根據國際能源署(IEA)評估，到2020年世界每年的風力發電量將達到1282 TWh，比2009年增加近371%。到2030年，這一數字將達到2182 TWh，幾乎比2020年生產翻了一番。作為最受歡迎的再生能源，風能實現了快速發展與增長。

由于風力發電的間歇性，風電與電力系統的整合帶來了固有的可變性和不確定性。風電一體化對系統穩定性和可靠性的影響取決于滲透水平。從可靠性的角度來看，在相對較低的滲透水平下，凈負荷波動與現有的負荷波動相當，而傳統發電機，如熱力或水力發電機組，具有足夠的負荷跟蹤能力，無需額外的營運儲備。然而，隨著風力發電滲透水平的增加，與傳統發電機的短暫響應時間的配合變得十分重要，另外，機械故障和陣風導致風力發電和負荷的突然和極大變化，從而需要更多的儲能運營。從穩定性的角度來看，與同步發電機不同，風力發電機對頻率穩定性的貢獻很小，甚至沒有貢獻。由于電力過剩或不足，風力發電變化也會降低電網電壓穩定性。此時，ESS具有靈活的充電和放電能力，配合電力電子技術的最新發展和進步，使得能量存儲技術成為現代電力應用的可行解決方案，潛在應用主要包括以下幾個面向。

首先，藉由時間的切換，ESS可以調節發電匹配負載。同時，ESS還可用于輔助功能、負載跟蹤和負載均衡等，以平衡整個電網。另外，EES還可以滿足日益增長的儲量需求，以管理風力發電的不確定性，提高系統運行效率，增強功率吸收，節省燃料成本，以及減少二氧化碳排放。最后，ESS還是消除波動，提高電源連續性與電能品質的潛在解決方案。

對于特定的應用程序，ESS計劃的第一項任務是規劃。它通常包括類型選擇和容量確定。有時，還需要考慮ESS選址。另外，技術特征、經濟成本和當地風電特性等幾個因素也會影響ESS的選擇。一旦選擇了特定的ESS類型，就需要通過平衡收益和成本來實現最佳容量大小。如果沒有地理限制，ESS可以被優化安裝，以實現最大效益，從而降低傳輸系統升級成本。

ESS的操作和控制策略是為不同的應用目的而設計的。最近的研究主要集中在風電場和現場ESS的協調控制上。ESS的短期(每日或每小時)調度方案與洗刷過濾器的波動平滑是兩個具有吸引力的領域。研究人員還建議可將許多分散的ESS當作虛擬存儲單元和控制集中組合。由于ESS是一種昂貴的解決方案，因此ESS無法為單一應用程序行為提供經濟可行性。然而，EES有助于發電系統的范圍控制，因為電能可以不同能量形式存儲：機械、電化學、化學、電磁、熱等。

抽水蓄能(PHS)是目前最大、最成熟的儲能技術。它占全球安裝電力存儲容量的近99%，超過120 GW。傳統的PHS由兩個水庫組成。處于較高海拔水庫代表潛在或儲存能量。在非尖峰時段，水從下部水庫泵送到上部水庫，被視為儲能過程。在電網尖峰時段，PHS進行放能過程，上部儲庫中的水被釋放，往下流過水力渦輪機，水力渦輪機連接到發電機，產生電能。

在所有儲能系統中，PHS具有最大的功率和能量等級，壽命長，效率高，具有非常小的放電損耗。PHS于風力發電一體化中的主要應用是藉由時移、頻率控制和非旋轉備用電源等機制進行能量管理。由于響應緩慢，PHS不適合抑制風的波動。PHS的安裝取決于地理條件，以及對自然環境所產生影響。因此，其應用的靈活性很低。

第一代飛輪儲能(FES)運行始自20世紀70年代，原理為在機械軸承上使用大型鋼制旋轉體。在儲能過程中，轉子被加速到非常高的速度，其可以達到20,000 rpm或超過50,000 rpm。藉由將旋轉體保持在恒定速度，能量存儲在飛輪中。在放能過程中，飛輪釋放能量并驅動機器作為發電機之用。飛輪的主要優點在于，出色的循環穩定性，提供完全充放電循環的長壽命，低維護成本，高功率密度和高效率。FES主要用作電能質量設備，以抑制快速風力波動，提供幾秒鐘的中斷穿越或橋接兩個能量之間的轉換。此外，它的功能還包括阻尼增強。主要缺點為操作時間短、自放電損耗高。FES一般認為可與其他ESS結合使用，但不適合當作風力渦輪機的單一輔助動能機具。

二次電池整體而言具有非常快速的響應時間(<秒)，能夠跟蹤負載變化，以提高系統穩定性。自放電損耗小，往返效率高。由于高功率和高能量密度，電池儲能系統(BESS)可以較短前置時間、潛在便利裝設及技術模組化來促成。然而，大多數電池含有金屬及有毒物質，導致了處理上的生態問題。截至目前為止，已開發且商用的各類二次電池，包括鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳金屬混合(NiMH)電池、鋰離子(Li-ion)電池和鈉硫( NaS)電池。

液流電池(flow battery)是另一種類型的電池，其中能量儲存在一種或多種電活性物質中，這些物質溶解在液體電解質中。另外的電解質通常儲存在外部，通常在罐中，藉由泵送通過反應器，從而具有電池功能。能量等級由電解質的量決定，而額定功率則取決于電池堆疊的有效面積。典型的液流電池種類包括釩氧化還原電池(VRB)、多硫化物溴化物(PSB)及溴化鋅(ZnBr)。液流電池已經建成MW等級，可以在未來的大規模應用中發揮更關鍵作用。

由于替代電極間固體電介質的共同布置，電解質溶液置于超級電容器(SC)的兩個實心導體之間，讓電容器存儲技術目前取得重大進展。與傳統電容器相比，SC具有更大的電容和能量密度，從而實現緊湊的設計。SC具有幾乎無限循環的穩定性以及極高的功率密度，并且由于極低的內阻而快速充電與放電。其他優點包括耐用性、高可靠性、無需維護、高壽命、寬廣溫度范圍和不同環境操作性。SC環保且易于回收或中和，效率保持約在90%，并且放電時間在數秒至數小時的范圍內。目前SC對風電一體化支持的研究主要集中在風電場的功率平衡，利用與電池的協調，以平滑快速波動。

其他ESS技術，包括燃料電池(FC)、金屬空氣(MA)電池、太陽能燃料(SF)，低溫儲能(CES)、合成天然氣(SNG)和熱能儲存(TES)，它們仍在產品或技術開發階段，仍未廣泛使用。不同應用類別需要不同ESS技術特征。其中，能源和電力等級是兩個主要因素。

ESS可用于特定風電場、電網運營商或消費者等所需的不同應用場合。針對發電端，ESS裝設可改善風電場內風機間的差異性，以便完成最佳風能分配，使得它們可以像傳統發電廠一樣被控制。對于電網端角色，ESS可提供輔助型服務，減輕整體風電系統的可變性和不確定性。另外，針對需求端角色，匯總的電動車虛擬電廠(EVPP)可以滿足車主和電網運營商的雙向要求。

針對ESS營運計劃，選擇正確ESS類型并確定ESS大小及位置非常重要。ESS大小，包括功率和能量，可以透過幾種方法予以確定，包括使用歷史風力輪廓線，及以風力預測誤差為基礎的概率方法。容量設計問題可以優化不同成本函數問題來表述。沒有地形限制的選址方式可讓ESS安裝在任何現場位置，從而實現高效可控性。研究顯示關鍵傳輸線末端或中間的節點對擁塞管理有較大影響。

展望未來，ESS運行和控制的研究將主要集中在風電場和波動緩解的ESS日常調度方案上。考量風電預測誤差、技術約束、市場規則和能源價格等不同因素，單一或多個ESS的最優運行策略可被使用。為實現平滑輸出目的，風電高頻分量被ESS濾去和補償。控制演算中的時間常數特具平滑效果，ESS所需功率和容量等級之間取得平衡是為其中的關鍵因素。

(作者為工研院能環所前研究員)