述。
尽管与直觉相反，作者发现，如果风力涡轮机使用调速器和惯性机械控制装置，仅保留 5% 的功率输出，它们实际上可以帮助稳定电网。通过这样做，如果电网运营商要求，涡轮机可以解锁快速少量增加或减少其功率输出的能力。采用这些控制装置的净效应是，电网运营商看到来自连接到电网的所有风力涡轮机的相对稳定且可预测的总输出信号。
虽然这项研究的结果乍一看是违反直觉的，但当您在我们的旋转木马类比的背景下考虑直径超过 100 英尺（30 米）的旋转风车的惯性时，它们就变得有道理了。虽然风力涡轮机可能没有电能存储（例如电池），但所有风力涡轮机在其旋转叶片的惯性中都具有大量的被动机械能存储。通用电气和国家可再生能源实验室的研究表明，通过正确的机械控制，即使在高风能渗透的情况下，也可以利用这种惯性来保持电网频率的受控状态，从而打破了风能会破坏电网稳定性的概念。
尽管该研究取得了成果，但向 100% 可再生能源电网过渡仍然存在挑战。虽然机械控制可以用于管理风力涡轮机输出的秒级变化，但可能需要更长期的能量存储来构建能够每周 7 天、每天 24 小时可靠供电的可再生能源组合。
然而，通用电气和国家可再生能源实验室的研究表明，整个美国东部电网可以在不遭受任何重大不稳定影响、不威胁电力可靠性以及不安装任何昂贵能量存储的情况下，实现风能渗透率的显着提高。至少就目前而言，风能的间歇性不应成为其发展的障碍。
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