中國儲能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦，100余家機構(gòu)共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了沈陽微控新能源技術(shù)有限公司王智勇分享主題報告《飛輪調(diào)頻技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
王智勇：各位嘉賓、各位專家，大家下午好。非常榮幸能代表沈陽微控新能源技術(shù)有限公司在這里給大家做主題匯報，同時也非常感謝大會主辦方和承辦單位給我們提供了一個互相交流探討學(xué)習(xí)的平臺。我今天介紹的題目是：飛輪調(diào)頻技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)于新型電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和飛輪調(diào)頻的一些特性，剛才有很多專家在介紹的時候已經(jīng)提到了，有一些地方可能我后邊就不會贅述了，只是給大家簡單的描述一下。
現(xiàn)在中國面臨的一個很大的問題就是碳達峰和碳中和，習(xí)總書記在若干年前就已經(jīng)提出了這個口號，包括在二十大的時候也提出了要堅定不移的繼續(xù)推動碳達峰碳中和、走環(huán)保發(fā)展的道路。所以我們可以看到全國的新能源裝機量在呈現(xiàn)一個井噴式增長。各省發(fā)改委在“十三五”“十四五”乃至“十五五”規(guī)劃中對新能源的規(guī)劃也在不斷的提升。尤其我們可以看到右邊這個圖中，在2060年達到碳中和以后，整個中國的電力系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)會發(fā)生一個天翻地覆的變化，和我們現(xiàn)階段的整個電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會實現(xiàn)一個調(diào)轉(zhuǎn)。屆時風(fēng)電和光伏將成為整個電力系統(tǒng)中的發(fā)電主體，占據(jù)60%以上的份額。
新能源大規(guī)模接入，給我們的電力系統(tǒng)帶來的一個很大的問題就是：電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性如何來保證？傳統(tǒng)的慣量和調(diào)頻基本上都是由火電機組來作為調(diào)節(jié)的主力，新能源機組自身的調(diào)節(jié)能力實際上是非常薄弱的。在新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型階段，我們要做的是讓整個新能源系統(tǒng)具備這個能力，怎么來做呢？很大一部分是由儲能來解決的。在沒有新能源接入，也就是新能源沒有并網(wǎng)的時候，如果考慮整個華北電網(wǎng)產(chǎn)生5%功率缺額時，是可以很好的通過火電機組讓頻率回到它的正軌的。當(dāng)新能源裝機占比達到21%時，就已經(jīng)有了低頻減載的危險。當(dāng)新能源裝機占比達到50%以后，低頻減載的風(fēng)險就加大了。為此，國家也陸續(xù)出臺了很多相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)，包括DLT1870，GB38755，GBT40595，都對新能源機組的一次調(diào)頻和慣量響應(yīng)能力進行了要求。
通過各種補償服務(wù)機制，把一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、慣量響應(yīng)等等已經(jīng)列入了補償服務(wù)的范圍內(nèi)，尤其是在去年國家最新發(fā)布的新版的兩個細(xì)則中，明確將一次調(diào)頻和轉(zhuǎn)動慣量單獨列出來，通過義務(wù)提供、固定補償乃至市場化的方式，有望將這兩種作為并網(wǎng)發(fā)電主體的義務(wù)項和補償項。關(guān)于轉(zhuǎn)動慣量、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，各位專家也都做了很細(xì)致的說明，這里我就再簡單的匯總一下。轉(zhuǎn)動慣量，我們可以把它理解為整個發(fā)電系統(tǒng)自身的一種抵抗頻率變化的能力，它通常持續(xù)時間非常短暫，在幾秒鐘之內(nèi)就結(jié)束了，但是它造成的頻率缺額卻非常大。一次調(diào)頻是我們并網(wǎng)發(fā)電機組自發(fā)的，測試到頻率發(fā)生變化之后，靠它的調(diào)速系統(tǒng)去進行調(diào)節(jié)的一種安全防護手段。它的持續(xù)時長通常都是在幾秒到幾十秒這個區(qū)間。二次調(diào)頻是由電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)通過AGC控制系統(tǒng)向各發(fā)電并網(wǎng)的主體下發(fā)實時的發(fā)電指標(biāo)，也就是指令性的一個調(diào)節(jié)，通常持續(xù)時長是在幾分鐘到幾十分鐘不等。
這個圖可能大家比較眼熟，剛才嘉賓也引用了一下我們之前介紹過的資料，這里也非常感謝他們對我們的關(guān)注，我們會繼續(xù)努力的。我在這里簡單再說一下，這個是以東北地區(qū)一個常規(guī)600兆瓦的火電機組，也就是60萬的一個火電機組，它的低頻擾動時可以釋放大約17兆焦或者是17兆瓦秒的一個慣性能量，在高頻擾動時大約可以吸收20兆瓦秒的一個慣性能量。整體來說，它釋放和吸收的慣性能量非常小，在頻率出現(xiàn)波動時就會出現(xiàn)慣量響應(yīng)，日動作頻次是非常高的。
我們繼續(xù)來分析快速頻率調(diào)節(jié)特性和技術(shù)需求，從右邊的圖中我們可以看到，這是2018年，冀北電科院對華北電網(wǎng)的一個分析，當(dāng)時測試了一天24小時，調(diào)頻死區(qū)設(shè)置在±0.04赫茲的時候，全天的一次調(diào)頻動作次數(shù)超過了1600次，越上線700多次，越下線達到了900多次，頻次是非常高的。我們看第二個圖，這是今年2022年1月和2月一共挑選了10天，山西電網(wǎng)的一次調(diào)頻的數(shù)據(jù)分析，可以看到最長的一次時長是超過了46秒，平均調(diào)節(jié)時長基本上都集中在3秒左右，這就是一次調(diào)頻的第二個特點，單次的調(diào)節(jié)時長很短。響應(yīng)速度這一塊，根據(jù)最新的GBT40595的要求，風(fēng)電是不大于兩秒，光伏是不大于一秒，慣量響應(yīng)不超過500毫秒，所以，一次調(diào)頻第三個特點就是響應(yīng)速度要快。關(guān)于機組自身調(diào)頻能力，風(fēng)電機組或者光伏場站自身只具備向下調(diào)節(jié)，也就是減負(fù)載的能力，不具備向上調(diào)節(jié)的能力。如果要具備向上調(diào)節(jié)能力就需要通過預(yù)留備用容量，這樣會極大的影響場站的發(fā)電能力，造成巨大的經(jīng)濟損失。如果我們想要解決這個問題，怎么辦呢？可以通過配儲能來解決這一問題，當(dāng)然對儲能技術(shù)就有一定的要求了。除了要符合剛才提到的具有短時、高頻次充放電的能力，其次要求它的安全性高，可靠性強，這一點不論是投資人或者是電網(wǎng)公司都是特別強調(diào)的一點，也是重中之重。再一個是使用壽命長，假設(shè)一種儲能技術(shù)和新能源場站的整個運營周期是相匹配的，比如說以20年為例，這樣在整個的運營期內(nèi)，對我們投資人來講，重復(fù)投資就會很少，經(jīng)濟收益會很高。
綜上，我們可以看到慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻最大的特點就是單次的持續(xù)時間短，日動作的頻次高，這是它最大的特性。在“十四五”國家發(fā)改委和能源局發(fā)布的“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案中，特意把推動多時間尺度新型儲能作為技術(shù)示范試點。在里面可以看到技術(shù)示范中要推動飛輪儲能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用，推動短時高頻儲能技術(shù)的示范。飛輪儲能就是最典型的一種功率型的短時高頻儲能技術(shù)。
簡單給大家說一下飛輪儲能特性，飛輪技術(shù)的發(fā)展的方向就是高轉(zhuǎn)速低功耗，這是飛輪儲能技術(shù)將來發(fā)展的一個趨勢。高速磁懸浮儲能飛輪是采用了磁懸浮軸承技術(shù)，飛輪運行時處于一個完全完全磁懸浮的真空狀態(tài)，運行轉(zhuǎn)速已超過3萬轉(zhuǎn)每分鐘，它最大的特點是沒有磨損，功耗低、壽命長。在右邊這個圖中我們可以看到一個具有五自由度的主動磁懸浮軸承飛輪儲能系統(tǒng)，通過軸承、高速永磁同步電機和航天級合金鋼飛輪轉(zhuǎn)子組成了一個最核心的單元，整體由一個密封的鋁合金腔體封裝。我們現(xiàn)在開始做的這種兆瓦級高速飛輪電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是正在主攻的一個方向。因為一提到儲能，很多行內(nèi)或者是行外的人士都會想到電池，認(rèn)為只有這種半小時到小時級的才是儲能。飛輪最大的特點，它實際是來做電網(wǎng)頻率的一個調(diào)節(jié)裝置，我們索性就把這個系統(tǒng)命名為兆瓦級高速飛輪電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只干最擅長的事情。通過把磁懸浮飛輪單元、一體化變流器、總控系統(tǒng)，搭配消防、空調(diào)、交直流配電系統(tǒng)等等融合到一起，做到一個20尺的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，形成了這一套系統(tǒng)。高速磁懸飛輪儲能的特性就是短時、高頻次、大功率的充放電，來實現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，保障電力系統(tǒng)安全的目的。
這是我們整個系統(tǒng)的一個剖面圖。我們用一個20尺的集裝箱可以將整個系統(tǒng)的功率做到一兆瓦，可用能量達到了30兆焦，整個系統(tǒng)的響應(yīng)時長和調(diào)節(jié)精度都完全滿足目前國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。這套系統(tǒng)最大的幾個特點，首先是超快的響應(yīng)，整體滿功率的響應(yīng)可以做到100毫秒以內(nèi)，超高精度，輸出功率精度可以小于正負(fù)1%，超低的損耗，全磁懸浮設(shè)計無磨損，整個系統(tǒng)一小時的耗電小于13度電。超長壽命，飛輪核心部件可以做到20年的使用壽命，飛輪本體這個部分，在整個全生命周期中它的SOC是無衰減的，最后是超高的功率密度，整個兆瓦及頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)充放電倍率可以大于120C。
下面我要講大家比較關(guān)心的安全問題，為什么我們要特別用這幾個大字寫超級安全呢？首先飛輪是一個純物理儲能系統(tǒng)，它沒有起火和爆炸的隱患，這是它最大的一個安全特點；同時經(jīng)過了現(xiàn)場超過3000臺設(shè)備實際運行的經(jīng)驗，可以做到非常安全；全生命周期的安全管理：我們每臺飛輪的轉(zhuǎn)子都經(jīng)過了100%無損探傷檢測；主動安全設(shè)計：我們配置了一套自供電系統(tǒng)，可以在停電時為磁懸浮控制器提供操作電源；被動的安全防護：飛輪除了磁懸浮軸承以外，還配備了一套機械的保護軸承，可以使它在滿速跌落的時候安全平穩(wěn)停機，不會碰到外面的外殼。最后一個就是運行狀態(tài)實時監(jiān)測，我們可以實時監(jiān)測飛輪的轉(zhuǎn)速、真空度以及溫度震動等物理量和電氣量，在異常情況下，可以通過緊急停機按鈕讓飛輪進行保護的停機。
說完了安全，還要說的就是它的壽命。目前飛輪的壽命是有百萬級和千萬級這兩個級別。在這里簡單給大家講一下，飛輪在運行時的充電和放電實際就是一個升速和降速的過程，在這個過程中， 飛輪的轉(zhuǎn)子會受到一定的撕扯，它的應(yīng)力波動幅度非常大，在這個運動過程中就會產(chǎn)生一個撕裂效應(yīng)。從產(chǎn)生第一個裂紋開始一直到裂紋擴展到極值，飛輪破壞的時候，這個過程中的循環(huán)充放電次數(shù)就是它的循環(huán)壽命，也就是飛輪的疲勞壽命。這里要提兩個概念，第一個叫萌生壽命，萌生壽命是我們假定飛輪轉(zhuǎn)子是一塊非常完美的材質(zhì)，沒有任何瑕疵的情況下，它在這個時候產(chǎn)生裂紋一直到破壞之后會有多少次循環(huán)壽命，這就是我們常說的一個千萬級的壽命，通常是通過實驗獲得的sn曲線來計算的。第二個壽命我們叫殘余壽命，殘余壽命是假定這個材料中存在一定尺寸的缺陷，比如說沙眼、氣泡、裂紋等等，是我們目前的檢測手段無法檢測出來的。在假定存在瑕疵的情況下，飛輪從產(chǎn)生裂紋一直到最后崩壞的時候所有的循環(huán)壽命，一般是通過Foreman關(guān)系式求解的，這種是百萬級的壽命。所以我們要強調(diào)百萬次的循環(huán)壽命實際并不是飛輪默認(rèn)的一個指標(biāo)。萌生壽命的計算會為飛輪的安全運行埋下一個隱患，以何種尺寸作為它殘余壽命的計算值是確定飛輪使用壽命，是確保它安全的核心。
在這里給大家看一下我們公司目前采用的這種3a級c法無損探傷的超聲設(shè)備，它是將飛輪轉(zhuǎn)子整個浸沒在水中，通過超聲波的設(shè)備把超聲波打過去之后，然后開始測試整個飛輪的缺陷，通過無損探傷可以確認(rèn)0.4毫米以上的裂紋、氣泡和沙眼的位置和大小。經(jīng)過測算得出來的是我們飛輪的一個殘余壽命。無損探傷方法它有一個限制，需要考慮飛輪的材質(zhì)和尺寸大小，它目前能檢測的是不大于30公分的這種金屬體的損傷。飛輪安全的其他保障條件，包括飛輪運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，以及整個生產(chǎn)和加工測試環(huán)境的監(jiān)控，包括最后飛輪的被動防護和碎片遏制。
第三部分就是給大家介簡單介紹一下飛輪儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)的多場景應(yīng)用。主要是有以下幾方面：一是做獨立共享儲能調(diào)配電站，我們通過飛輪或者是飛輪+電化學(xué)儲能做獨立儲能電站，來提高整個區(qū)域電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力，來參與電力輔助服務(wù)市場獲得收益。二是做新能源配儲能，通過飛輪配合新能源場站，讓新能源場站達到并網(wǎng)的要求，同時可以避免預(yù)留備用容量造成的經(jīng)濟損失，可以參與電力輔助服務(wù)市場來獲得相關(guān)的調(diào)頻收益。三是跟火電機組聯(lián)合做火儲聯(lián)合，通過配飛輪儲能來解決火電機組目前依次調(diào)頻性能不足的問題，也可以搭配上火電機組來提升它的Agc調(diào)頻性能，來減少火電機組自身調(diào)速系統(tǒng)的動作次數(shù)，延長整個機組的使用壽命，這是其中一個應(yīng)用方向。四是一機一儲，提高單風(fēng)機的調(diào)頻能力。目前我們認(rèn)為這個方向最大的一個應(yīng)用場景可能就是在海上風(fēng)電系統(tǒng)，海上風(fēng)電的單風(fēng)機已經(jīng)可以做到超過10兆瓦的單機了，可以預(yù)見它會越來越大，在一個海上的風(fēng)電廠搭配儲能來做一機一儲的風(fēng)儲調(diào)頻就非常有前景。五是源網(wǎng)荷儲一體化的應(yīng)用，通過減少分布式電源發(fā)電出力的波動，同時可以平抑整個沖擊性負(fù)荷。
第四部分是我們的一些案例，給大家做簡單的匯報。
第一個案例是我們在2020年完成的山西右玉老千山風(fēng)電場，采用飛輪+鋰電池做了一個混合儲能調(diào)頻項目，這是全國首個完成35千伏并網(wǎng)實驗的兆瓦級飛輪儲能系統(tǒng)，也是全國首個飛輪和鋰電池搭配新能源做混合儲能調(diào)頻的項目。在當(dāng)時通過了山西電科院的測試，完全滿足《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范》DLT/1870中的一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)相關(guān)要求。如圖是當(dāng)時現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)，簡單給大家講一下，黃色的曲線是整個風(fēng)電場的出力情況，下面細(xì)一點的紅色曲線是飛輪和鋰電的混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)的出力，紫色的是飛輪儲能的出力。我們可以看到當(dāng)頻率出現(xiàn)波動時，混合儲能系統(tǒng)是由飛輪單獨出力來響應(yīng)指令，當(dāng)飛輪儲能能量釋放完畢，即白色曲線所代表的飛輪轉(zhuǎn)速下降到下限時，由鋰電池放電接替飛輪。下面這條細(xì)一點的黃色的曲線就是鋰電池的出力，鋰電池和飛輪實現(xiàn)了一個無縫銜接。
第二個項目是一機一儲的代表，在去年完成整個項目的部署，12月之前通過了遼寧電科院相關(guān)專家的測試驗收。整個系統(tǒng)是把飛輪儲能系統(tǒng)和風(fēng)電廠的一臺單風(fēng)機的0.69千伏側(cè)進行了組合，在單風(fēng)機側(cè)實施響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，這樣風(fēng)機可以直接獲得調(diào)頻和慣量響應(yīng)的能力。
第三個項目是我們在三峽集團烏蘭察布的源網(wǎng)荷儲一體化項目供貨的一兆瓦飛輪儲能系統(tǒng)，入選了國家能源局在2021年度能源領(lǐng)域的首臺套重大技術(shù)裝備目錄。儲能領(lǐng)域一共入選了8個項目，我們?nèi)脒x的是其中唯一一個在一次調(diào)頻和慣量響應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)項目。在今年3月飛輪系統(tǒng)通過了項目動模仿真平臺的實驗，在實驗期間充分驗證了它的各項性能指標(biāo)均能滿足應(yīng)用要求。
第四個項目是我們在今年10月份剛剛供貨，在現(xiàn)場正在測試的一個飛輪和鋰電池混合儲能的一次調(diào)頻項目，這是國內(nèi)首個飛輪+鋰電池在風(fēng)電場商用的一次調(diào)頻混合儲能項目，如圖是整個現(xiàn)場的布置的情況。
最后再簡單的介紹一下我們公司，沈陽微控是在2017年全面收購了美國VYCON公司，在2018年完成了技術(shù)轉(zhuǎn)移，在2020年將整個工廠全部都部署到了沈陽（中德）高端裝備制造產(chǎn)業(yè)園。作為國家級的高新技術(shù)企業(yè)，我們實現(xiàn)了設(shè)備的全本土化生產(chǎn)，目前已經(jīng)獲得了國內(nèi)國外授權(quán)專利50余項，掌握了完整的磁懸飛輪技術(shù)體系。
同時我們是遼寧省主動磁懸浮技術(shù)應(yīng)用工程研究中心的依托單位，建有目前國內(nèi)一條唯一一條可以量產(chǎn)的全磁懸浮儲能飛輪生產(chǎn)線，年產(chǎn)能是做到1000套，我們的目標(biāo)是在明年把產(chǎn)能擴展到3000臺套。目前在全球總部署的飛輪儲能數(shù)量已經(jīng)超過了3000臺，整個行業(yè)涵蓋了電力、數(shù)據(jù)中心、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。
我的介紹就到這里，謝謝大家。
