飛輪儲能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻中的應(yīng)用研究

高春輝，劉春暉*，鄭博文，荊麗麗

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010000；2.集寧師范學(xué)院 高速信號處理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用重點實驗室，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

我國可再生能源發(fā)展迅猛的同時，全國范圍內(nèi)棄風(fēng)、棄光和棄水現(xiàn)象日益惡化。據(jù)調(diào)查顯示，全國棄風(fēng)電量只在2016年達(dá)到497億kW·h，主要集中在經(jīng)濟(jì)不甚發(fā)達(dá)的甘肅、內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)。這給我國可再生能源的利用造成了巨大的損失和負(fù)面影響。面臨日益嚴(yán)峻的風(fēng)電消納問題，2019年以來在國家多方組織協(xié)調(diào)下，棄光棄風(fēng)逐步緩和，但長期看增加電力系統(tǒng)的靈活性和可調(diào)度性依然任重道遠(yuǎn)。導(dǎo)致大量可再生能源被廢棄的原因，除了就地消納能力有限、可再生發(fā)電資源的時間和電網(wǎng)電力送出困難以外，一個共同的原因就是電源調(diào)峰、調(diào)頻能力受限。

我國風(fēng)電場一般建設(shè)在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的區(qū)域，開發(fā)模式通常采用大規(guī)模集中式的開發(fā)。然而，輸電網(wǎng)架建設(shè)周期通常大于風(fēng)電場的建設(shè)周期，這樣的網(wǎng)源建設(shè)不同步性，會限制輸電線路容量。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)的運行狀態(tài)滿足不了對風(fēng)電的調(diào)節(jié)需求時，為維持系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的解決辦法只有棄風(fēng)限電，這造成了能源的極大浪費。目前，雙饋式風(fēng)機的廣泛應(yīng)用可緩解系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻壓力。不足的是，受風(fēng)機自身特點的限制，其調(diào)節(jié)能力受風(fēng)速的制約，在有些情況下還是無法充分滿足系統(tǒng)調(diào)頻能力的要求，因此可以在系統(tǒng)調(diào)頻過程中采用儲能技術(shù)同時參與調(diào)頻工作。利用儲能技術(shù)不僅可以平滑風(fēng)電場出力的波動性，降低由風(fēng)電場出力不滿足系統(tǒng)要求而引起的棄風(fēng)問題，還可以進(jìn)一步減輕電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻面臨的壓力[1]。目前的儲能方式可分為電化學(xué)儲能、電磁儲能和機械儲能等。表1分別對現(xiàn)階段工業(yè)領(lǐng)域中幾種常見的儲能方式進(jìn)行了比較。

不同的儲能方式均存在各自的優(yōu)缺點。表1針對各種儲能方式的各類特性作出比較。由表1可知，化學(xué)蓄電池雖然由于其自身的體積小、成本低等優(yōu)勢而被廣泛使用，但也存在比功率小、循環(huán)次數(shù)少等不足，尤其如鉛酸電池對環(huán)境危害極大，使應(yīng)用受到限制。超級電容儲能電池比功率高，循環(huán)次數(shù)多，缺點是成本昂貴，且儲能密度受體積、工藝的限制很難增大。飛輪儲能電池系統(tǒng)本著壽命長、絕對能量密度和功率密度高、充放效率高、適應(yīng)性強、啟動速度快、無污染、維護(hù)成本低和模塊化等優(yōu)勢，正在給能量儲存帶來一場革命，展示出綠色儲能技術(shù)更為廣闊的發(fā)展前景。

表1 各類儲能方式特性比較

1 飛輪儲能電池系統(tǒng)

飛輪儲能電池系統(tǒng)是一項非常古老的技術(shù)，但由于旋轉(zhuǎn)電機的最新發(fā)展，飛輪儲能電池系統(tǒng)獲得了新的生命力，包括非接觸式磁性軸承和使用新型強力磁性材料（NdFeB和SmCo）的永磁電機/發(fā)電機。飛輪儲能電池系統(tǒng)的構(gòu)成主要是電動/發(fā)電機及其控制器、飛輪本體、各種磁性軸承和機械組件，以及真空裝置等，其某飛輪儲能產(chǎn)品系統(tǒng)模型如圖1所示。飛輪儲能電池系統(tǒng)是將電能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子中，利用飛輪升降速來實現(xiàn)電能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)換。其工作原理框圖如圖2所示，充電時將電網(wǎng)提供的能量通過電力電子器件驅(qū)動飛輪高速運轉(zhuǎn)，完成電能向飛輪動能的轉(zhuǎn)化；將飛輪維持在一個恒定轉(zhuǎn)速，放電時降低轉(zhuǎn)速，根據(jù)負(fù)載所需情況確定放電深度，將飛輪動能再轉(zhuǎn)化為電能提供給負(fù)載。

圖1 飛輪儲能電池系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 飛輪儲能電池系統(tǒng)工作原理

飛輪儲能電池系統(tǒng)存儲的能量，即飛輪轉(zhuǎn)子中的動能，主要取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和角速度，如式（1）所示，即

式中：E是存儲于飛輪轉(zhuǎn)子中的動能；I是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；ω是轉(zhuǎn)子的角速度。衡量飛輪儲能電池系統(tǒng)的另一個重要因素是最大能量密度Esp，主要取決于飛輪儲能電池系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子材料抗拉強度、轉(zhuǎn)子密度和轉(zhuǎn)子形狀，可用式（2）表示，即

式中：σm是飛輪儲能電池系統(tǒng)的電動/發(fā)電機中轉(zhuǎn)子材料的最大抗拉強度；ρ是飛輪儲能電池系統(tǒng)的電動/發(fā)電機中轉(zhuǎn)子材料的密度；Ks是飛輪儲能電池系統(tǒng)的電動/發(fā)電機中轉(zhuǎn)子形狀因子。因此，飛輪儲能電池的儲能能力跟其轉(zhuǎn)子質(zhì)量、轉(zhuǎn)速和形狀都密切相關(guān)。目前飛輪儲能電池的轉(zhuǎn)子材質(zhì)有2種，分別是高強度鋼材轉(zhuǎn)子和復(fù)合碳纖維材料。在理論上相較于鋼，纖維復(fù)合材料制作的飛輪旋轉(zhuǎn)速度更快，儲存動能更多。然而碳纖維的轉(zhuǎn)子主要在于編織工藝，要求很高的苛刻條件，目前我國在碳纖維編織工藝上相對落后，還暫時無法滿足飛輪儲能電池對其轉(zhuǎn)子材料的較高要求。因此飛輪儲能電池多采取鋼材轉(zhuǎn)子，雖然鋼轉(zhuǎn)子相對與碳纖維的轉(zhuǎn)子的質(zhì)量較高，但在相對較低的轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)同等儲能。還有在同樣條件下，其細(xì)長的轉(zhuǎn)子和扁平的轉(zhuǎn)子對儲能的貢獻(xiàn)也存在很大區(qū)別，也是設(shè)計的重要因素。尤其對于飛輪儲能電池轉(zhuǎn)子材料強度有較高要求，則采用特殊工藝鍛造，其鋼材強度可以到達(dá)1 700 MPa。

2 在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

在國家提出“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)的同時，以風(fēng)能為代表的新能源發(fā)電問題日益突出，尤其對其大規(guī)模接入電網(wǎng)時所帶來的擾動，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行，因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問題亟待解決。

飛輪儲能作為儲能技術(shù)之一，其快速的響應(yīng)能力、壽命長、無公害等特點，特別適用于解決風(fēng)電并網(wǎng)時風(fēng)電消納能力的限制問題，提高風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的利用率，尤其是在風(fēng)電場中更能表現(xiàn)出不同凡響的一次調(diào)頻能力，以“平滑”風(fēng)力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的輸出功率[2]。李欣然等[3]給出的算例，飛輪儲能電池系統(tǒng)參與風(fēng)電調(diào)頻的能力為水電機組調(diào)頻的1.7倍，燃?xì)鈾C調(diào)頻組的2.7倍。因此，一些發(fā)達(dá)國家已率先將儲能飛輪應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻服務(wù)。2011年原Beacon Power公司在美國紐約史蒂芬鎮(zhèn)建設(shè)了可以提供20 MW的調(diào)頻服務(wù)的飛輪儲能電池系統(tǒng)調(diào)頻電站。經(jīng)實踐檢驗，該飛輪儲能電池系統(tǒng)調(diào)頻電站同時做到了為當(dāng)?shù)靥峁┲悄茈娋W(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)和調(diào)峰處理。這對于飛輪儲能電池系統(tǒng)的發(fā)展是一次歷史性的跨越，標(biāo)志著飛輪儲能電池系統(tǒng)在世界上第一次大規(guī)模被正式商用于電網(wǎng)工作。美國的Vista Tech Engineer公司應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的飛輪儲能電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)所提供的風(fēng)電調(diào)頻服務(wù)一定程度上提高了風(fēng)電機組的輸出特性，且取得了不錯的經(jīng)濟(jì)效益[4]。葡萄牙佛洛里斯亞速爾群島的風(fēng)電場應(yīng)用了350 kW的飛輪儲能電池系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合供電，解決了裝機容量達(dá)630 kW的風(fēng)電并網(wǎng)時出現(xiàn)的供電頻率震蕩等不穩(wěn)定問題[5]。

中國對儲能飛輪的研究相較于西方發(fā)達(dá)國家起步較晚，特別是對于儲能飛輪應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的調(diào)頻技術(shù)還處于應(yīng)用實驗階段。但近十年來發(fā)展迅速，相繼有幾十家從事儲能飛輪關(guān)鍵技術(shù)研究工作的機構(gòu)專門從事儲能飛輪技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。清華大學(xué)工程物理系戴興建老師團(tuán)隊研制的基于復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、永磁卸載－機械軸承混合支承60 MJ/1 MW儲能飛輪，已應(yīng)用于中原油田鉆井示范工程。目前正在承擔(dān)科技部項目復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、全主動磁懸浮軸承支承25 MJ/400 kW儲能飛輪關(guān)鍵技術(shù)研究和工程樣機研制工作。北京航空航天大學(xué)房建成院士和山東大學(xué)徐衍亮教授聯(lián)合研發(fā)的衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪和復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、高強度合金鋼轉(zhuǎn)子、全懸浮永磁偏置混合磁軸承儲能飛輪技術(shù)，曾獲得2007年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎。宇航級工程型號產(chǎn)品20 Nms/100 Wh/42 krpm超低功耗高速磁懸浮姿控儲能兩用飛輪和高精度長壽命磁懸浮動量輪，已應(yīng)用于在軌運行8年的實踐9號衛(wèi)星。近期，由FW2550和FW2503兩款飛輪產(chǎn)品搭建了1 WM飛輪陣列儲能系統(tǒng)，并分別在天津和青海風(fēng)光儲能基地進(jìn)行了實驗測試，結(jié)果表明飛輪陣列性能優(yōu)越，完全滿足新能源調(diào)頻需求[6]。海軍工程大學(xué)馬偉明院士團(tuán)隊從2004年開始，致力于120 MJ/50 MW超大功率儲能飛輪研發(fā)，以滿足艦船綜合電力系統(tǒng)短時大功率負(fù)載和電力系統(tǒng)調(diào)峰的需求，所研制的飛輪樣機采用滑動軸承、異步電動/發(fā)電機方案。國內(nèi)最早研究商用飛輪的企業(yè)是北京奇峰聚能科技有限公司，研制的15 kW·h（54 MJ）/300 kW碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、全主動磁懸浮儲能飛輪，2014年應(yīng)用于中海油石油鉆機能量回收工程示范項目。北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)展有限公司2017年研制的單機10.8 MJ/250 kW全主動磁懸浮儲能飛輪產(chǎn)品應(yīng)用于成都格羅方德項目（該項目由于中美貿(mào)易戰(zhàn)擱淺）。華馳動能（北京）科技有限公司2020年研制的144 MJ/40 kW小時級全磁懸浮儲能飛輪產(chǎn)品，已應(yīng)用于海上鉆井平臺的應(yīng)急啟動電源項目，27 MJ/500 kW全磁懸浮儲能飛輪產(chǎn)品已應(yīng)用于天瑞重工飛輪UPS項目，目前正在組裝測試500 kW/125 kW·h產(chǎn)品。

不僅如此，國內(nèi)許多知名院校也相繼參與了對飛輪儲能電池系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻技術(shù)研究。華北電力大學(xué)針對飛輪儲能陣列在風(fēng)電場中的應(yīng)用，采用集中接入形式，按20%配比采用由8個單元組成的飛輪儲能陣列系統(tǒng)對10 MW風(fēng)電輸出功率進(jìn)行平滑仿真，通過系統(tǒng)建模和仿真，結(jié)果表明飛輪儲能陣列系統(tǒng)能有效平滑風(fēng)電功率的快速波動，降低風(fēng)電場輸出功率的波動量在要求范圍以內(nèi)[7]。華中科技大學(xué)提出了一種應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)AGC調(diào)頻的方法，實驗證明減少了大型并網(wǎng)風(fēng)電場輸出功率不穩(wěn)定給電力系統(tǒng)頻率造成的較大影響[8]。華北電力大學(xué)先進(jìn)飛輪儲能技術(shù)研究中心，采用由8臺250 kW/50 kW·h飛輪儲能單元組成的2 MW飛輪儲能陣列，匹配由5臺2 MW風(fēng)電機組組成的10 MW風(fēng)電，所提出的一種考慮功率分配上限和能使各單元荷電狀態(tài)（SOC）趨于一致的功率協(xié)調(diào)控制策略和儲能陣列進(jìn)行分層分組控制方法，通過交流母線并聯(lián)接入到風(fēng)電場的形式來平滑風(fēng)電輸出功率的波動，能顯著降低風(fēng)電輸出的波動量[9]。哈爾濱工程大學(xué)韓永杰等[10]以1.5 MW風(fēng)機平滑輸出為對象，設(shè)計了與之匹配的飛輪儲能總體方案，實現(xiàn)了發(fā)電功率平滑輸出150 kW，最大功率為200 kW。湖南大學(xué)孫春順等[11]利用飛輪儲能輔助風(fēng)電場參與電網(wǎng)的一次頻率控制，得到了較好的效果。山東大學(xué)聯(lián)合國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院提出了一種飛輪儲能系統(tǒng)輔助火電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，采用功率缺額補償和虛擬下垂控制相結(jié)合，達(dá)到飛輪儲能系統(tǒng)和機組出力協(xié)調(diào)配合的協(xié)調(diào)控制策略，可以抑制反調(diào)問題；采用最優(yōu)配置容量和儲能荷電狀態(tài)策略，提高儲能荷電狀態(tài)保持率和延長機組壽命[12]。

3 結(jié)束語

風(fēng)能的隨機性和間歇性導(dǎo)致我國大量風(fēng)力發(fā)電的有效利用率嚴(yán)重受限，造成資源的浪費。國內(nèi)外眾多研究表明，以飛輪儲能技術(shù)為突出代表的儲能技術(shù)輔助風(fēng)電場參與調(diào)頻工作，可有效提高風(fēng)能發(fā)電利用率。此項技術(shù)的研究已在西方發(fā)達(dá)國家部分地區(qū)得以應(yīng)用。雖然我國還處于示范應(yīng)用實驗階段，但是近十年來發(fā)展迅速，相信很快就能突破風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻的技術(shù)難題，大大提高我國風(fēng)力發(fā)電利用率。