4月24-26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月25日下午的“儲能電站與技術(shù)應(yīng)用(三)”專場，華北電力大學(xué)先進飛輪儲能研究中心副主任張強在會上分享了主題報告《飛輪儲能在電網(wǎng)調(diào)頻中的工程應(yīng)用》，以下為演講實錄：

張強：今天下午很高興利用這個機會跟大家討論一下飛輪儲能在電網(wǎng)調(diào)頻中的工程應(yīng)用。我的報告分五個部分，電網(wǎng)調(diào)頻的必要性、電網(wǎng)調(diào)頻技術(shù)現(xiàn)狀、飛輪儲能調(diào)頻技術(shù)、飛輪儲能工程應(yīng)用案例以及貝肯新能源在這方面的技術(shù)優(yōu)勢。

提高電能質(zhì)量是電網(wǎng)的主要任務(wù)。任何時刻，發(fā)電與供電應(yīng)保持平衡，頻率需要保持一定值。發(fā)電和供電之間不平衡，頻率出現(xiàn)偏差，就會對用戶設(shè)備、發(fā)電設(shè)備不利，將會影響產(chǎn)品質(zhì)量及我們的生活質(zhì)量。隨著環(huán)境污染的加大，氣候變化，使得發(fā)展新能源成為能源發(fā)展必然趨勢。截至2018年底，我國發(fā)電裝機容量約為19億千瓦，清潔能源占到3.5萬千瓦，風電是1.8億千瓦，太陽能是1.7億千瓦，清潔能源占到40%;到2030年這個比例將提高到58%,到2050年清潔能源發(fā)電要占到86%。像風電、太陽能這些新能源有一個特點，就是它的間斷性和不穩(wěn)定性;大量這種新能源的加入使得電力系統(tǒng)慣量降低，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力下降，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題就會變得突出。加之，大量的新能源電動汽車充電負荷也加重了電網(wǎng)的調(diào)節(jié)難度。在這種狀況下，我們要建設(shè)智能電網(wǎng)，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，就急需優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源(儲能)參與電網(wǎng)，維持電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。

我國電網(wǎng)對調(diào)頻的需求量很大，但目前優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源缺乏，水電占比20%，受到季節(jié)性影響;抽水蓄能占總裝機容量的1.6%，建設(shè)周期長，涉及到選址及成本疏導(dǎo)的問題。目前主要依靠火電機組實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)頻;但是火電機組調(diào)頻存在一定問題，主要表現(xiàn)為調(diào)節(jié)延遲、超調(diào)、欠調(diào)、調(diào)節(jié)反向、單向調(diào)節(jié)的問題;同時增加機組的磨損和故障率，降低機組的壽命和性能。我們知道，火電機組運行在額定負荷時，效率最高，煤耗最低，當運行在50%的額定負荷時，煤耗是額定負荷時的1.09-1.16倍;當火電機組運行在50%以下負荷時，還影響到環(huán)保設(shè)施的投入，SCR因溫度低而停運。

最近幾年，國家也出臺了一系列關(guān)于調(diào)頻輔助服務(wù)政策。已建和在建的化學(xué)儲能電網(wǎng)調(diào)頻項目達到30多個。這個容量相比電網(wǎng)調(diào)頻需求還是很小的。這些化學(xué)儲能調(diào)頻項目經(jīng)過一段時間的運行，存在一些問題，主要表現(xiàn)在化學(xué)電池的安全性問題，國家政策的不確定性和不連續(xù)性，以及儲能電站運營模式的問題。我們今天討論的飛輪儲能可從技術(shù)方面有一定改善。

飛輪儲能是一種物理儲能方式，以動能形式把能量儲存起來。飛輪儲能分為兩個工作模式，一個是充電模式，一個是放電模式。充電模式就是飛輪工作在電動機狀態(tài)，放電模式是飛輪工作在發(fā)電機狀態(tài)。它既是發(fā)電機又是電動機。飛輪儲能系統(tǒng)是一個集成的系統(tǒng)，主要包括飛輪轉(zhuǎn)子、支撐軸承、高速電機、雙向變流器和真空室。

飛輪儲能，對于轉(zhuǎn)子是圓柱體的飛輪，它的動能跟質(zhì)量成正比，跟轉(zhuǎn)速成反比。質(zhì)量越大，轉(zhuǎn)速越高，儲能量就越大。整個系統(tǒng)涉及到磁懸浮技術(shù)、真空技術(shù)、動平衡技術(shù)、冷卻技術(shù)、控制技術(shù)。


飛輪儲能具有高頻次瞬間精準放電的能力。它應(yīng)用在電網(wǎng)調(diào)頻方面有幾個方面的優(yōu)勢。第一，安全性比較好，沒有燃燒和爆炸的風險，在電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用中將其放置于地下。第二，環(huán)保性比較好，沒有危險化學(xué)物的處理和回收問題;第三，壽命長達20多年，這個時間和發(fā)電機組運用運營時間基本相當，對于電網(wǎng)的調(diào)頻來講，有很大的優(yōu)勢。第四，它具有深度充放電能力，幾乎可以達到100%;充放電次數(shù)可以達到100萬次以上。另外，調(diào)頻性能高，只需要數(shù)毫秒就可以達到精確的放電要求。

下面對主要性能做一個詳細介紹。

第一，談?wù)勶w輪的性能與投資。我們把20年作為一個生命周期，在整個生命周期里面，飛輪儲能不存在能量衰減的問題;化學(xué)電池壽命是飛輪的大約20%;飛輪可以達到20年以上的壽命;整個生命周期飛輪無需替換;從整個生命周期看，飛輪的投資是比較低的。

第二個特點，飛輪儲能的安全性，它是一種機械儲能，固有特性就是安全性比較好。在美國飛輪儲能電網(wǎng)調(diào)頻電站具有連續(xù)十年安全運行的驗證。相對于化學(xué)電池，有燃燒和爆炸的風險，而且，隨著運行時間的增長，安全性更加突出。截至2019年2月，韓國就發(fā)生化學(xué)電池起火事件21起，美國也出現(xiàn)了2起這種事故，我們國家也出現(xiàn)過不同程度的化學(xué)電池火災(zāi)問題。


第三，談?wù)勶w輪儲能使用壽命及調(diào)頻性能。

這是美國一個公司做的飛輪儲能和鋰電池儲能在調(diào)頻方面的一個比較。結(jié)果顯示如果放電深度從20%提高到40%，電池壽命將會從10年降低到2.25年，而對飛輪影響不大;從此圖還可以得出同樣功率裝機，飛輪儲能調(diào)頻作用是鋰電池儲能的2-4倍。

飛輪儲能電網(wǎng)調(diào)頻項目，對于MW級以上的比較大項目，主要由美國的Beacon Power和加拿大的Temporal Power兩個公司做的。美國的Beacon Power有兩個調(diào)頻電站，一個是建于美國紐約州，一個是賓夕法尼亞州，容量為20MW。這兩個電站運行近十年，它的經(jīng)濟效益也是比較好的。

加拿大的Temporal Power，第一個項目是2014年建成的，至今已經(jīng)連續(xù)運行5年，建在加拿大多倫多地區(qū)Minto鎮(zhèn)，容量為2MW，用于獨立調(diào)頻。第二個項目建在加拿大安大略省圭爾夫，設(shè)計容量5MW，服務(wù)于當?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)頻;這個項目在2018年3月份做了檢測，檢測結(jié)果里面有幾個結(jié)論：系統(tǒng)響應(yīng)時間小于一秒，爬坡速率為每分鐘6500MW-12000MW，巔峰功率輸出大于6.5MW，轉(zhuǎn)換效率是88.4%。第三個項目建在加勒比海阿魯巴島，設(shè)計容量為10MW飛輪儲能項目，用于服務(wù)全島電力。這個就是他們施工中的圖片，包括單體飛輪。每一個飛輪單體挖一個坑放在這個里面，這樣做是比較安全的。

下來講一下貝肯新能源的技術(shù)優(yōu)勢，貝肯新能源以華北電力大學(xué)先進飛輪儲能研究中心為技術(shù)依托。并在2018年全資收購了加拿大Temporal Power飛輪儲能公司，通過收購，能夠加快實現(xiàn)中國飛輪儲能國產(chǎn)化進程。這樣國外公司的技術(shù)包括核心團隊成員都被吸納進來，形成一個適合中國電網(wǎng)的調(diào)頻技術(shù)公司。

下面看一下它的技術(shù)參數(shù)。我們商業(yè)化產(chǎn)品有100KW、250KW和500KW三個規(guī)格，響應(yīng)時間小于十個毫秒，輸入電壓是480Vac，輸出頻率是50Hz-60Hz;升降軸承采用磁懸浮軸承，全程效率大于85%。目前用于電網(wǎng)調(diào)頻的主要250KW和500KW兩個型號;放電時間是6-15分鐘，特別適合于做電網(wǎng)調(diào)頻。我們正在研發(fā)1MW的單體飛輪，如果用1MW的單體飛輪來做電網(wǎng)調(diào)頻那就有無可比擬的優(yōu)勢。

工程應(yīng)用場景里面包括以下幾個方面，獨立調(diào)頻，與火電機組的聯(lián)合調(diào)頻，與太陽能發(fā)電和風力發(fā)電聯(lián)合調(diào)頻，另外，飛輪儲能和電池儲能結(jié)合起來的混合儲能聯(lián)合調(diào)頻調(diào)峰。

這個圖就是它用在傳統(tǒng)的火力發(fā)電和新能源發(fā)電調(diào)頻方面的優(yōu)勢。這里特別要講的，飛輪儲能和電池儲能結(jié)合起來，形成混合儲能，在調(diào)頻應(yīng)用中，將調(diào)頻拆解，有高頻需求和低頻需求，高頻需求由飛輪儲能承擔，低頻需求由飛輪電池系統(tǒng)承擔，充分發(fā)揮飛輪儲能的功率優(yōu)勢和電池儲能的能量優(yōu)勢。提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性，尤其對光伏發(fā)電、風力發(fā)電輸出功率波動的平抑，在電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰輔助服務(wù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

我們主要目標是提供一個系統(tǒng)解決方案，具體提供技術(shù)支持，主要設(shè)備以及后期運行與維護。

最后做一個總結(jié)。飛輪儲能電網(wǎng)調(diào)頻是目前電網(wǎng)調(diào)頻效率最高和最靈活的方式。它具有優(yōu)良的安全性、環(huán)保性及調(diào)頻性能，壽命長達20多年，具有良好的經(jīng)濟性。同時可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，降低它的成本。謝謝大家!