2018年底的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，新能源發(fā)電裝機(jī)首超水電，躍居我國第二大發(fā)電形式，但新能源本身固有的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定帶來了挑戰(zhàn)，并且新能源機(jī)組對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。建設(shè)一定規(guī)模以飛輪儲(chǔ)能為代表的電網(wǎng)級(jí)靈活調(diào)節(jié)資源是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的途徑之一，飛輪儲(chǔ)能的工程價(jià)值則通過調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)等典型應(yīng)用場(chǎng)景得以體現(xiàn)。本文通過對(duì)近年來飛輪儲(chǔ)能工程項(xiàng)目進(jìn)展情況的跟蹤，介紹了飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的主要子系統(tǒng)及各大公司和研究機(jī)構(gòu)的技術(shù)路線，歸納出飛輪儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的工程應(yīng)用主要包括電網(wǎng)調(diào)頻、新能源消納和微電網(wǎng)支撐等，應(yīng)用于新能源消納時(shí)飛輪儲(chǔ)能有平滑出力和無功補(bǔ)償?shù)榷喾N工作模式，可以彌補(bǔ)新能源發(fā)電的不確定性。但與功率型電池儲(chǔ)能技術(shù)相比，制約飛輪儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸在于初始投資成本過高，電網(wǎng)級(jí)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)為更高的性價(jià)比，這樣才能獲得應(yīng)有的市場(chǎng)份額。
關(guān)鍵詞： 飛輪儲(chǔ)能；工程應(yīng)用；二次調(diào)頻；無功補(bǔ)償
最近十年來，新能源發(fā)電迅猛增長，到2018年底，新能源發(fā)電以18.89%的滲透率，躍居我國第二大發(fā)電形式。但新能源發(fā)電本身難以調(diào)峰調(diào)頻，需要配套其他靈活電源為其服務(wù)，如西北地區(qū)就采取基于風(fēng)火打捆或光火打捆的直流特高壓外送方式。一方面特高壓輸電一定程度上解決了送電電網(wǎng)新能源消納的問題，但同時(shí)也對(duì)受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)，如2018年3月21日直流閉鎖導(dǎo)致巴西特大停電事故，2015年9月錦蘇直流特高壓線路發(fā)生閉鎖故障，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率最大波動(dòng)達(dá)0.44 Hz。限于我國靈活調(diào)節(jié)機(jī)組的占比有限，燃煤機(jī)組不得不扛起深度調(diào)峰和電網(wǎng)調(diào)頻的重任，但深度調(diào)峰時(shí)機(jī)組最主要的矛盾是燃燒穩(wěn)定性，這與調(diào)頻發(fā)生沖突，如何解決這一系列的問題對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度部門和電源側(cè)來說尤為重要。
國外發(fā)達(dá)國家的電源結(jié)構(gòu)比較合理，靈活電源占比較大，電網(wǎng)穩(wěn)定性較高，電能質(zhì)量較好，如同樣采用頻率合格率指標(biāo)，澳大利亞要求網(wǎng)頻波動(dòng)超過0.1 Hz的時(shí)間不大于1%，而我國在2008版電能質(zhì)量國標(biāo)中規(guī)定，網(wǎng)頻波動(dòng)超過0.2 Hz的時(shí)間不能大于2%，我國電能質(zhì)量仍有提高的空間。目前，發(fā)達(dá)國家電網(wǎng)主要通過建立并完善輔助服務(wù)市場(chǎng)制度來靈活配置儲(chǔ)能資源，也包括少部分有償攤派，如西班牙、英國、德國、北歐、澳大利亞、美國中大西洋電力市場(chǎng)（Pennsylvania-New Jersey-Maryland，PJM）和美國新英格蘭等國家或地區(qū)的電力市場(chǎng)。除了輔助服務(wù)市場(chǎng)化程度更高，國外機(jī)組的參數(shù)設(shè)置也與國內(nèi)不同。如我國早期從德國進(jìn)口的機(jī)組其一次調(diào)頻參數(shù)原設(shè)計(jì)為不帶調(diào)頻死區(qū)也不帶限幅，日本的機(jī)組與德國類似，這與我國既帶調(diào)頻死區(qū)也帶調(diào)頻限幅的情況迥然不同。
2006年11月，國家能源局前身電監(jiān)會(huì)印發(fā)了《發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》（簡稱“兩個(gè)細(xì)則”），兩個(gè)細(xì)則開啟了我國電力輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制建設(shè)的前期探索。此后各地陸續(xù)制定了本區(qū)域的兩個(gè)細(xì)則，對(duì)提供輔助服務(wù)的發(fā)電機(jī)組給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。2017年10月，山西能監(jiān)辦印發(fā)《山西電力調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營細(xì)則》，率先建立了以機(jī)組競(jìng)標(biāo)調(diào)頻里程、按調(diào)頻性能高低補(bǔ)償機(jī)組為特點(diǎn)的省級(jí)早期調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)，雖然調(diào)頻里程的報(bào)價(jià)范圍在不斷變化，但細(xì)則的主要內(nèi)容沿用至今，促成了最早一批電池儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目的商運(yùn)。2018年8月，南方能監(jiān)局印發(fā)《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則（試行）》，在調(diào)頻里程補(bǔ)償之外加入容量補(bǔ)償并采用新的性能計(jì)算公式，該政策發(fā)布后廣東成為目前電池儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目最活躍的區(qū)域。2019年4月，華北能監(jiān)局印發(fā)《蒙西電力市場(chǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)交易實(shí)施細(xì)則》征求意見稿，在籌建電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的同時(shí)兼顧調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)。2018年12月西北能監(jiān)局印發(fā)《西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》，該細(xì)則將一、二次調(diào)頻都作為有償服務(wù)，以此克服發(fā)電機(jī)組調(diào)頻性能參差不齊的問題?？傮w上看，通過建立輔助服務(wù)市場(chǎng)制度激勵(lì)發(fā)電側(cè)主動(dòng)提高性能指標(biāo)獲取收益拉動(dòng)了儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，在政策的激勵(lì)下，山西、廣東和蒙西電網(wǎng)先后出現(xiàn)利用電池儲(chǔ)能技術(shù)輔助燃煤機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻的商業(yè)模式。但鑒于儲(chǔ)能調(diào)頻技術(shù)的普及度仍不夠高，依然面臨著政策缺乏遞進(jìn)性、技術(shù)水平不夠高、標(biāo)準(zhǔn)體系滯后等風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)飛輪儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)的研究，揭示傳統(tǒng)機(jī)組的性能局限及飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用價(jià)值，以便更好地發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)，建成符合國情的智能堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)。
1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
國外對(duì)于飛輪儲(chǔ)能的研究開展較早，我國起步較晚，始于二十世紀(jì)九十年代。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子、支承系統(tǒng)、真空與冷卻系統(tǒng)、電機(jī)、儲(chǔ)能變流器（power convertion system，PCS）構(gòu)成，電機(jī)和PCS的選擇相對(duì)比較方便，基本上都有貨架產(chǎn)品，永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)均可使用，感應(yīng)電機(jī)技術(shù)成熟成本可控，是降低飛輪系統(tǒng)成本的首選，ABB、Emerson、Danfoss/Vacon等均有飛輪PCS出售。而轉(zhuǎn)子、支承系統(tǒng)、真空與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則千差萬別。根據(jù)公開資料整理出國內(nèi)外主要飛輪制造商和研究機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 國內(nèi)外主要飛輪產(chǎn)品歸納
1.1 轉(zhuǎn) 子
轉(zhuǎn)子方面，在有電網(wǎng)儲(chǔ)能飛輪產(chǎn)品的公司中，美國Beacon Power（被RGA LabsInc.收購）、KTSi公司（被石家莊盾石磁能科技有限責(zé)任公司收購）采用復(fù)合材料飛輪，加拿大Temporal Power（被天津貝肯新能源有限公司收購）、美國Amber Kinetics公司采用鋼制轉(zhuǎn)子，美國Swater Flow Group公司（與大連亨利科技有限公司合作）既使用復(fù)合材料飛輪，也有鋼制飛輪。目前正在開發(fā)電網(wǎng)儲(chǔ)能飛輪產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)中，北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)展有限公司、美國VYCON（與沈陽微控新能源技術(shù)有限公司合作）公司也采用鋼制飛輪，清華大學(xué)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)復(fù)合材料飛輪和鋼制飛輪均有研究，2018年作為牽頭單位承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“MW級(jí)先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)硏究”。
1.2 支承系統(tǒng)
支承系統(tǒng)方面，機(jī)械軸承、永磁軸承和電磁軸承得到商業(yè)化應(yīng)用，超導(dǎo)磁軸承目前成本太高。機(jī)械軸承技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低，但允許的運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低。電磁軸承的優(yōu)點(diǎn)為：無機(jī)械接觸、無磨損；無須潤滑密封、可在任意介質(zhì)中運(yùn)行；轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)性能可控。電磁軸承的缺點(diǎn)為：電磁鐵會(huì)飽和，承載能力有限，幾乎無過載能力；受驅(qū)動(dòng)功率限制，電磁力擺率有限；存在失電墜落風(fēng)險(xiǎn)；主動(dòng)控制電磁力消耗能量。永磁軸承多用于軸向，起到卸載轉(zhuǎn)子重力的作用。Beacon Power采用軸向永磁軸承+徑向機(jī)械軸承的方案；KTSi采用軸向針式寶石軸承+徑向永磁軸承來支撐飛輪；Temporal Power則采用軸向永磁軸承+徑向機(jī)械軸承的設(shè)計(jì)；Amber Kinetics采用軸向電磁軸承+徑向機(jī)械軸承；Swater Flow Group采用軸向混合磁軸承+徑向機(jī)械軸承；北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)展有限公司和VYCON均使用軸向電磁軸承+徑向電磁軸承控制飛輪軸向和徑向振動(dòng)。
浙江大學(xué)采用軸向永磁軸承+徑向電磁軸承的方案，推導(dǎo)了永磁軸承徑向干擾力的解析式，提出了基于修正參數(shù)零力控制算法的電磁軸承控制方法，來抑制飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的干擾力，取得了較好的控制效果。江蘇大學(xué)提出了徑向永磁軸承+軸向永磁軸承+三自由度混合磁軸承組支承方案。清華大學(xué)提出鎧裝永磁軸承設(shè)計(jì)方法，磁環(huán)采用扇形磁瓦拼接，工作間隙附近，磁力與間隙關(guān)系近似線性化，磁軛面積約是磁環(huán)面積2倍時(shí)，軸承吸力最大。文獻(xiàn)采用磁軛內(nèi)嵌永磁環(huán)，永磁環(huán)與導(dǎo)磁靜環(huán)、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)子形成閉合磁路，永磁軸承動(dòng)環(huán)為40Cr鋼，在氣隙為2 mm時(shí)，吸力約為10802 N。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種雙永磁靜環(huán)與導(dǎo)磁動(dòng)環(huán)組成的新型軸向永磁軸承，可適應(yīng)500 r/s、200 ℃工況。浙江工業(yè)大學(xué)提出軸向永磁軸承+軸向電磁軸承+徑向電磁軸承的設(shè)計(jì)。
1.3 真空與冷卻
真空與冷卻系統(tǒng)方面，不同用途的飛輪冷卻需求大相徑庭，總的來說放電功率越大（一般應(yīng)大于100 kW)、大功率放電時(shí)間越長（一般應(yīng)大于5 min），冷卻需求越大。Beacon Power的飛輪能以100 kW放電15 min，采用熱管將飛輪產(chǎn)生的熱量傳遞到散熱器，保證飛輪正常工作；KTSi對(duì)飛輪永磁電機(jī)定子進(jìn)行水冷；Temporal Power飛輪能以500 kW放電6 min，采用電機(jī)定子水冷，軸承和轉(zhuǎn)子油冷的冷卻方式，在轉(zhuǎn)子下方有一個(gè)巨大的冷卻罐；Amber Kinetics的飛輪能放電4 h，但功率為8 kW，因此采用被動(dòng)風(fēng)冷自然冷卻即可；北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)展有限公司和VYCON的現(xiàn)有產(chǎn)品基本均為柜式不間斷電源，放電時(shí)間為秒級(jí)，冷卻需求不大，VYCON通過強(qiáng)化轉(zhuǎn)子輻射散熱、增大飛輪殼體肋片散熱面積并采用風(fēng)冷從外殼帶走飛輪的熱量。清華大學(xué)在“飛輪儲(chǔ)能用于鉆機(jī)起升系統(tǒng)能量回收與利用方法”項(xiàng)目中采用充氦氣強(qiáng)化轉(zhuǎn)子與外殼換熱的方法，氦氣壓力與大氣壓相等。
1.4 飛輪儲(chǔ)能控制策略
調(diào)頻用飛輪有充電、放電兩種工作狀態(tài)：充電時(shí)，PCS驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使飛輪轉(zhuǎn)速增加，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，完成充電過程；放電時(shí)，PCS將儲(chǔ)能裝置出力轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)頻率一致的交流電送入電網(wǎng)，機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，進(jìn)行能量輸出。因此，飛輪可以作為負(fù)荷從電網(wǎng)充電，又可以向電網(wǎng)放電，具有雙向調(diào)節(jié)能力。
調(diào)頻控制過程：對(duì)于聯(lián)合調(diào)頻，電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)送自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）指令到電廠遠(yuǎn)動(dòng)裝置（remote terminal units，RTU），RTU轉(zhuǎn)發(fā)AGC指令至飛輪儲(chǔ)能主單元和電廠分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS)，對(duì)AGC信號(hào)進(jìn)行巴特沃斯低通濾波處理后得到火電參考功率，AGC總功率減去火電應(yīng)發(fā)功率后得到飛輪陣列總功率，陣列中的每一個(gè)飛輪對(duì)功率進(jìn)行分?jǐn)?，完成調(diào)頻過程。儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)后需要將機(jī)組出力與儲(chǔ)能系統(tǒng)出力進(jìn)行合并,并將合并后的出力信號(hào)上傳電網(wǎng)，作為AGC考核依據(jù)。獨(dú)立調(diào)頻電站直接接受電網(wǎng)AGC指令調(diào)度，能代替目前調(diào)頻機(jī)組的功能，可以布置在新能源場(chǎng)站附近。
以一階巴特沃斯低通濾波器為例，其傳遞函數(shù)如式(1)所示，ωc為截至頻率，T為采樣時(shí)間。
(1)
由塔斯廷（Tustin）近似可將式(1)離散為式(2)并整理出式(3)、式(4)，利用式(4)可以對(duì)AGC信號(hào)進(jìn)行高低頻分解。
2 飛輪儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的工程應(yīng)用
2.1 電網(wǎng)調(diào)頻
安全可靠的電網(wǎng)運(yùn)行要求在任意時(shí)刻平衡電力供應(yīng)和電力需求。當(dāng)供過于求時(shí)，頻率上升到50 Hz以上，燒毀用電設(shè)備，當(dāng)供不應(yīng)求時(shí)，頻率下降到50 Hz以下。為了將電網(wǎng)頻率保持在合理的范圍內(nèi)，電網(wǎng)運(yùn)營商使用輔助服務(wù)來平衡發(fā)電與用電的偏差。
一次調(diào)頻是指根據(jù)用電負(fù)荷頻率響應(yīng)特性，以及電源側(cè)調(diào)速器的作用，來削弱電網(wǎng)頻率波動(dòng)的調(diào)節(jié)方式。
用電負(fù)荷頻率響應(yīng)特性：電網(wǎng)中的用電設(shè)備耗功與頻率的一、二、三次方甚至高次方成正比，當(dāng)頻率升高時(shí)耗功增加，反之則耗功減少。
電源側(cè)調(diào)速器的作用：從汽輪機(jī)原理中可以知道，汽輪機(jī)的靜特性可用一條向下傾斜的曲線來描述，即并列運(yùn)行的機(jī)組，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，汽輪機(jī)的輸出功率會(huì)有所增加。
因此負(fù)荷頻率響應(yīng)特性曲線與汽輪機(jī)靜特性線必然交于一點(diǎn)，交點(diǎn)的頻率和功率即為發(fā)用電平衡時(shí)的頻率和功率。一次調(diào)頻就是負(fù)荷頻率響應(yīng)特性曲線移動(dòng)時(shí)汽輪機(jī)靜特性線不動(dòng)的調(diào)節(jié)方式。但由于只移動(dòng)了一條曲線因此交點(diǎn)必然移動(dòng)，電網(wǎng)頻率必然變化，想要保持頻率不變必須移動(dòng)汽輪機(jī)靜特性線，這就是二次調(diào)頻。但二次調(diào)頻不能保證全網(wǎng)機(jī)組的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，可能有個(gè)別機(jī)組煤耗偏高，需要由三次調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)調(diào)度來解決，本文只討論一、二次調(diào)頻。
電網(wǎng)每年對(duì)輔助服務(wù)的需求相對(duì)比較穩(wěn)定，在美國大約相當(dāng)于每日峰值發(fā)電量的1%。由于風(fēng)電和光伏的快速增長，輔助服務(wù)需求的增長將快于總體電力增長。與提供輔助服務(wù)的火力發(fā)電機(jī)組不同，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)無需化石燃料，也不會(huì)直接產(chǎn)生空氣污染物。這使得在電網(wǎng)的任何地方，只要離輸電線路比較近，都能快速建設(shè)一座飛輪調(diào)頻電站。飛輪調(diào)頻的反應(yīng)速度非?？?，可以在收到調(diào)度指令信號(hào)后不到1秒達(dá)到滿功率充電或放電狀態(tài)。這種快速調(diào)頻能力使得飛輪可以代替數(shù)倍于自身的火電機(jī)組。以飛輪取代現(xiàn)有的調(diào)頻機(jī)組還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：火電機(jī)組的負(fù)荷相對(duì)更穩(wěn)定，其結(jié)果是提高了整體能源效率，減少了排放。
工程實(shí)例：原美國Beacon Power公司建于紐約州、賓夕法尼亞州的兩個(gè)20 MW飛輪儲(chǔ)能獨(dú)立調(diào)頻電站，分別于2011年6月和2014年7月全面商運(yùn)；原加拿大Temporal Power公司建于加拿大安大略省Minto鎮(zhèn)的2.5 MW室內(nèi)獨(dú)立調(diào)頻電站，2014年7月商運(yùn)，位于加勒比海阿魯巴島的5 MW飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，與可再生能源聯(lián)合使用，提供全島的電力供應(yīng)，2018年7月商運(yùn)。
KEMA公司曾對(duì)Beacon Power公司的20兆瓦飛輪調(diào)頻電站進(jìn)行性能評(píng)估。KEMA首先創(chuàng)建了一個(gè)模型，將飛輪與燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行對(duì)比。火電機(jī)組的排放直接來自于它們的運(yùn)行，而飛輪和抽水蓄能機(jī)組的排放則是因?yàn)樗鼈兝秒娋W(wǎng)的電能來補(bǔ)償運(yùn)行過程中的能量損失而間接產(chǎn)生的。研究發(fā)現(xiàn)，火電機(jī)組調(diào)頻會(huì)降低0.5%～2.5%的整體效率。而飛輪調(diào)頻的碳排放比上述3種傳統(tǒng)機(jī)組都要低。
我國電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度逐年遞增，想要通過傳統(tǒng)機(jī)組性能優(yōu)化的方法一勞永逸地解決電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題是不可能的。限于燃煤機(jī)組本身固有的大慣性、強(qiáng)耦合、非線性等特性，必然帶來調(diào)節(jié)延遲、調(diào)節(jié)反向和調(diào)節(jié)偏差的問題，傳統(tǒng)調(diào)頻優(yōu)化手段難以使其調(diào)頻性能發(fā)生質(zhì)的飛躍，電網(wǎng)調(diào)頻必須引入新技術(shù)才能有所突破，目前最適合代替燃煤機(jī)組調(diào)頻的是功率型儲(chǔ)能技術(shù)，調(diào)頻領(lǐng)域未來的發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是建立滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求的聯(lián)合調(diào)頻電站及獨(dú)立調(diào)頻電站。
2.2 新能源消納
從20世紀(jì)90年代起，飛輪作為新型儲(chǔ)能方式如何與光伏發(fā)電配合就已經(jīng)提上了議事日程。而目前歐洲仍然有測(cè)試中的示范項(xiàng)目，這些項(xiàng)目基于飛輪、燃?xì)廨啓C(jī)和可再生能源的組合，探索該組合在關(guān)鍵時(shí)刻穩(wěn)定電網(wǎng)，以及降低向未來零碳發(fā)電時(shí)代高質(zhì)量電網(wǎng)的過渡成本的潛力。
原加拿大Temporal Power公司建于安大略省Clear Creek的5 MW飛輪儲(chǔ)能電站，2016年2月商運(yùn)。該儲(chǔ)能電站主要配合附近的20 MW風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行，可以平滑風(fēng)電出力也可對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提供無功補(bǔ)償。平滑出力時(shí)根據(jù)風(fēng)電實(shí)時(shí)功率和平均功率的偏差作為飛輪的參考出力；如圖3所示，提供無功補(bǔ)償時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)所需無功功率分為Q1、Q2兩部分，Q1與風(fēng)電及飛輪的總有功Pt有關(guān)，Q2和電網(wǎng)電壓水平V(p.u.)有關(guān)。首先確定所需無功功率Q1與風(fēng)電及飛輪的總有功Pt的若干個(gè)基準(zhǔn)關(guān)系點(diǎn)，剩余點(diǎn)可通過插值確定。所需無功功率Q2和電網(wǎng)電壓水平V(p.u.)的關(guān)系則有死區(qū)的限制，即當(dāng)電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值低于或高于某一水平才進(jìn)行無功補(bǔ)償，Q1、Q2兩部分無功之和扣除風(fēng)電本身的Qwf后所得Qtotal作為飛輪無功出力參考值。
圖1 賓夕法尼亞州20 MW飛輪調(diào)頻電站
圖2 阿魯巴島5 MW飛輪儲(chǔ)能電站
圖3 動(dòng)態(tài)無功支持控制原理框圖
圖4 安大略省Clear Creek 5 MW飛輪儲(chǔ)能電站
飛輪儲(chǔ)能同樣適用于光伏電站：2018年4月Amber Kinetics在馬薩諸塞州完成了128 kW/512 kW·h的項(xiàng)目，與West Boylston MLP原有的370 kW光伏系統(tǒng)在交流側(cè)連接，同年6月又在西藏運(yùn)高60 MW光伏電站中安裝了兩套8 kW/32 kW·h的飛輪，其安裝流程為鋪設(shè)設(shè)備基礎(chǔ)、放置飛輪鋼桶、吊裝飛輪、連接電纜和控制線、飛輪系統(tǒng)并網(wǎng)。值得一提的是，不同于其他公司的功率型飛輪，Amber Kinetics公司的飛輪放電時(shí)長高達(dá)4 h，與能量型電池的放電時(shí)長相當(dāng)。
圖5 馬薩諸塞州128 kW飛輪儲(chǔ)能電站
2.3 微電網(wǎng)支撐
微電網(wǎng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行離不開儲(chǔ)能技術(shù)的支持。原美國KTSi公司的GTR系列飛輪產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)項(xiàng)目，飛輪儲(chǔ)能作為分布式發(fā)電的高級(jí)補(bǔ)充，接入到微電網(wǎng)中可以實(shí)現(xiàn)多種功能。
以加拿大魁北克地區(qū)為例，該地區(qū)礦藏資源豐富，擁有優(yōu)質(zhì)的風(fēng)力資源但位于電網(wǎng)末梢自然環(huán)境惡劣，帶儲(chǔ)能的離網(wǎng)型微電網(wǎng)是開發(fā)該地區(qū)自然資源的最優(yōu)解。在2015年12月投運(yùn)的加拿大拉格倫鎳礦項(xiàng)目中，GTR200型200 kW飛輪、3 MW風(fēng)電、200 kW鋰電池、備用柴油機(jī)、燃料電池與制氫系統(tǒng)共同組成了一個(gè)微電網(wǎng)，飛輪在此項(xiàng)目中的主要作用為平滑風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率波動(dòng)，改善電能質(zhì)量。該項(xiàng)目在18個(gè)月的時(shí)間里節(jié)省了340萬升柴油，減排了9.11 t溫室氣體。
圖6 加拿大拉格倫鎳礦微電網(wǎng)
在2013年投運(yùn)的蘇格蘭埃格島項(xiàng)目中，島上電網(wǎng)頻率原范圍為49～54 Hz，頻率波動(dòng)較大，加入GTR200飛輪后穩(wěn)定在52 Hz附近；在2017年投運(yùn)的蘇格蘭費(fèi)爾島微電網(wǎng)項(xiàng)目中，飛輪充當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)之間的緩沖，如同整個(gè)島的不間斷電源；在由英利集團(tuán)牽頭的863計(jì)劃“園區(qū)智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與集成示范”中，GTR200飛輪首次在國內(nèi)得到應(yīng)用，2017年6月該項(xiàng)目通過驗(yàn)收；在2015年的阿拉斯加電力與能源中心風(fēng)柴儲(chǔ)微電網(wǎng)項(xiàng)目中，GTR200用于測(cè)試電能質(zhì)量改善控制策略、功率平滑效果和調(diào)度策略。
2.4 初始投資成本對(duì)比
根據(jù)公開報(bào)道及文獻(xiàn)資料整理出近年來部分電池調(diào)頻項(xiàng)目如表2所示，表中電池放電時(shí)長在半小時(shí)左右，可以看出自2013年以來電池儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目的兆瓦成本從1130萬元下降到不超過600萬元。與之相對(duì)的，電網(wǎng)飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目較少，2011年6月商運(yùn)的原Beacon Power公司紐約州20 MW飛輪調(diào)頻電站造價(jià)為4190萬美元，兆瓦成本為209萬美元；2016年2月商運(yùn)的原加拿大Temporal Power公司安大略省Clear Ccreek 5 MW飛輪儲(chǔ)能電站，造價(jià)為848萬美元，兆瓦成本為169萬美元。功率型飛輪成本偏高的同時(shí)能量型飛輪的成本同樣不低，2018年4月Amber Kinetics在馬薩諸塞州完成的128 kW/512 kW·h的項(xiàng)目造價(jià)為48.6萬美元，每兆瓦時(shí)成本為94萬美元，而2018年7月并網(wǎng)的江蘇鎮(zhèn)江101 MW/202 MW·h的項(xiàng)目造價(jià)為6億元，每兆瓦時(shí)成本為297萬元。高初始投資成本導(dǎo)致飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目少，項(xiàng)目少導(dǎo)致成本下降慢，在20年的全壽命周期中雖然飛輪無需像電池一樣更換，但壽命長意味著政策多變、政策不連續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，因此在5～10年期限的短期項(xiàng)目中缺乏吸引力。
表2 國內(nèi)部分火電機(jī)組聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目
3 結(jié) 論
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在我國正處于產(chǎn)業(yè)化的臨界點(diǎn)，方興未艾。作為一種靈活儲(chǔ)能資源，除了電網(wǎng)調(diào)頻、新能源消納、微電網(wǎng)支撐等已有的應(yīng)用場(chǎng)景外，結(jié)合我國巨大的電網(wǎng)容量，飛輪儲(chǔ)能還有更多的可能性。當(dāng)然，這還需要解決包括聯(lián)合調(diào)頻協(xié)調(diào)控制策略、儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化、儲(chǔ)能政策風(fēng)險(xiǎn)、飛輪儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系及飛輪儲(chǔ)能商業(yè)模式等問題。
引用本文： 涂偉超,李文艷,張強(qiáng)等.飛輪儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的工程應(yīng)用[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,09(03):869-877.
TU Weichao,LI Wenyan,ZHANG Qiang,et al.Engineering application of flywheel energy storage in power system[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):869-877.
第一作者：涂偉超（1995—），男，碩士研究生，主要從事飛輪儲(chǔ)能工程應(yīng)用研究，E-mail：2366499304@qq.com；
通訊作者：李文艷，教授，主要從事燃燒過程污染物控制及先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究，E-mail：liweny@126.com。
