中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
1 研究背景
隨著新能源發(fā)電及電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)比例的持續(xù)上升，電力系統(tǒng)正在經(jīng)歷著深刻的演變，慣量響應(yīng)、快速調(diào)頻調(diào)壓、暫態(tài)支撐等構(gòu)網(wǎng)需求凸顯。多種新型儲(chǔ)能技術(shù)在解決上述問題中呈現(xiàn)出優(yōu)良的特性，飛輪儲(chǔ)能作為一種典型的高頻次、高效率、長(zhǎng)壽命和低運(yùn)行成本的短時(shí)高功率物理儲(chǔ)能技術(shù)，在電力系統(tǒng)快速高頻次調(diào)節(jié)的構(gòu)網(wǎng)運(yùn)行中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要介紹飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，分析飛輪儲(chǔ)能單機(jī)和陣列需要解決的關(guān)鍵問題，并展望了飛輪儲(chǔ)能陣列構(gòu)網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)展前景。
2 高速飛輪儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代以來，經(jīng)過國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)的不懈努力，飛輪儲(chǔ)能的功率、儲(chǔ)能量、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)均不斷突破。近十多年以來，多個(gè)高性能飛輪產(chǎn)品陸續(xù)投入應(yīng)用，荷蘭S4 ENERGY 公司、中國(guó)的盾石磁能公司、沈陽(yáng)微控公司、華馳動(dòng)能公司等推出的飛輪儲(chǔ)能單機(jī)，其單項(xiàng)性能指標(biāo)已達(dá)功率兆瓦、轉(zhuǎn)速30 000 r/min、儲(chǔ)能量百千瓦時(shí)以上。
然而，對(duì)于大容量飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品，功率、能量和轉(zhuǎn)速三者之間具有很強(qiáng)的制約性，體現(xiàn)了產(chǎn)品的技術(shù)復(fù)雜度及難度。本文基于這3個(gè)主要參量，提出飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的“技術(shù)強(qiáng)度”綜合性指標(biāo)，以評(píng)價(jià)不同技術(shù)路線和單項(xiàng)參數(shù)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)品。標(biāo)幺值下技術(shù)強(qiáng)度如下式所示。
式中：P為飛輪額定功率；Pb為飛輪額定功率基準(zhǔn)值；Eb為飛輪儲(chǔ)能量基準(zhǔn)值；n為飛輪額定轉(zhuǎn)速；nb為額定轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值；P?為歸一化額定功率；E?為歸一化額定儲(chǔ)能量；n?為歸一化轉(zhuǎn)速。
圖1中根據(jù)相關(guān)技術(shù)樣機(jī)或產(chǎn)品的面世時(shí)間順序，展現(xiàn)了技術(shù)強(qiáng)度水平的發(fā)展趨勢(shì)。可以看出，國(guó)外的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展提升期較早，我國(guó)則在近十年內(nèi)奮起直追，進(jìn)步明顯。另一方面，國(guó)內(nèi)一些新技術(shù)產(chǎn)品通常在功率、儲(chǔ)能量或轉(zhuǎn)速等某個(gè)單向指標(biāo)上領(lǐng)先，但也在其他指標(biāo)上有所舍棄，本質(zhì)上這是由產(chǎn)品不同應(yīng)用場(chǎng)景需求決定的，也反映了產(chǎn)品包含的綜合價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)能力。
圖1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)品的技術(shù)強(qiáng)度演化趨勢(shì)
3 飛輪儲(chǔ)能單機(jī)及陣列關(guān)鍵技術(shù)
飛輪儲(chǔ)能單機(jī)在功率、儲(chǔ)能量、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)上提升的制約發(fā)展因素主要包括磁懸浮軸承、主軸振動(dòng)抑制和真空下電機(jī)散熱等以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
1）磁懸浮軸承技術(shù)
全磁懸浮軸承理論上不產(chǎn)生摩擦損耗，大大延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。常用的磁軸承主要包括永磁軸承、電磁軸承與超導(dǎo)磁軸承，三者在性能、功耗、成本、控制難度上各有優(yōu)劣，目前的飛輪產(chǎn)品中大多混合使用。
2）高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子
為了提高飛輪的儲(chǔ)能量，提高轉(zhuǎn)速是重要的手段。但轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速會(huì)受到轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度的限制，過高的線速度會(huì)引起材料內(nèi)部應(yīng)力破壞而引發(fā)轉(zhuǎn)子碎裂，往往需要采用高強(qiáng)度的碳纖維、玻璃纖維及相關(guān)復(fù)合材料。
3）真空下電機(jī)散熱技術(shù)
為了減小高速運(yùn)行時(shí)的風(fēng)摩損耗，飛輪通常真空運(yùn)行，但高阻熱氣隙使得電機(jī)又給轉(zhuǎn)子降溫帶來了極大困難。當(dāng)前已有包括風(fēng)冷、液冷及相變冷卻等主動(dòng)散熱手段以及多種空心軸散熱結(jié)構(gòu)方案，但當(dāng)前尚缺乏軸內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)適應(yīng)真空環(huán)境隨軸旋轉(zhuǎn)的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
4）主軸振動(dòng)控制技術(shù)
由于材料本體及制造誤差，轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布并不完全均勻，轉(zhuǎn)子微元旋轉(zhuǎn)會(huì)引發(fā)不平衡振動(dòng)。綜合飛輪-軸承-外殼完整的精確動(dòng)力學(xué)模型、多種振動(dòng)激勵(lì)/故障下的飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)特性分析，以及臨界轉(zhuǎn)速在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的分布優(yōu)化等振動(dòng)抑制方法的研究還不夠完善。
5）飛輪構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)
飛輪儲(chǔ)能具備短時(shí)、高頻次和高功率的調(diào)節(jié)控制能力優(yōu)勢(shì)，構(gòu)網(wǎng)控制通過模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性，兩者結(jié)合應(yīng)用在加強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行特性和實(shí)現(xiàn)新能源高比例接入能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。但目前飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)主要為理論研究，許多儲(chǔ)能項(xiàng)目對(duì)于飛輪參與電網(wǎng)慣量響應(yīng)等的構(gòu)網(wǎng)特性也沒有體現(xiàn)出來，還需要控制技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)一步工程應(yīng)用驗(yàn)證。
在實(shí)際應(yīng)用中，大規(guī)模飛輪儲(chǔ)能電站往往由多臺(tái)單機(jī)組成的陣列構(gòu)成。飛輪陣列的集結(jié)方式和協(xié)同方式往往決定了電站的整體性能。而目前的飛輪陣列仍存在以下需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。
1）陣列集結(jié)架構(gòu)設(shè)計(jì)
飛輪陣列的集結(jié)方式包括電氣連接方式和通信控制方式，二者共同決定了陣列的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和功率輸出能力。電氣連接方式應(yīng)與陣列規(guī)模、電網(wǎng)接入等級(jí)、繼電保護(hù)等要素匹配；通信控制方式則與調(diào)控需求與監(jiān)控管理等相關(guān)，決定現(xiàn)場(chǎng)部署便利性和運(yùn)行控制快速性。
2）陣列快速響應(yīng)能力
快速、高頻次的動(dòng)作能力是飛輪儲(chǔ)能的固有優(yōu)勢(shì)，從單機(jī)到陣列，不應(yīng)削減其快速響應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)力。飛輪儲(chǔ)能陣列的響應(yīng)快速性能受任務(wù)決策、系統(tǒng)通信、裝置動(dòng)作等環(huán)節(jié)影響，若要達(dá)成快速響應(yīng)目標(biāo)，還需要在以上技術(shù)點(diǎn)展開更深入的理論研究與工程實(shí)踐驗(yàn)證。
3）陣列協(xié)同控制技術(shù)
飛輪陣列構(gòu)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，往往需要協(xié)同穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的慣量響應(yīng)、調(diào)頻調(diào)壓的多運(yùn)行目標(biāo)，故障時(shí)還需要提供短路電流等暫態(tài)支撐；同時(shí)，電力系統(tǒng)頻率和電壓變化這一連續(xù)時(shí)序過程中，不同時(shí)序階段的支撐需求存在差異，不同機(jī)組的輸出特性存在差異，因此需要研究解決支撐多時(shí)間尺度、多應(yīng)用目標(biāo)的陣列協(xié)同方法。
4）陣列能量?jī)?yōu)化管理方法
如何實(shí)現(xiàn)陣列整體能效優(yōu)化，是陣列能量管理的核心問題。指令均分法雖然簡(jiǎn)單，但沒有考慮到陣列損耗，尤其針對(duì)永磁同步電機(jī)飛輪，通過主動(dòng)待機(jī)可以減少渦流損耗。此外，飛輪陣列運(yùn)行中各單機(jī)在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子溫升、振動(dòng)量等亦有差異，通過差異化指令分配有利于各飛輪單機(jī)趨優(yōu)運(yùn)行，從而保障陣列整體性能的發(fā)揮。
4 飛輪儲(chǔ)能構(gòu)網(wǎng)運(yùn)行展望
飛輪儲(chǔ)能更能適應(yīng)短時(shí)高頻次的快速調(diào)節(jié)支撐需求的特點(diǎn)，使其在構(gòu)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中更有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，具備良好的發(fā)展?jié)摿?，也存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。
1）飛輪儲(chǔ)能的暫態(tài)構(gòu)網(wǎng)特性仍需要提升
目前的新能源發(fā)電設(shè)備或新型儲(chǔ)能的構(gòu)網(wǎng)運(yùn)行控制，大多以穩(wěn)態(tài)的頻率和電壓支撐能力提升為主，但要比擬常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組的構(gòu)網(wǎng)效果，暫態(tài)響應(yīng)能力不可或缺，尤其是對(duì)系統(tǒng)故障時(shí)的短路電流貢獻(xiàn)度，是解決目前新能源規(guī)模化接入下系統(tǒng)短路比不足的關(guān)鍵。
2）構(gòu)網(wǎng)型飛輪陣列的控制與性能評(píng)估
飛輪陣列構(gòu)網(wǎng)能力的提升需要更高的響應(yīng)速度和一致性，尤其是慣量響應(yīng)和暫態(tài)支撐方面。針對(duì)構(gòu)網(wǎng)應(yīng)用，相較于常規(guī)的飛輪陣列要求會(huì)更高。上述性能的表征與測(cè)試評(píng)估也是亟須研究的內(nèi)容。
3）同步電機(jī)直接并網(wǎng)的差速飛輪新體系值得研究
兼顧飛輪穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力和暫態(tài)支撐能力的同步電機(jī)為并網(wǎng)接口的飛輪儲(chǔ)能方式值得探索，類似的研究如新型慣量調(diào)相機(jī)，通過增加常規(guī)調(diào)相機(jī)的機(jī)械慣量，提升系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性與暫態(tài)支撐能力。但這種設(shè)計(jì)下高速轉(zhuǎn)子與同步電機(jī)大范圍差速運(yùn)行下的融合結(jié)構(gòu)與控制等問題需要解決。
總的來說，面向新型電力系統(tǒng)的構(gòu)網(wǎng)運(yùn)行需求，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其陣列具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，為了使飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能夠適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，在構(gòu)網(wǎng)應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力，中國(guó)“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目中提出研發(fā)先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能單機(jī)功率≥1.2 MW，儲(chǔ)能量≥150 MJ，轉(zhuǎn)速≥10 000 r/min，其技術(shù)強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)估接近于4，這將是在考慮多種約束下迭代出的非常有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)產(chǎn)品。
