一直以来，美国未实现大规模风电及光伏发电并网的两个主要理由是它们的可控性及可调度性差，并且成本高昂。而电网运营商们渐渐发现，事实并非如此，通过推进储能应用，可以很好地调节风电、光伏发电并网。

　　推进风电、光伏发电并网研究

　　近年来，美国国家可再生能源实验室(NREL)、美国电力研究院(EPRI)及科罗拉多大学正在研究如何实现风电和光伏发电的有功功率控制，从而使它们像传统能源发电那样保持电网的稳定性。研究重点集中在有功功率控制的调节储备和一次调频两方面。

　　“纽约电力调度中心(New York ISO)是首个将风电这种分布式间歇性资源应用于电力经济调度及阻塞管理的。当时人们认为利用风电并网来维护电网的稳定性真是个疯狂的举措，”美国国家可再生能源实验室(NREL)的高级研究工程师埃瑞克艾拉说，“但如今在美国几乎每一个电力调度中心都开始这么做。我们还将进一步利用风电的灵活性，为维护电力系统的稳定性提供更多支持。另外，大规模的光伏发电也将逐步并网来保证电网稳定性。

　　“有功功率控制是通过控制发电机组的出力来平衡输入功率与负荷功率。”艾拉解释道，“提供调节服务是实现有功功率控制的途径之一，即使是在短时间内。”例如，当大型发电机组突然出现故障时，需要提供备用电力来补充电网的电力损耗，这时就可以通过有功功率控制维持电网的稳定性。此外，它也能在线路负荷和可再生能源出现间歇性变化，需要平衡时稳定电网。

　　艾拉表示，电网运营商希望有更好的方法解决输电线路过载，电压下降和频率变化方面的问题，但他们未曾考虑过利用新能源发电的有功功率控制来稳定电网，而电力监管机构也没有这方面的推荐和建议。风力涡轮机制造商说，他们有足够的技术支撑来提供新能源发电的有功功率控制这项服务，但似乎新能源开发商们并没有对这方面的需求。而对新能源开发商们来说，由于电网运营商对这项服务需求不大，因此抬高成本以开发新能源的性能，意义甚微。电力监管机构则认为，传统能源发电本身已经可以维持电网的稳定性了，因此要求电网运营商们从新能源开发商那里购买这项服务也是没有意义的。因此关键在于如何将各方观点综合起来从而达到利益平衡。

　　调节储备可以修正经济调度的时间间隔内电量不平衡的状况。艾拉解释道，它比常规的调度速度稍快，是系统操作者根据发电机输出功率的时刻变化来判断的。美国大平衡地区，地区输电组织(RTOs)、电力调度中心(ISOs)，以及垂直一体化集团公司都有大量调节备用容量。

　　研究表明，风电在一定时间内可以提供比传统能源“更快更准确”的服务。因为传统能源发电有降低反应速度的热时间常数，而风电完全是动力电子过程，因此能够实现即时反应。

　　要满足平衡电网的需求，调节备用容量在辅助服务市场将是收益非常可观的一项服务。通常电力市场在调节备用容量服务上的支出比购买能源本身高很多，而且随着更多新能源并入电网，这种花费将更加频繁。艾拉举例说，现如今备用容量市场已达到每千瓦时$0.21(每兆瓦时$209.02)。

　　一项系统仿真实验的结果显示，若美国加利福尼亚的所有风力发电厂都采用风电来提供调节备用容量，该区电力调度中心可在两个月间将收益提升400万美元。此外，还有很多其他方式能够继续增加收益。

　　一次调频能减少电网频率的变化。它的必要性在于，当大型发电机脱机时，所有连结的装置都会同步减速，降低频率来弥补功率损失。如果频率下降太多，就要甩负荷或限电来避免大规模灾难性停电。

　　研究显示，若输电系统中40%以上的电力直接由风电提供，当风电的频率响应不充足时，电网性能就会降低；而系统仿真实验中，若由风电提供频率响应，电网性能将有非常显著的提升。

　　艾拉说，造成调节储备和频率响应分离的主要经济因素是频率响应没有相应的辅助服务市场。电网运营商和新能源发电商没有足够的市场激励来经营这项服务。另外，频率响应的服务供应每年都在下降，我们认为，一定要有充足的市场激励来提供频率响应服务所需的资源，否则这项服务的供应将持续下降。因此，我们必须保证一次调频这些辅助服务有足够的市场激励，艾拉说，并且不能再阻止任何机构提供相关服务。

　　利用新能源发电实施有功功率控制的前提条件是，让发电商们都选择参与到这个市场，并设置合理的市场规则，使发电商获得尽可能高的额外税收，这样可再生能源发电将比其他方式表现得更加卓越。有关研究显示，风电最适合实施有功功率控制，且其质量远远超过其他的发电方式。它是电网的维护者，而非损害者。

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　　出台多项政策推进储能应用

　　美国能源部通过税收减免、财政补贴、直接赠予和提供贷款等方式资助私人企业在储能以及新能源领域的投入。美国在各种新型储能技术，像飞轮、锂、锌溴、改性铅酸、压缩空气均发展迅速，在技术、应用、政策上都已经在主导全球的产业标准。

　　美国在金融危机之后，已将大规模储能技术定位为振兴经济、实现能源新政的重要支撑性技术。近几年来，美国能源部越发意识到储能应用的重要性，从2009年开始储能方面的基础研究领域的投入成倍增加。政府希望通过储能技术的应用加强智能电网的可靠性和效率的提升，减少建立新电厂，促进新能源的应用。联邦能源管理委员会(FERC)已经颁布了几项法令，推进储能应用。FERC颁布的2007年第890号法令和2008年第719号法令，令全国的独立系统运营商(ISOs)对其调节和作业程序进行修订，从而允许储能进入批发能源市场。在颁布上述法令之后，FERC又于2011年和2013年分别颁布第755号和第784号法令，要求ISOs采用不同的方法，使频率调节和其他辅助服务获得报酬，这些政策非常有助于采用更新的储能技术。美国能源部先进能源研究计划署(ARPA-E)和美国能源部(doe)分别提供技术支持资金，降低燃料电池成本、新的太阳能转换和存储技术等等。

　　美国2010储能修订法案(S.3617)规定，对各类大容量储能设备(额定容量至少1000千瓦并维持1小时)、用于家庭、工厂、商业中心的分布式可再生能源储能设备、用于插电式混合动力汽车的储能设备可享受20～30%的投资税收抵免。符合条件的储能设备需要有至少80%的储能效率。

　　从各州的层面上看，各州也纷纷出台政策促进新能源产业和储能产业的发展。例如2010加州储能法案(AB2514)规定了两期储能目标以及完成时间，推动1.3GW加州储能系统的采购和安装，并提供110万美元用于建立储能监管机制，通过监管采购程序、评价成本效益、监察储能技术对纳税人的影响等，来促进实现两期目标。

　　典型的电网储能项目应用案例——Auwahi风力发电储能项目

　　我们可以来看看西佛吉尼亚州储能项目的相关情况：夏威夷能源主要依赖于进口，2005年像煤和石油这样的初级能源有95%来自于进口，而汽油需要100%的进口。为了摆脱进口的现状，夏威夷法律规定，到2030年时，70%的电能和地面交通需要使用清洁能源，而其中40%必须是来自本地的可再生能源。因此，夏威夷岛大力发展可再生能源。在夏威夷岛上分别建设了30MW风电场配套1.5MW/1MWh储能电站、30MW风电场配套15MW/10MWh储能电站、21MW风电场配套10MW/20MWh 储能电站、3MW光伏电站配备1.5MW/1MWh储能电站、1.2MW光伏电站配备1.125MW/0.5MWh储能电站等可再生能源储能项目。

　　2011年11月，毛伊岛计划管理委员会批准了Auwahi风力发电项目。该项目设计发电容量为21MW，足够10000户家庭使用。其基建费用大约为140万美元，基建项目包括：一个电池储能系统，一根9英里长、电压等级为34.5千伏的输电线路，一个互联变电站、一个微波通信塔和道路建设。而每台风力发电机组需要空地面积2.4亩，使得整个项目需要1466亩空地，这几乎是毛伊岛整个Ulupalakua牧场的面积。该项目设计风力发电塔的数目为8个，每座塔高428英尺，每座塔的发电量为3MW。为该风力发电项目配套的储能系统是一套10MW/20MWh的锂离子电池储能系统，由美国A123Systems公司提供，被安装在毛伊岛MECO的Wailea变电站内。计算机将保持电池在一天中的大多数时间处于半充电状态。如果风力骤然增强或减弱，电池将平稳电流。该储能装置的成功之处在于其拥有调频功能，美国交流电每秒运行60个周期，而电池可以在1秒内进行60次从充电到放电或相反方向的变化，从而保持频率稳定。电池系统还可以在电价较低时储存电力，而在电价较高时送出电力，从而实现盈利。该储能系统通过削峰填谷，可以减小变电站变压器的高峰负荷，也可以增加电网的稳定性、提高供电质量。