中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：第十二屆中國國際儲(chǔ)能大會(huì)演講速記如下：
汪釗：謝謝大家下午抽出時(shí)間來聽我們關(guān)于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在新能源一次調(diào)頻應(yīng)用的理解和分享。
所以我今天主要是圍繞著飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)做簡單的介紹，另外是在新能源一次調(diào)頻這個(gè)技術(shù)是怎么應(yīng)用，包括分享一下我們做過的一些應(yīng)用案例。
飛輪儲(chǔ)能其實(shí)就是一種用旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能來儲(chǔ)能的方式，基于這個(gè)原理，它和旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及線速度的平方成正比，所以為了追求更高的性能指標(biāo)，怎么讓一個(gè)更重的物體能以更高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這是飛輪儲(chǔ)能技術(shù)追求的持續(xù)性發(fā)展的方向?；谶@個(gè)要求，我們現(xiàn)在一個(gè)高效的飛輪儲(chǔ)能一定是需要采用磁懸浮的軸承技術(shù)，因?yàn)檫@樣的話，飛輪運(yùn)行的時(shí)候，整個(gè)旋轉(zhuǎn)體是處于完全磁懸浮的狀態(tài)，基本沒有磨損，功耗很低，這樣才能發(fā)揮飛輪儲(chǔ)能長壽命的優(yōu)勢。
這是我們公司的產(chǎn)品，最高轉(zhuǎn)速做到36750萬每分鐘，單機(jī)功率做到450千瓦，占地面積只需要0.6平方米，功率密度非常高，這也是這個(gè)技術(shù)的特點(diǎn)。
這是飛輪儲(chǔ)能的典型構(gòu)成。第一部分是一個(gè)真空腔體，里面有飛輪和轉(zhuǎn)子，就是我們的能量存儲(chǔ)體。第二部分，因?yàn)槲覀兊碾姍C(jī)是交流電機(jī)，需要雙向變流裝置，輸出類似電池的直流。第三部分，基于磁懸浮軸承的控制器。第四部分，因?yàn)檫@個(gè)飛輪是運(yùn)行在真空狀態(tài)，真空狀態(tài)需要實(shí)時(shí)保持，所以需要有真空泵，當(dāng)發(fā)現(xiàn)真空狀態(tài)不足的時(shí)候需要抽真空，讓它處在最高效的狀態(tài)，同時(shí)保證設(shè)備的安全。
這里面最核心的就是飛輪轉(zhuǎn)子，它是由幾部分組成：一是上端和下端的五自由度主動(dòng)磁懸浮軸承。為什么是主動(dòng)磁懸浮軸承？因?yàn)槭秋w輪的轉(zhuǎn)速非常高，對控制的精密度要求很高，磁懸浮軸承一定是主動(dòng)跟隨轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)狀態(tài)去控制的。另外，我們采用的是合金鋼轉(zhuǎn)子材料，它和電機(jī)的轉(zhuǎn)子是同軸的，工作的時(shí)候由電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)合金鋼的飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，主要是通過轉(zhuǎn)子的質(zhì)量加減速來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。
大家對飛輪儲(chǔ)能技術(shù)壽命有一種描述，叫幾千萬次的循環(huán)壽命，但是實(shí)際上這個(gè)千萬次是基于一個(gè)理論指標(biāo)，這是什么意思呢？我們有兩種確定壽命的方式，一個(gè)叫萌生壽命。萌生壽命就是假定這個(gè)材料沒有缺陷，從它產(chǎn)生裂紋到發(fā)展達(dá)到破壞性的階段，飛輪充放電是通過加速減速，對這個(gè)飛輪產(chǎn)生了應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)就是飛輪充放電的壽命。但這是一個(gè)理論的值，因?yàn)槊總€(gè)轉(zhuǎn)子都沒有辦法在實(shí)際中讓它沒有一點(diǎn)裂紋，另外也沒有技術(shù)手段去檢驗(yàn)它在非常小的間隙內(nèi)沒有裂紋。因此，我們現(xiàn)在實(shí)際設(shè)計(jì)是基于殘余壽命來確定它的循環(huán)壽命，就是說這個(gè)材料存在一定的尺寸缺陷，比如說有氣泡、裂紋，但是沒有超過我們接受的范圍?；谶@個(gè)有缺陷的假設(shè)前提，它能夠承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，它就對應(yīng)到我們的充放電壽命次數(shù)。所以，我們以一個(gè)什么樣的缺陷尺寸作為殘余壽命的計(jì)算參數(shù)是確定飛輪使用壽命，確保安全的一個(gè)核心，這也是飛輪轉(zhuǎn)子的一個(gè)最核心的安全上的設(shè)計(jì)理念。
剛才講了我們是基于這種設(shè)計(jì)理念，在實(shí)踐過程中，我們工程化的手段就是通過無損檢測確定飛輪轉(zhuǎn)子內(nèi)部裂紋的位置和大小，以最小檢測精度作為基準(zhǔn)計(jì)算飛輪使用壽命。我們這個(gè)無損探傷采用的是超聲波探傷，它對飛輪的尺寸是有要求的，因?yàn)槌^30公分，超聲波就探不透，基于此也確定了飛輪尺寸的重要邊界條件。
除了剛才講的轉(zhuǎn)子安全性，我們的安全性還要通過其他一系列的保障條件，要考慮這個(gè)技術(shù)成熟度，另外就是軸承體系設(shè)計(jì)，以及飛輪轉(zhuǎn)子跌落試驗(yàn)。因?yàn)轱w輪都是靠電磁軸承支撐旋轉(zhuǎn)的，如果電磁軸承失效，我們需要有一個(gè)備用軸承，能讓它安全地減速到停機(jī)，不出現(xiàn)飛車的情況，所以這個(gè)跌落試驗(yàn)，包括備用軸承也是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)。另外，我們在飛輪運(yùn)行過程中的一些在線監(jiān)測，剛才也講了，磁懸浮軸承可以在線高頻次去看轉(zhuǎn)子的運(yùn)行情況。還有就是飛輪是高精密、高控制精度產(chǎn)品，所以整個(gè)的加工生產(chǎn)，包括測試環(huán)境，一定是要有體系化支撐批量化產(chǎn)品的可靠性。
這是我們飛輪轉(zhuǎn)子在廠內(nèi)的制造過程，從毛坯到粗加工到精密加工，包括噴涂，我們是總共超過了200個(gè)零部件組成，超過了50個(gè)工藝過程，包括整個(gè)加工精度是非常精密的。所以，高速的磁懸浮飛輪是以精密制造為基礎(chǔ)，多學(xué)科融合的機(jī)電一體設(shè)備。
基于剛才我們的設(shè)計(jì)理念，打造建設(shè)了多個(gè)工序的批量化的量產(chǎn)能力，比如說熱處理、精密加工、高速電機(jī)加工、飛輪老化的測試環(huán)境、飛輪集成測試中心。我們每臺(tái)飛輪出廠的時(shí)候，都要做150%最高轉(zhuǎn)速的72小時(shí)連續(xù)試驗(yàn)，來校驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性。
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)核心的幾個(gè)特點(diǎn)和優(yōu)勢主要是以下幾點(diǎn)：一是高安全。因?yàn)槲覀兪且粋€(gè)物理儲(chǔ)能，沒有化學(xué)反應(yīng)，所以相對化學(xué)來說是一個(gè)本質(zhì)安全的儲(chǔ)能。二是長壽命。整個(gè)壽命核心部件可達(dá)20年，百萬次的循環(huán)充放電次數(shù)。三是無衰減。飛輪在全壽命周期的儲(chǔ)存能量是不衰減的，另外它可以通過轉(zhuǎn)速就得出儲(chǔ)存的能量，所以電量可以精確度量。四是大功率。有比較高的功率密度，是典型的功率儲(chǔ)能技術(shù)。五是無污染。退役后的回收利用率很高，處理成本很低。
新能源場站頻率支撐的必要性。新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)雙碳的重要路徑。隨著新能源裝機(jī)逐步增高，新型電力系統(tǒng)面臨著兩個(gè)主要問題：一個(gè)是新能源消納受限，這就是大家理解的風(fēng)多光多的時(shí)候沒有辦法消納，沒有風(fēng)沒有光的時(shí)候又沒有發(fā)電的來源，我們把它理解為電量平衡，就是能量平衡的問題。另外，安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)增加，這主要是因?yàn)楦弑壤男履茉磶砹苏麄€(gè)系統(tǒng)是非常缺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的，因?yàn)槲覀兊恼麄€(gè)大的電網(wǎng)是要實(shí)現(xiàn)發(fā)電和負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡，所以當(dāng)新能源占比高的時(shí)候，關(guān)于頻率安全，包括整個(gè)慣量支撐的挑戰(zhàn)是非常大的。
右下角的表指出了，新能源占比21%的工況，如果不具備調(diào)頻能力，低頻減載的風(fēng)險(xiǎn)非常高，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是巨大的挑戰(zhàn)?；陔娏Y(jié)構(gòu)的變化，國家這幾年也出臺(tái)了一些管理要求，國標(biāo)38755要求新能源場站具備一次調(diào)頻能力。去年12月21日，能源局發(fā)布的并網(wǎng)主體并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定，把一次調(diào)頻和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量單獨(dú)列出，將來會(huì)成為新能源并網(wǎng)的義務(wù)項(xiàng)或者收益項(xiàng)。今年5月1號實(shí)施的并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則，也明確了新能源一次調(diào)頻指標(biāo)上的要求。
一次調(diào)頻的問題在新能源占比較低的時(shí)候，它主要是通過風(fēng)電機(jī)組自身去解決這個(gè)問題，它解決問題有兩種方式，一是通過自身控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，提供一定的調(diào)頻能力，但是這個(gè)和它的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，所以它這種調(diào)節(jié)的速率，包括造成頻率被動(dòng)波動(dòng)的可能性是非常大的。二是新能源場站是通過預(yù)留備用容量來實(shí)現(xiàn)功率備用，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。但是如果一旦嚴(yán)格考核，備用容量就是直接損失了你每天的發(fā)電量，這樣帶來的經(jīng)濟(jì)效益影響非常大。還有一個(gè)因素，就是通過比如說像風(fēng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)是相對比較慢的，對一次調(diào)頻有考核的時(shí)候，你調(diào)節(jié)指標(biāo)的K值是很有可能過不了關(guān)的。
剛才講了高比例新能源電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下對調(diào)頻的需求，我們總結(jié)了有幾個(gè)特點(diǎn)：第一，充放電頻次高。右邊的圖可以看到，如果死區(qū)設(shè)定0.04，頻率日越過調(diào)頻死區(qū)的總次數(shù)為1670次，如果用儲(chǔ)能來調(diào)，就需要1670次的充放電。另外，從電網(wǎng)安全性的角度來講，希望調(diào)頻資源越快越好，出現(xiàn)頻率擾動(dòng)能用最快的速度進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)在國際上的要求是響應(yīng)時(shí)間，風(fēng)電不大于2秒，光伏不大于1秒，慣量不超過500毫秒。這個(gè)要求實(shí)際上還是基于用機(jī)組去調(diào)的要求，如果真正未來考核，尤其是通過競價(jià)機(jī)制的話，要求這個(gè)時(shí)間控制在100毫秒以內(nèi)的水平。另外，通過儲(chǔ)能調(diào)頻的持續(xù)時(shí)間非常短，國標(biāo)40595的要求是單次調(diào)頻保持20秒，但是我們實(shí)際采集的數(shù)據(jù)是低于20秒，10秒以內(nèi)的指令占大多數(shù)。另外，新能源場站也對儲(chǔ)能有安全性、可靠性以及和它整個(gè)生命周期相匹配的要求。因此，我們覺得飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)是非常適合新能源未來關(guān)于快速頻率調(diào)節(jié)的一個(gè)技術(shù)。
我們這幾年在飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在一次調(diào)頻里做了一些案例，現(xiàn)在和大家簡單分享一下。
這是我們2020年在山西電科院的一個(gè)項(xiàng)目，這是全國首個(gè)完成35KV并網(wǎng)試驗(yàn)的兆瓦級飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，也是首個(gè)飛輪+鋰電池混合儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。我們這個(gè)系統(tǒng)通過一個(gè)兆瓦級的儲(chǔ)能系統(tǒng)，并入到風(fēng)電場的交流并網(wǎng)點(diǎn)，然后通過頻率控制系統(tǒng)，基于頻率的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。
我們當(dāng)時(shí)這個(gè)項(xiàng)目做的是和鋰電混聯(lián)的方案，主要是利用飛輪的快速響應(yīng)，短時(shí)高頻次的特點(diǎn)，從右邊的圖看，白色的曲線是飛輪輸出的曲線，由它來支撐一次調(diào)頻占比非常高的短時(shí)工況，鋰電池來做能量的補(bǔ)充。
這個(gè)項(xiàng)目是我們?nèi)ツ暝谶|寧大唐做的，這不光是解決一次調(diào)頻，同時(shí)也解決慣量響應(yīng)的項(xiàng)目，在單風(fēng)機(jī)的低壓側(cè)來接入。關(guān)于慣量，也是未來新能源場站非常關(guān)注的一個(gè)問題，因?yàn)閼T量反映了整個(gè)頻率的變化率，高比例的新能源，由于火電機(jī)組的逐步壓減，實(shí)際上是非常缺慣量的，這也是電網(wǎng)安全非常重要的指標(biāo)。
這是我們相應(yīng)的波形，從這里看，我們一次調(diào)頻的響應(yīng)速度到了160毫秒，虛擬慣量指令響應(yīng)速度到了280毫秒?？梢钥吹剑脙?chǔ)能來參與調(diào)頻，對電網(wǎng)的安全性，在響應(yīng)時(shí)間這塊得到了巨大的提升。
這是我們?nèi)ツ昴甑子行覅⑴c了三峽集團(tuán)烏蘭察布源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化的示范項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)這個(gè)項(xiàng)目用了九種不同的儲(chǔ)能技術(shù)，我們是作為飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)路線代表產(chǎn)品，現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)完成了并網(wǎng)，最終的試驗(yàn)和驗(yàn)收應(yīng)該今年可以完成。
我們前面的這些項(xiàng)目在能源領(lǐng)域應(yīng)用得到了認(rèn)可，山西和三峽的項(xiàng)目，去年也非常榮幸列入了國家能源局能源領(lǐng)域首臺(tái)套重大裝備項(xiàng)目的清單，這里面關(guān)于儲(chǔ)能有八項(xiàng)技術(shù)，我們項(xiàng)目就是題目為“適用于新能源電站慣量和調(diào)頻支撐的兆瓦級飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)”。
最后，簡單介紹一下我們公司。我們公司的技術(shù)來源是通過并購美國的VYCON公司，在沈陽進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化落地。目前我們基于美國的技術(shù)已經(jīng)完成了全國唯一量產(chǎn)全磁懸浮飛輪的生產(chǎn)線，產(chǎn)能達(dá)到一千臺(tái)。VYCON飛輪儲(chǔ)能從2006年開始已經(jīng)在全球部署超過3000臺(tái)，應(yīng)用了多個(gè)行業(yè)。
以上是我的全部介紹，謝謝大家！
