中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2022年8月18日，國(guó)電投坎德拉（北京）新能源科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱國(guó)電投坎德拉）成功中標(biāo)國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司技術(shù)信息中心MW級(jí)先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總裝機(jī)規(guī)模5MW/175kWh。
項(xiàng)目建成后，將實(shí)現(xiàn)國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司獅子坪風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻功能改造，將成為目前國(guó)內(nèi)新能源一次調(diào)頻改造裝機(jī)功率最高、裝機(jī)容量最大的全容量飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，也是全球首個(gè)采用全容量飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)完成新能源一次調(diào)頻改造的項(xiàng)目。
01、項(xiàng)目概況
河南獅子坪風(fēng)電場(chǎng)隸屬于國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司，位于河南省三門(mén)峽市陜州區(qū)，風(fēng)電場(chǎng)安裝24臺(tái)2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量48MW。獅子坪風(fēng)電場(chǎng)送出線路接入220kV雁翎變電站35kV母線，經(jīng)變電站升壓后并入電網(wǎng)。該項(xiàng)目計(jì)劃在國(guó)家電投獅子坪風(fēng)電場(chǎng)交流35kV并網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)配置5MW/175kWh的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)。效果圖如下：
河南電力有限公司信息中心MW級(jí)先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目效果圖
02、新能源一次調(diào)頻功能改造政策背景
2018年10月，國(guó)家能源局印發(fā)《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 1870-2018)，要求：風(fēng)電場(chǎng)、光伏發(fā)電站應(yīng)具備一次調(diào)頻能力，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)一次調(diào)頻功能始終投入并確保正常運(yùn)行。
2019年12月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（GB38755-2019）。要求：接入35kV及以上電壓等級(jí)電力系統(tǒng)的火電、水電、核電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、光熱發(fā)電、抽水蓄能、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及儲(chǔ)能電站等電源均應(yīng)具備一次調(diào)頻、快速調(diào)壓、調(diào)峰能力，必要時(shí)應(yīng)配置燃?xì)怆娬?、?chǔ)能電站等靈活調(diào)節(jié)資源。該政策于2020年7月1日起正式實(shí)施。
2021年發(fā)布的《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》（GB/T 40595-2021）再次要求：接入35kV及以上電壓等級(jí)電力系統(tǒng)的火電、水電、核電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、光熱發(fā)電、抽水蓄能、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及儲(chǔ)能電站等并網(wǎng)電源，均應(yīng)具備一次調(diào)頻功能，并對(duì)性能作出了具體要求。
根據(jù)國(guó)家相關(guān)政策，2021年7月，河南能源監(jiān)管辦印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)新能源并網(wǎng)運(yùn)行管理的意見(jiàn)（試行）》，明確提出：新并網(wǎng)風(fēng)電項(xiàng)目和集中式光伏發(fā)電項(xiàng)目原則上在投運(yùn)前應(yīng)具備一次調(diào)頻功能，已并網(wǎng)的項(xiàng)目應(yīng)分批于2022年底前完成一次調(diào)頻功能改造。根據(jù)該文件，河南電力調(diào)度控制中心下發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展河南電網(wǎng)新能源場(chǎng)站一次調(diào)頻功能改造的通知》?！锻ㄖ芬?，對(duì)于本通知下發(fā)日后，新投產(chǎn)風(fēng)電場(chǎng)及集中式光伏電站應(yīng)在入網(wǎng)前具備一次調(diào)頻功能。已投運(yùn)220千伏及以上電壓等級(jí)或整站100MW及以上容量并網(wǎng)的新能源場(chǎng)站于2021年12月31日前完成一次調(diào)頻功能改造；剩余的新能源場(chǎng)站于2022年12月31日前完成一次調(diào)頻功能改造。
根據(jù)《通知》要求，獅子坪風(fēng)電場(chǎng)須在2022年底之前完成一次調(diào)頻功能改造。同時(shí)，根據(jù)“風(fēng)電場(chǎng)、光伏發(fā)電站一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)定0.05Hz，調(diào)差率設(shè)定3%，最大負(fù)荷限幅設(shè)定不小于額定負(fù)荷的10%”的規(guī)定，獅子坪風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量48MW，按照總裝機(jī)容量10%配置5MW/175kWh的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，完成該風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻改造。
《通知》要求一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間風(fēng)電不超過(guò)15秒，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率5MW，有效容量175kWh，額定功率充放電時(shí)間超過(guò)120s，滿足風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)多個(gè)單向一次調(diào)頻指令。項(xiàng)目建成后，可滿足《通知》對(duì)獅子坪風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻功能改造的要求。
03、飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)
一次調(diào)頻作為常規(guī)機(jī)組的必備功能，主要針對(duì)變動(dòng)幅度小、周期短的負(fù)荷波動(dòng)。一次調(diào)頻具有快速響應(yīng)、短時(shí)大功率、頻次高、持續(xù)時(shí)間短等特性，屬于典型的功率型應(yīng)用場(chǎng)景。大型風(fēng)電機(jī)組通過(guò)變流器控制，一般采取最大功率跟蹤策略，其風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，不具備同步發(fā)電機(jī)組的頻率響應(yīng)能力，如需具備一次調(diào)頻功能，需要采取一些方法。目前風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻常用的三種技術(shù)方案是基于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量控制、預(yù)留備用和配置儲(chǔ)能。
基于風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)子慣量參與一次調(diào)頻的基本原理是當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，風(fēng)機(jī)釋放部分轉(zhuǎn)子動(dòng)能增大電磁功率輸出以達(dá)到功率支撐的目的；當(dāng)電網(wǎng)頻率上升時(shí)，風(fēng)機(jī)通過(guò)適度收槳減小電磁功率。此種調(diào)頻方案只需修改風(fēng)機(jī)控制程序，不增加硬件成本，且對(duì)機(jī)組發(fā)電量影響較小；但在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段，會(huì)造成電網(wǎng)頻率二次跌落，尤其當(dāng)風(fēng)電機(jī)組支撐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且系統(tǒng)中新能源機(jī)組占比較高時(shí)，二次跌落的幅度一般會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)頻率一次跌落的深度。不僅如此，長(zhǎng)期高頻次采用轉(zhuǎn)子慣量控制的方法參與一次調(diào)頻，會(huì)對(duì)機(jī)組的壽命造成嚴(yán)重影響。
預(yù)留備用是通過(guò)風(fēng)電機(jī)組槳距角控制通過(guò)降低風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲效率，使機(jī)組工作在減載運(yùn)行狀態(tài)，以預(yù)留為應(yīng)對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)而提供短期功率支持的備用容量。但槳距角控制也帶來(lái)諸多弊端，一方面因涉及機(jī)械變槳?jiǎng)幼?，響?yīng)速度較慢而無(wú)法完全滿足一次調(diào)頻要求；另一方面，長(zhǎng)期的減載運(yùn)行會(huì)給風(fēng)電場(chǎng)站發(fā)電量造成巨大損失，按照10%裝機(jī)容量預(yù)留備用不限電地區(qū)發(fā)電量損失占比約18%，限電地區(qū)損失占比約11%。
配置儲(chǔ)能是在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)建設(shè)一定容量的具有響應(yīng)一次調(diào)頻功能的儲(chǔ)能電站以完全承擔(dān)新能源電站的調(diào)頻任務(wù)。相比前兩種方式，儲(chǔ)能的調(diào)頻性能好，對(duì)機(jī)組影響最小，經(jīng)濟(jì)性最好。
在儲(chǔ)能選擇方面，目前市場(chǎng)上主流的鋰電池由于自身充放電倍率（≤2C）的限制，與高倍率充放電電池相比，鋰電池做一次調(diào)頻需要配置更大的容量，提高了投資成本；而且，鋰電池囿于循環(huán)次數(shù)（通常為6000-8000次）的限制，頻繁大倍率充放電導(dǎo)致電池容量衰減過(guò)快，需要經(jīng)常更換電芯，經(jīng)濟(jì)性較差，且存在起火爆炸等安全隱患。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)響應(yīng)）、高倍率充放電（4C-100C）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（大于1000萬(wàn)次）、存儲(chǔ)電量可精確度量（飛輪轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)電量）、安全性高（無(wú)起火爆炸危險(xiǎn)）、運(yùn)行環(huán)境友好（-40-50℃）等特性，非常符合一次調(diào)頻的應(yīng)用需求。并且在一次調(diào)頻過(guò)程中，頻繁波動(dòng)的負(fù)荷導(dǎo)致機(jī)組磨損較大，飛輪承擔(dān)小負(fù)荷波動(dòng)下的調(diào)頻動(dòng)作，可以極大減少機(jī)組的磨損。另外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一次裝機(jī)可連續(xù)使用25年，與新能源機(jī)組壽命相仿，經(jīng)濟(jì)性好，綜合性價(jià)比高，是實(shí)現(xiàn)新能源一次調(diào)頻改造的最佳儲(chǔ)能方式。
04、具體解決方案
國(guó)電投坎德拉順應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，前瞻研發(fā)，根據(jù)各省市一次調(diào)頻應(yīng)用場(chǎng)景的不同需求，推出適用于火電、風(fēng)電、光伏一次調(diào)頻和一次調(diào)頻獨(dú)立儲(chǔ)能電站應(yīng)用場(chǎng)景的MW級(jí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案和一次調(diào)頻飛輪產(chǎn)品。1MW/10kWh和1MW/35kWh一次調(diào)頻飛輪產(chǎn)品，單機(jī)額定功率達(dá)MW級(jí)，有效充放電容量分別為10kWh、35kWh，額定功率充放電時(shí)間分別為36s、126s，充放電倍率高達(dá)100C、29C，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景一次調(diào)頻需求，一次調(diào)頻質(zhì)量達(dá)90%以上。
本項(xiàng)目選用國(guó)電投坎德拉1MW/35kWh一次調(diào)頻飛輪產(chǎn)品，額定功率充放電時(shí)長(zhǎng)滿足風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)多個(gè)單向一次調(diào)頻指令。項(xiàng)目計(jì)劃采用5臺(tái)1MW/35kWh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單元組成5MW/175kWh飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中，通過(guò)4臺(tái)1MW/35kWh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)接入2套2MW儲(chǔ)能升壓一體機(jī)，形成2套2MW飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)；另外1臺(tái)1MW/35kWh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接入1套1MW儲(chǔ)能升壓一體機(jī)，形成1套1MW飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)；3套飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)接入220kV雁翎變電站35kV母線上，經(jīng)變電站主變升壓至220kV后接入電網(wǎng)。系統(tǒng)拓?fù)淙缦聢D所示：
5MW/175kWh飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)電氣拓?fù)鋱D
新能源場(chǎng)站一次調(diào)頻電站通訊拓?fù)鋱D
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單元主要由飛輪、控制系統(tǒng)預(yù)制艙及PCS升壓一體機(jī)組成。其中，飛輪采用地坑預(yù)埋安裝方式；控制系統(tǒng)柜、制動(dòng)電阻、水冷機(jī)、UPS、照明等集成在控制系統(tǒng)預(yù)制艙內(nèi)；儲(chǔ)能雙向變流器（PCS）、升壓變壓器及其保護(hù)裝置、高壓進(jìn)線負(fù)荷開(kāi)關(guān)、熔斷器組合電器、通訊動(dòng)力柜等集成在PCS升壓一體機(jī)內(nèi)。
國(guó)電投坎德拉飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制系統(tǒng)預(yù)制艙和飛輪儲(chǔ)能單元
1MW/35kWh飛輪規(guī)格
1MW控制系統(tǒng)預(yù)制艙規(guī)格
05、國(guó)電投坎德拉公司簡(jiǎn)介
國(guó)電投坎德拉（北京）新能源科技有限公司由國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司和坎德拉（深圳）新能源科技有限公司共同出資成立。國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司是國(guó)家電力投資集團(tuán)的全資子公司，是國(guó)家電投集團(tuán)的科技創(chuàng)新平臺(tái)、戰(zhàn)略決策支持機(jī)構(gòu)、高層次科技人才聚集基地，具有強(qiáng)大的專家團(tuán)隊(duì)和技術(shù)實(shí)力。
國(guó)電投坎德拉充分發(fā)揮中央研究院在先進(jìn)多元化儲(chǔ)能技術(shù)、集成設(shè)計(jì)技術(shù)和坎德拉在飛輪儲(chǔ)能核心技術(shù)研發(fā)上的優(yōu)勢(shì)，聚焦電力輔助服務(wù)，主要研究以飛輪儲(chǔ)能技術(shù)為核心的多元化儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、研發(fā)、集成、運(yùn)維、培訓(xùn)、產(chǎn)業(yè)化推廣及應(yīng)用，為客戶提供適用于電力輔助服務(wù)的秒級(jí)、分鐘級(jí)及以上飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品及整體解決方案。
國(guó)電投坎德拉建立了一支高水平、多元化的研發(fā)隊(duì)伍，采用垂直產(chǎn)業(yè)鏈模式，實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能全部核心部件（飛輪、飛輪變流器、高速電機(jī)、磁軸承、電機(jī)控制器、磁軸承控制器等）的100%自主可控；基于IPD的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，已形成成熟的功率型和容量型飛輪產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)，產(chǎn)品額定功率達(dá)100kW-1000kW，有效容量達(dá)0.5kWh-125kWh；具備飛輪儲(chǔ)能設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、組裝、測(cè)試、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)維全生命周期安全管理能力；在揚(yáng)州、佛山建設(shè)大規(guī)模飛輪儲(chǔ)能生產(chǎn)基地，已具備批量化交付飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工程化能力。
國(guó)電投坎德拉部分產(chǎn)品實(shí)物圖
國(guó)電投坎德拉推出了滿足風(fēng)電、光伏、火電一次調(diào)頻，輔助火電AGC調(diào)頻及制動(dòng)能量回收等應(yīng)用場(chǎng)景的系列產(chǎn)品。飛輪產(chǎn)品已成功應(yīng)用于國(guó)電投集團(tuán)內(nèi)蒙古霍林河“源網(wǎng)荷儲(chǔ)用”創(chuàng)新示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模1MW/200kWh，是2021年國(guó)內(nèi)電力輔助服務(wù)領(lǐng)域已裝機(jī)容量最大、裝機(jī)功率最高的飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目。項(xiàng)目對(duì)大規(guī)模飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工程化應(yīng)用、并網(wǎng)運(yùn)行、10臺(tái)以上飛輪的陣列協(xié)同控制以及應(yīng)用于電力輔助服務(wù)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略等進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證，對(duì)-40℃的極端惡劣環(huán)境下的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了工程化驗(yàn)證。項(xiàng)目按照國(guó)家電投集團(tuán)內(nèi)部作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行作業(yè)、驗(yàn)收，與國(guó)電投中央研究院技術(shù)專家共同編制了《飛輪儲(chǔ)能安全工作規(guī)程》《飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)檢修規(guī)程》《飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程》《飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)操作流程》等多份標(biāo)準(zhǔn)文件。
