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

張強(qiáng)：今天下午很高興利用這個(gè)機(jī)會(huì)跟大家討論一下飛輪儲(chǔ)能在電網(wǎng)調(diào)頻中的工程應(yīng)用。我的報(bào)告分五個(gè)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(chǔ)能調(diào)頻技術(shù)、飛輪儲(chǔ)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(shì)。

提高電能質(zhì)量是電網(wǎng)的主要任務(wù)。任何時(shí)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(huì)對(duì)用戶設(shè)備、發(fā)電設(shè)備不利，將會(huì)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(shì)。截至2018年底，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量約為19億千瓦，清潔能源占到3.5萬(wàn)千瓦，風(fēng)電是1.8億千瓦，太陽(yáng)能是1.7億千瓦，清潔能源占到40%;到2030年這個(gè)比例將提高到58%,到2050年清潔能源發(fā)電要占到86%。像風(fēng)電、太陽(yáng)能這些新能源有一個(gè)特點(diǎn)，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(wèn)題就會(huì)變得突出。加之，大量的新能源電動(dòng)汽車充電負(fù)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(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，就急需優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源(儲(chǔ)能)參與電網(wǎng)，維持電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。

我國(guó)電網(wǎng)對(duì)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(jī)容量的1.6%，建設(shè)周期長(zhǎng)，涉及到選址及成本疏導(dǎo)的問(wèn)題。目前主要依靠火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)頻;但是火電機(jī)組調(diào)頻存在一定問(wèn)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(wèn)題;同時(shí)增加機(jī)組的磨損和故障率，降低機(jī)組的壽命和性能。我們知道，火電機(jī)組運(yùn)行在額定負(fù)荷時(shí)，效率最高，煤耗最低，當(dāng)運(yùn)行在50%的額定負(fù)荷時(shí)，煤耗是額定負(fù)荷時(shí)的1.09-1.16倍;當(dāng)火電機(jī)組運(yùn)行在50%以下負(fù)荷時(shí)，還影響到環(huán)保設(shè)施的投入，SCR因溫度低而停運(yùn)。

最近幾年，國(guó)家也出臺(tái)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(chǔ)能電網(wǎng)調(diào)頻項(xiàng)目達(dá)到30多個(gè)。這個(gè)容量相比電網(wǎng)調(diào)頻需求還是很小的。這些化學(xué)儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在化學(xué)電池的安全性問(wèn)題，國(guó)家政策的不確定性和不連續(xù)性，以及儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)模式的問(wèn)題。我們今天討論的飛輪儲(chǔ)能可從技術(shù)方面有一定改善。

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

飛輪儲(chǔ)能，對(duì)于轉(zhuǎn)子是圓柱體的飛輪，它的動(dòng)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(chǔ)能量就越大。整個(gè)系統(tǒng)涉及到磁懸浮技術(shù)、真空技術(shù)、動(dòng)平衡技術(shù)、冷卻技術(shù)、控制技術(shù)。


飛輪儲(chǔ)能具有高頻次瞬間精準(zhǔn)放電的能力。它應(yīng)用在電網(wǎng)調(diào)頻方面有幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。第一，安全性比較好，沒(méi)有燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，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(méi)有危險(xiǎn)化學(xué)物的處理和回收問(wèn)題;第三，壽命長(zhǎng)達(dá)20多年，這個(gè)時(shí)間和發(fā)電機(jī)組運(yùn)用運(yùn)營(yíng)時(shí)間基本相當(dāng)，對(duì)于電網(wǎng)的調(diào)頻來(lái)講，有很大的優(yōu)勢(shì)。第四，它具有深度充放電能力，幾乎可以達(dá)到100%;充放電次數(shù)可以達(dá)到100萬(wàn)次以上。另外，調(diào)頻性能高，只需要數(shù)毫秒就可以達(dá)到精確的放電要求。

下面對(duì)主要性能做一個(gè)詳細(xì)介紹。

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

第二個(gè)特點(diǎn)，飛輪儲(chǔ)能的安全性，它是一種機(jī)械儲(chǔ)能，固有特性就是安全性比較好。在美國(guó)飛輪儲(chǔ)能電網(wǎng)調(diào)頻電站具有連續(xù)十年安全運(yùn)行的驗(yàn)證。相對(duì)于化學(xué)電池，有燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，而且，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，安全性更加突出。截至2019年2月，韓國(guó)就發(fā)生化學(xué)電池起火事件21起，美國(guó)也出現(xiàn)了2起這種事故，我們國(guó)家也出現(xiàn)過(guò)不同程度的化學(xué)電池火災(zāi)問(wèn)題。


第三，談?wù)勶w輪儲(chǔ)能使用壽命及調(diào)頻性能。

這是美國(guó)一個(gè)公司做的飛輪儲(chǔ)能和鋰電池儲(chǔ)能在調(diào)頻方面的一個(gè)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(huì)從10年降低到2.25年，而對(duì)飛輪影響不大;從此圖還可以得出同樣功率裝機(jī)，飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻作用是鋰電池儲(chǔ)能的2-4倍。

飛輪儲(chǔ)能電網(wǎng)調(diào)頻項(xiàng)目，對(duì)于MW級(jí)以上的比較大項(xiàng)目，主要由美國(guó)的Beacon Power和加拿大的Temporal Power兩個(gè)公司做的。美國(guó)的Beacon Power有兩個(gè)調(diào)頻電站，一個(gè)是建于美國(guó)紐約州，一個(gè)是賓夕法尼亞州，容量為20MW。這兩個(gè)電站運(yùn)行近十年，它的經(jīng)濟(jì)效益也是比較好的。

加拿大的Temporal Power，第一個(gè)項(xiàng)目是2014年建成的，至今已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行5年，建在加拿大多倫多地區(qū)Minto鎮(zhèn)，容量為2MW，用于獨(dú)立調(diào)頻。第二個(gè)項(xiàng)目建在加拿大安大略省圭爾夫，設(shè)計(jì)容量5MW，服務(wù)于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)頻;這個(gè)項(xiàng)目在2018年3月份做了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果里面有幾個(gè)結(jié)論：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)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(gè)項(xiàng)目建在加勒比海阿魯巴島，設(shè)計(jì)容量為10MW飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，用于服務(wù)全島電力。這個(gè)就是他們施工中的圖片，包括單體飛輪。每一個(gè)飛輪單體挖一個(gè)坑放在這個(gè)里面，這樣做是比較安全的。

下來(lái)講一下貝肯新能源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，貝肯新能源以華北電力大學(xué)先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能研究中心為技術(shù)依托。并在2018年全資收購(gòu)了加拿大Temporal Power飛輪儲(chǔ)能公司，通過(guò)收購(gòu)，能夠加快實(shí)現(xiàn)中國(guó)飛輪儲(chǔ)能國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。這樣國(guó)外公司的技術(shù)包括核心團(tuán)隊(duì)成員都被吸納進(jìn)來(lái)，形成一個(gè)適合中國(guó)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(gè)規(guī)格，響應(yīng)時(shí)間小于十個(gè)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(gè)型號(hào);放電時(shí)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(lái)做電網(wǎng)調(diào)頻那就有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

工程應(yīng)用場(chǎng)景里面包括以下幾個(gè)方面，獨(dú)立調(diào)頻，與火電機(jī)組的聯(lián)合調(diào)頻，與太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合調(diào)頻，另外，飛輪儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能結(jié)合起來(lái)的混合儲(chǔ)能聯(lián)合調(diào)頻調(diào)峰。

這個(gè)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(shì)。這里特別要講的，飛輪儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能結(jié)合起來(lái)，形成混合儲(chǔ)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(chǔ)能承擔(dān)，低頻需求由飛輪電池系統(tǒng)承擔(dān)，充分發(fā)揮飛輪儲(chǔ)能的功率優(yōu)勢(shì)和電池儲(chǔ)能的能量?jī)?yōu)勢(shì)。提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性，尤其對(duì)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電輸出功率波動(dòng)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(biāo)是提供一個(gè)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(yùn)行與維護(hù)。

最后做一個(gè)總結(jié)。飛輪儲(chǔ)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(zhǎng)達(dá)20多年，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，降低它的成本。謝謝大家!