飞轮储能在电网调频中的工程应用

4月24-26日，由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日下午的“储能电站与技术应用(三)”专场，华北电力大学先进飞轮储能研究中心副主任张强在会上分享了主题报告《飞轮储能在电网调频中的工程应用》，以下为演讲实录：

张强：今天下午很高兴利用这个机会跟大家讨论一下飞轮储能在电网调频中的工程应用。我的报告分五个部分，电网调频的必要性、电网调频技术现状、飞轮储能调频技术、飞轮储能工程应用案例以及贝肯新能源在这方面的技术优势。

提高电能质量是电网的主要任务。任何时刻，发电与供电应保持平衡，频率需要保持一定值。发电和供电之间不平衡，频率出现偏差，就会对用户设备、发电设备不利，将会影响产品质量及我们的生活质量。随着环境污染的加大，气候变化，使得发展新能源成为能源发展必然趋势。截至2018年底，我国发电装机容量约为19亿千瓦，清洁能源占到3.5万千瓦，世纪新能源网是1.8亿千瓦，太阳能是1.7亿千瓦，清洁能源占到40%;到2030年这个比例将提高到58%,到2050年清洁能源发电要占到86%。像世纪新能源网、太阳能这些新能源有一个特点，就是它的间断性和不稳定性;大量这种新能源的加入使得电力系统惯量降低，系统频率调节能力下降，电网频率稳定性问题就会变得突出。加之，大量的新能源电动汽车充电负荷也加重了电网的调节难度。在这种状况下，我们要建设智能电网，实现能源互联网，就急需优质的调频资源(储能)参与电网，维持电网的安全与稳定。

我国电网对调频的需求量很大，但目前优质的调频资源缺乏，水电占比20%，受到季节性影响;抽水蓄能占总装机容量的1.6%，建设周期长，涉及到选址及成本疏导的问题。目前主要依靠火电机组实现电网调频;但是火电机组调频存在一定问题，主要表现为调节延迟、超调、欠调、调节反向、单向调节的问题;同时增加机组的磨损和故障率，降低机组的寿命和性能。我们知道，火电机组运行在额定负荷时，效率最高，煤耗最低，当运行在50%的额定负荷时，煤耗是额定负荷时的1.09-1.16倍;当火电机组运行在50%以下负荷时，还影响到环保设施的投入，SCR因温度低而停运。

最近几年，国家也出台了一系列关于调频辅助服务政策。已建和在建的化学储能电网调频项目达到30多个。这个容量相比电网调频需求还是很小的。这些化学储能调频项目经过一段时间的运行，存在一些问题，主要表现在化学电池的安全性问题，国家政策的不确定性和不连续性，以及储能电站运营模式的问题。我们今天讨论的飞轮储能可从技术方面有一定改善。

飞轮储能是一种物理储能方式，以动能形式把能量储存起来。飞轮储能分为两个工作模式，一个是充电模式，一个是放电模式。充电模式就是飞轮工作在电动机状态，放电模式是飞轮工作在发电机状态。它既是发电机又是电动机。飞轮储能系统是一个集成的系统，主要包括飞轮转子、支撑轴承、高速电机、双向变流器和真空室。

飞轮储能，对于转子是圆柱体的飞轮，它的动能跟质量成正比，跟转速成反比。质量越大，转速越高，储能量就越大。整个系统涉及到磁悬浮技术、真空技术、动平衡技术、冷却技术、控制技术。


飞轮储能具有高频次瞬间精准放电的能力。它应用在电网调频方面有几个方面的优势。第一，安全性比较好，没有燃烧和爆炸的风险，在电网调频应用中将其放置于地下。第二，环保性比较好，没有危险化学物的处理和回收问题;第三，寿命长达20多年，这个时间和发电机组运用运营时间基本相当，对于电网的调频来讲，有很大的优势。第四，它具有深度充放电能力，几乎可以达到100%;充放电次数可以达到100万次以上。另外，调频性能高，只需要数毫秒就可以达到精确的放电要求。

下面对主要性能做一个详细介绍。

第一，谈谈飞轮的性能与投资。我们把20年作为一个生命周期，在整个生命周期里面，飞轮储能不存在能量衰减的问题;化学电池寿命是飞轮的大约20%;飞轮可以达到20年以上的寿命;整个生命周期飞轮无需替换;从整个生命周期看，飞轮的投资是比较低的。

第二个特点，飞轮储能的安全性，它是一种机械储能，固有特性就是安全性比较好。在美国飞轮储能电网调频电站具有连续十年安全运行的验证。相对于化学电池，有燃烧和爆炸的风险，而且，随着运行时间的增长，安全性更加突出。截至2019年2月，韩国就发生化学电池起火事件21起，美国也出现了2起这种事故，我们国家也出现过不同程度的化学电池火灾问题。


第三，谈谈飞轮储能使用寿命及调频性能。

这是美国一个公司做的飞轮储能和锂电池储能在调频方面的一个比较。结果显示如果放电深度从20%提高到40%，电池寿命将会从10年降低到2.25年，而对飞轮影响不大;从此图还可以得出同样功率装机，飞轮储能调频作用是锂电池储能的2-4倍。

飞轮储能电网调频项目，对于MW级以上的比较大项目，主要由美国的Beacon Power和加拿大的Temporal Power两个公司做的。美国的Beacon Power有两个调频电站，一个是建于美国纽约州，一个是宾夕法尼亚州，容量为20MW。这两个电站运行近十年，它的经济效益也是比较好的。

加拿大的Temporal Power，第一个项目是2014年建成的，至今已经连续运行5年，建在加拿大多伦多地区Minto镇，容量为2MW，用于独立调频。第二个项目建在加拿大安大略省圭尔夫，设计容量5MW，服务于当地电网调频;这个项目在2018年3月份做了检测，检测结果里面有几个结论：系统响应时间小于一秒，爬坡速率为每分钟6500MW-12000MW，巅峰功率输出大于6.5MW，转换效率是88.4%。第三个项目建在加勒比海阿鲁巴岛，设计容量为10MW飞轮储能项目，用于服务全岛电力。这个就是他们施工中的图片，包括单体飞轮。每一个飞轮单体挖一个坑放在这个里面，这样做是比较安全的。

下来讲一下贝肯新能源的技术优势，贝肯新能源以华北电力大学先进飞轮储能研究中心为技术依托。并在2018年全资收购了加拿大Temporal Power飞轮储能公司，通过收购，能够加快实现中国飞轮储能国产化进程。这样国外公司的技术包括核心团队成员都被吸纳进来，形成一个适合中国电网的调频技术公司。

下面看一下它的技术参数。我们商业化产品有100KW、250KW和500KW三个规格，响应时间小于十个毫秒，输入电压是480Vac，输出频率是50Hz-60Hz;升降轴承采用磁悬浮轴承，全程效率大于85%。目前用于电网调频的主要250KW和500KW两个型号;放电时间是6-15分钟，特别适合于做电网调频。我们正在研发1MW的单体飞轮，如果用1MW的单体飞轮来做电网调频那就有无可比拟的优势。

工程应用场景里面包括以下几个方面，独立调频，与火电机组的联合调频，与太阳能发电和风力发电联合调频，另外，飞轮储能和电池储能结合起来的混合储能联合调频调峰。

这个图就是它用在传统的火力发电和新能源发电调频方面的优势。这里特别要讲的，飞轮储能和电池储能结合起来，形成混合储能，在调频应用中，将调频拆解，有高频需求和低频需求，高频需求由飞轮储能承担，低频需求由飞轮电池系统承担，充分发挥飞轮储能的功率优势和电池储能的能量优势。提高系统的经济性、稳定性和安全性，尤其对光伏发电、风力发电输出功率波动的平抑，在电网的调频调峰辅助服务方面具有广阔的应用前景。

我们主要目标是提供一个系统解决方案，具体提供技术支持，主要设备以及后期运行与维护。

最后做一个总结。飞轮储能电网调频是目前电网调频效率最高和最灵活的方式。它具有优良的安全性、环保性及调频性能，寿命长达20多年，具有良好的经济性。同时可以实现国产化，降低它的成本。谢谢大家!