中國儲能網(wǎng)訊：第十二屆中國國際儲能大會演講速記如下：
汪釗：謝謝大家下午抽出時間來聽我們關于飛輪儲能技術在新能源一次調(diào)頻應用的理解和分享。
所以我今天主要是圍繞著飛輪儲能的技術特點做簡單的介紹，另外是在新能源一次調(diào)頻這個技術是怎么應用，包括分享一下我們做過的一些應用案例。
飛輪儲能其實就是一種用旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動能來儲能的方式，基于這個原理，它和旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動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，怎么讓一個更重的物體能以更高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這是飛輪儲能技術追求的持續(xù)性發(fā)展的方向?；谶@個要求，我們現(xiàn)在一個高效的飛輪儲能一定是需要采用磁懸浮的軸承技術，因為這樣的話，飛輪運行的時候，整個旋轉(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，這也是這個技術的特點。
這是飛輪儲能的典型構(gòu)成。第一部分是一個真空腔體，里面有飛輪和轉(zhuǎn)子，就是我們的能量存儲體。第二部分，因為我們的電機是交流電機，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，因為這個飛輪是運行在真空狀態(tài)，真空狀態(tài)需要實時保持，所以需要有真空泵，當發(fā)現(xiàn)真空狀態(tài)不足的時候需要抽真空，讓它處在最高效的狀態(tài)，同時保證設備的安全。
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磁懸浮軸承。為什么是主動磁懸浮軸承？因為是飛輪的轉(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跟隨轉(zhuǎn)子的實時狀態(tài)去控制的。另外，我們采用的是合金鋼轉(zhuǎn)子材料，它和電機的轉(zhuǎn)子是同軸的，工作的時候由電機的轉(zhuǎn)子帶動合金鋼的飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，主要是通過轉(zhuǎn)子的質(zhì)量加減速來實現(xiàn)儲能。
大家對飛輪儲能技術壽命有一種描述，叫幾千萬次的循環(huán)壽命，但是實際上這個千萬次是基于一個理論指標，這是什么意思呢？我們有兩種確定壽命的方式，一個叫萌生壽命。萌生壽命就是假定這個材料沒有缺陷，從它產(chǎn)生裂紋到發(fā)展達到破壞性的階段，飛輪充放電是通過加速減速，對這個飛輪產(chǎn)生了應力，這個應力循環(huán)的次數(shù)就是飛輪充放電的壽命。但這是一個理論的值，因為每個轉(zhuǎn)子都沒有辦法在實際中讓它沒有一點裂紋，另外也沒有技術手段去檢驗它在非常小的間隙內(nèi)沒有裂紋。因此，我們現(xiàn)在實際設計是基于殘余壽命來確定它的循環(huán)壽命，就是說這個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@個有缺陷的假設前提，它能夠承受的應力循環(huán)次數(shù)，它就對應到我們的充放電壽命次數(shù)。所以，我們以一個什么樣的缺陷尺寸作為殘余壽命的計算參數(shù)是確定飛輪使用壽命，確保安全的一個核心，這也是飛輪轉(zhuǎn)子的一個最核心的安全上的設計理念。
剛才講了我們是基于這種設計理念，在實踐過程中，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計算飛輪使用壽命。我們這個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，因為超過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，要考慮這個技術成熟度，另外就是軸承體系設計，以及飛輪轉(zhuǎn)子跌落試驗。因為飛輪都是靠電磁軸承支撐旋轉(zhuǎn)的，如果電磁軸承失效，我們需要有一個備用軸承，能讓它安全地減速到停機，不出現(xiàn)飛車的情況，所以這個跌落試驗，包括備用軸承也是一個非常關鍵的技術。另外，我們在飛輪運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個零部件組成，超過了50個工藝過程，包括整個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，多學科融合的機電一體設備。
基于剛才我們的設計理念，打造建設了多個工序的批量化的量產(chǎn)能力，比如說熱處理、精密加工、高速電機加工、飛輪老化的測試環(huán)境、飛輪集成測試中心。我們每臺飛輪出廠的時候，都要做150%最高轉(zhuǎn)速的72小時連續(xù)試驗，來校驗產(chǎn)品的可靠性。
飛輪儲能技術核心的幾個特點和優(yōu)勢主要是以下幾點：一是高安全。因為我們是一個物理儲能，沒有化學反應，所以相對化學來說是一個本質(zhì)安全的儲能。二是長壽命。整個壽命核心部件可達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存能量是不衰減的，另外它可以通過轉(zhuǎn)速就得出儲存的能量，所以電量可以精確度量。四是大功率。有比較高的功率密度，是典型的功率儲能技術。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)是實現(xiàn)雙碳的重要路徑。隨著新能源裝機逐步增高，新型電力系統(tǒng)面臨著兩個主要問題：一個是新能源消納受限，這就是大家理解的風多光多的時候沒有辦法消納，沒有風沒有光的時候又沒有發(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)定運行的風險增加，這主要是因為高比例的新能源帶來了整個系統(tǒng)是非常缺轉(zhuǎn)動慣量的，因為我們的整個大的電網(wǎng)是要實現(xiàn)發(fā)電和負荷的實時平衡，所以當新能源占比高的時候，關于頻率安全，包括整個慣量支撐的挑戰(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，低頻減載的風險非常高，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行是巨大的挑戰(zhàn)?；陔娏Y(jié)構(gòu)的變化，國家這幾年也出臺了一些管理要求，國標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)運行管理規(guī)定，把一次調(diào)頻和轉(zhuǎn)動慣量單獨列出，將來會成為新能源并網(wǎng)的義務項或者收益項。今年5月1號實施的并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術規(guī)定及試驗導則，也明確了新能源一次調(diào)頻指標上的要求。
一次調(diào)頻的問題在新能源占比較低的時候，它主要是通過風電機組自身去解決這個問題，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，但是這個和它的運行狀態(tài)有關，所以它這種調(diào)節(jié)的速率，包括造成頻率被動波動的可能性是非常大的。二是新能源場站是通過預留備用容量來實現(xiàn)功率備用，實現(xiàn)調(diào)頻。但是如果一旦嚴格考核，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)濟效益影響非常大。還有一個因素，就是通過比如說像風機，通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)是相對比較慢的，對一次調(diào)頻有考核的時候，你調(diào)節(jié)指標的K值是很有可能過不了關的。
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)了有幾個特點：第一，充放電頻次高。右邊的圖可以看到，如果死區(qū)設定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)頻率擾動能用最快的速度進行調(diào)整?，F(xiàn)在國際上的要求是響應時間，風電不大于2秒，光伏不大于1秒，慣量不超過500毫秒。這個要求實際上還是基于用機組去調(diào)的要求，如果真正未來考核，尤其是通過競價機制的話，要求這個時間控制在100毫秒以內(nèi)的水平。另外，通過儲能調(diào)頻的持續(xù)時間非常短，國標40595的要求是單次調(diào)頻保持20秒，但是我們實際采集的數(shù)據(jù)是低于20秒，10秒以內(nèi)的指令占大多數(shù)。另外，新能源場站也對儲能有安全性、可靠性以及和它整個生命周期相匹配的要求。因此，我們覺得飛輪儲能的技術特點是非常適合新能源未來關于快速頻率調(diào)節(jié)的一個技術。
我們這幾年在飛輪儲能技術在一次調(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項目，這是全國首個完成35KV并網(wǎng)試驗的兆瓦級飛輪儲能系統(tǒng)，也是首個飛輪+鋰電池混合儲能示范項目。我們這個系統(tǒng)通過一個兆瓦級的儲能系統(tǒng)，并入到風電場的交流并網(wǎng)點，然后通過頻率控制系統(tǒng)，基于頻率的變化進行調(diào)節(jié)。
我們當時這個項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，短時高頻次的特點，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工況，鋰電池來做能量的補充。
這個項目是我們?nèi)ツ暝谶|寧大唐做的，這不光是解決一次調(diào)頻，同時也解決慣量響應的項目，在單風機的低壓側(cè)來接入。關于慣量，也是未來新能源場站非常關注的一個問題，因為慣量反映了整個頻率的變化率，高比例的新能源，由于火電機組的逐步壓減，實際上是非常缺慣量的，這也是電網(wǎng)安全非常重要的指標。
這是我們相應的波形，從這里看，我們一次調(diào)頻的響應速度到了160毫秒，虛擬慣量指令響應速度到了280毫秒。可以看到，用儲能來參與調(diào)頻，對電網(wǎng)的安全性，在響應時間這塊得到了巨大的提升。
這是我們?nèi)ツ昴甑子行覅⑴c了三峽集團烏蘭察布源網(wǎng)荷儲一體化的示范項目。當時這個項目用了九種不同的儲能技術，我們是作為飛輪儲能的技術路線代表產(chǎn)品，現(xiàn)在這個項目已經(jīng)完成了并網(wǎng)，最終的試驗和驗收應該今年可以完成。
我們前面的這些項目在能源領域應用得到了認可，山西和三峽的項目，去年也非常榮幸列入了國家能源局能源領域首臺套重大裝備項目的清單，這里面關于儲能有八項技術，我們項目就是題目為“適用于新能源電站慣量和調(diào)頻支撐的兆瓦級飛輪儲能系統(tǒng)”。
最后，簡單介紹一下我們公司。我們公司的技術來源是通過并購美國的VYCON公司，在沈陽進行產(chǎn)業(yè)化落地。目前我們基于美國的技術已經(jīng)完成了全國唯一量產(chǎn)全磁懸浮飛輪的生產(chǎn)線，產(chǎn)能達到一千臺。VYCON飛輪儲能從2006年開始已經(jīng)在全球部署超過3000臺，應用了多個行業(yè)。
以上是我的全部介紹，謝謝大家！
