中國儲能網(wǎng)訊：9月7—9日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司、國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司、浙江省能源局聯(lián)合指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合232余家機構共同支持的第十二屆中國國際儲能大會在杭州洲際酒店召開。本次大會由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會、中國科學院電工研究所儲能技術組和中國儲能網(wǎng)聯(lián)合承辦。
大會以"共創(chuàng)儲能新價值，共建市場新格局"為主題，聚焦新型儲能安全持續(xù)發(fā)展，針對儲能產業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)等重點、熱點、難點問題展開充分探討，分享可持續(xù)政策機制、資本市場、新型儲能系統(tǒng)集成技術、供應鏈體系、商業(yè)模式、標準、示范項目應用案例、新產品以及解決方案的普及和深化應用。
來自行業(yè)主管機構、國內外駐華機構、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構等不同領域的913家產業(yè)鏈企業(yè)，3317位嘉賓參加了本屆大會，其中154家企業(yè)展示了儲能產品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測認證等新型儲能全產業(yè)鏈。
大會組委會邀請清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院高速飛輪與復合儲能研究室主任姜新建做《參與電網(wǎng)慣性響應和調頻控制的飛輪儲能陣列關鍵技術研究》主題報告。以下為發(fā)言主要內容：
姜新建：各位同仁，各位專家，下午好！我介紹的是參與電網(wǎng)慣性響應和調頻控制的飛輪儲能陣列關鍵技術研究，來自清華大學電機系。
我們國家從前年開始提出了雙碳目標，針對這個目標提出了建設以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。按照2030和2060達標的預測，到2030年新能源占比可能要達到22%，到2060年新能源占比為58%。這樣的新型電力系統(tǒng)將形成新的發(fā)展趨勢：電力電子化、交直流聯(lián)合靈活組網(wǎng)、分布式、數(shù)字化、智能化、開放式，當然這也帶來很多的挑戰(zhàn)，我們下面重點討論新型電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定面臨的挑戰(zhàn)。
以新能源為主的新型電力系統(tǒng)標志著火電機組發(fā)展受限、新能源比例越來越高。新能源發(fā)電具有波動性和隨機性的特點，導致電力系統(tǒng)的轉動慣量極大降低，另外，含高比例新能源電網(wǎng)的一次調頻死區(qū)的動作次數(shù)顯著增加，使得電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定和安全運行面臨挑戰(zhàn)。2019年英國的大停電，原因之一也是調頻能力不足導致的連鎖反應。
對于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要由火電機組來承擔，原來的國標GB/T 30370-2013《火力發(fā)電機組一次調頻試驗及性能驗收導則》有明確要求，即火電機組的調頻功率占總功率的6%-10%，因此，以火電機組為主的電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定是沒有問題的。但以新能源為主后怎么辦？為此出臺了新的國標GB/T 40595-2021《并網(wǎng)電源一次調頻技術規(guī)定及試驗導則》，從2021年5月開始實施，要求新能源發(fā)電和火電一樣，都具備一次調頻能力。
儲能被公認為能解決上述新型電力系統(tǒng)面臨的調頻問題，這里主要介紹物理儲能—飛輪。飛輪的基本原理是電能通過電機驅動飛輪升速，電能轉換為高速旋轉飛輪的動能；反之，高速旋轉飛輪驅動電機發(fā)電，通過變流器饋電給電網(wǎng)，高速旋轉飛輪動能轉換成電能；通過飛輪轉速的上升和下降來實現(xiàn)電能的儲存和釋放。飛輪系統(tǒng)包括本體和變流器等。
從飛輪的特點來說，它應該是目前解決電網(wǎng)慣性支撐和調頻控制的最有效和最先進的技術之一，也是飛輪儲能的一個最佳應用場景。實際上飛輪儲能應用的特點是短時高頻次場景，正好與電網(wǎng)慣性支撐和一次調頻是合拍的。飛輪儲能具有如下優(yōu)點：物理儲能，大轉動慣量，效率高（＞ 85%），壽命長（＞ 20年），快響應（20ms級），低循環(huán)成本，高頻次（30次/小時、百萬次），安全性高，無污染。
下面介紹飛輪儲能如何實現(xiàn)電網(wǎng)的慣性響應和調頻控制。電網(wǎng)受擾頻率響應及調節(jié)過程分為三個階段：第一個階段為慣性響應，對應的飛輪稱為慣量飛輪，它類似于傳統(tǒng)的有轉動慣量的調相機，其電機是直接并網(wǎng)的；第二個階段為一次調頻，對應的飛輪為傳統(tǒng)意義上的飛輪儲能，它通過變流器并網(wǎng)，主要承擔一次調頻功能，但這飛輪也有轉動慣量，它的慣量響應是一個虛擬慣量響應；第三階段是二次調頻，對應的飛輪為傳統(tǒng)意義上的飛輪儲能，主要承擔二次調頻（AGC）功能；這三個階段里都有交叉的地方。下面具體介紹。
（圖示）這是一個慣量飛輪，包括基于磁懸浮軸承的大慣量飛輪技術、高效率和大容量電機技術。慣量飛輪有什么特點？它具有傳統(tǒng)的同步調相機功能，同時具有高轉動慣量。由于其電機定子繞組是直接并網(wǎng)，所以它的轉速是固定的。慣量飛輪首先解決啟動問題，其次實現(xiàn)軟并網(wǎng)，然后通過電勵磁進行調節(jié)。
這一種飛輪就是傳統(tǒng)意義上的飛輪儲能，這飛輪電機需要通過變流器實現(xiàn)并網(wǎng)，不能直接并網(wǎng)，該飛輪具有調頻功能，也可以實現(xiàn)虛擬慣性控制。
這是飛輪儲能如何實現(xiàn)虛擬慣性響應，因為一次調頻控制和慣性響應都是自動調節(jié)的，一般來說采用下垂控制。因為飛輪本身具有機械慣量，那么飛輪儲能的虛擬慣量是通過一個算法控制實現(xiàn)的，是一個等效的機械慣量。在這個公式里，包含著原來傳統(tǒng)的機械慣量，加上另外一個虛擬慣量，它通過電力電子控制，它比原來的機械慣量大得多，這樣提供電網(wǎng)的短時支撐。
飛輪儲能除了提供虛擬慣量外，還有具備一次調頻功能。在這里提出如何實現(xiàn)優(yōu)化調節(jié)，通過考慮這些優(yōu)化因子后，提高它的調節(jié)能力。
飛輪儲能既可以實現(xiàn)一次調頻，也可以實現(xiàn)二次調頻，同樣電池也可以實現(xiàn)二次調頻，所以交叉的地方我們既可以獨立、也可以混合使用。以混合二次調頻為例，其拓撲有一種是直流并聯(lián)，還有一種是交流并聯(lián)，實際使用時是直流并聯(lián)和交流并聯(lián)都有，從而提高整個飛輪陣列容量等級。
這是一個經典的飛輪儲能控制策略，不細說了。
我們前面講的都是飛輪單機，實際上飛輪陣列控制是將來大規(guī)模使用需要面臨的問題。例如美國的20MW級飛輪儲能調頻電站，支撐飛輪最長到15分鐘；國內前期都是1MW級飛輪陣列示范應用，還缺乏更大容量的飛輪陣列應用。
飛輪陣列控制有幾種模式，假如并網(wǎng)或者孤島下運行，調頻調壓怎么控制？還有飛輪SOC如何實現(xiàn)？提出一種并網(wǎng)模式下陣列控制方式：上層是電網(wǎng)調度控制；中層是改進下垂控制，基于等轉矩的功率控制；下層是最大轉矩電流比控制。
在這方面，提出了改進下垂控制的辦法。
前面主要是介紹飛輪儲能在電網(wǎng)中實現(xiàn)慣性響應和調頻控制技術，飛輪儲能本身還有一些關鍵技術需要研究，其關鍵技術有哪些？我們結合“十三五”國重飛輪儲能項目，介紹飛輪儲能的一些關鍵技術。
這是一個飛輪，400KW、25MJ、18000rpm復合材料飛輪，三電平充放電控制器（變流器）。
飛輪轉子和轉子軸系，一個是材料問題，一個是平衡問題。平衡問題是解決整個軸系動平衡，高強鋼/復合材料飛輪要解決強度和工藝問題，從技術角度提出了一些解決辦法。研制了30MJ大型復合材料飛輪，實現(xiàn)了750m/s高速運轉；除了磁懸浮以外，解決了飛輪轉子軸系超越撓曲臨界的技術難題，國際上還沒有見到強陀螺效應撓性軸系飛輪轉子成功先例。
磁懸浮軸承，一種是小功率的，還有一種是大功率、大儲能量的。大儲能量的磁懸浮軸承面臨大承載力問題，這是一個難點。已實現(xiàn)了30MJ、400KW、18000rpm飛輪的磁懸浮軸承控制，這是一些控制和實驗測試結果。
大容量高速電機，高速電機國內有很多，但是飛輪的電機和傳統(tǒng)的高速電機差別是在真空環(huán)境下，真空下的電機轉子散熱很難，這是卡脖子的問題，很多飛輪型式都是圍繞它展開的。為了解決真空下電機轉子散熱難題，我們采用了12相電機，主要是解決電機轉子的發(fā)熱問題，并為將來的更大容量電機提供技術支撐。還有，提出了電機低損耗技術，除了對電機本身采取措施外，對電流器提出了電能質量要求，共同解決飛輪本體中電機難題。已研制了400KW、18000rpm、98%的12相永磁同步電機。
飛輪充放電控制技術，由于采用高速電機方案，帶來一個高基頻問題，所以需要解決變流器的高基頻難題。例如800赫茲的高基頻變流器，采用模型預測控制策略來解決控制策略難題，另外，在容錯控制方面采取了一些措施，提高系統(tǒng)可靠性。
為了解決前面的電機損耗問題，充放電控制器（變流器）采用了三電平拓撲，一是提高效率，二是降低諧波，從而使得電機的發(fā)熱減少。在功率器件有兩種方案，一種是碳化硅，一種是IGBT，都達到了很好的效果，碳化硅的效果更好，只是成本高了一些。
這是控制策略框圖，這是實驗結果，除了網(wǎng)側以外，機側的電壓電流也都基本正弦。
飛輪儲能陣列控制技術，陣列控制問題有SOC、并聯(lián)環(huán)流抑制、協(xié)調優(yōu)化、應用場景等。前面提到的慣性響應、調頻控制，實際上要和應用場景結合起來才能解決，這方面也是做了一些研究，解決多臺飛輪并聯(lián)問題。
（圖示）這是飛輪儲能系統(tǒng)實驗測試，包括最高轉速、效率、功率、諧波、電流和電壓等，充放電頻次達到1小時30次，充放電響應時間20毫秒，充放電轉換時間是21毫秒，所以滿足電網(wǎng)的慣性響應和一次調頻要求。
下面，說一下一些典型的應用。
這是一個國重項目，主要是4臺400KW/30MJ的調頻，這是一個應用。
這是地方科技項目，應用于風電場站，3臺1MW/33KWh飛輪，這個系統(tǒng)也是和3MWh電池系統(tǒng)混合，解決一次調頻和慣量響應問題。
這是一個飛輪項目投資收益計算案例，在這方面參考了山西省落實的一次調頻市場交易實施細則。假如以10MW飛輪為準，按2000小時/年計算，每小時16次調頻服務，平均調頻時間30秒。以山西公布的收益核算指標來計算，飛輪初始投資和運維成本是6500萬，輔助調頻收益為1億2千500多萬，所以收益投資比約是1.9。
從長遠來看，面對電網(wǎng)側的頻率穩(wěn)定和安全運行問題，技術上需要飛輪儲能來解決電網(wǎng)慣性響應和調頻控制，政策面需要進一步落實新國標實施細則，飛輪儲能大有作為、前景廣闊。
