飛輪儲能系統(tǒng)在風力發(fā)電調頻中的應用研究

高春輝，劉春暉*，鄭博文，荊麗麗

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

我國可再生能源發(fā)展迅猛的同時，全國范圍內棄風、棄光和棄水現(xiàn)象日益惡化。據(jù)調查顯示，全國棄風電量只在2016年達到497億kW·h，主要集中在經濟不甚發(fā)達的甘肅、內蒙古、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面影響。面臨日益嚴峻的風電消納問題，2019年以來在國家多方組織協(xié)調下，棄光棄風逐步緩和，但長期看增加電力系統(tǒng)的靈活性和可調度性依然任重道遠。導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峰、調頻能力受限。

我國風電場一般建設在遠離負荷中心的區(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)架建設周期通常大于風電場的建設周期，這樣的網(wǎng)源建設不同步性，會限制輸電線路容量。當出現(xiàn)系統(tǒng)的運行狀態(tài)滿足不了對風電的調節(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限電，這造成了能源的極大浪費。目前，雙饋式風機的廣泛應用可緩解系統(tǒng)調峰調頻壓力。不足的是，受風機自身特點的限制，其調節(jié)能力受風速的制約，在有些情況下還是無法充分滿足系統(tǒng)調頻能力的要求，因此可以在系統(tǒng)調頻過程中采用儲能技術同時參與調頻工作。利用儲能技術不僅可以平滑風電場出力的波動性，降低由風電場出力不滿足系統(tǒng)要求而引起的棄風問題，還可以進一步減輕電網(wǎng)調峰、調頻面臨的壓力[1]。目前的儲能方式可分為電化學儲能、電磁儲能和機械儲能等。表1分別對現(xiàn)階段工業(yè)領域中幾種常見的儲能方式進行了比較。

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、適應性強、啟動速度快、無污染、維護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，但由于旋轉電機的最新發(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的飛輪轉子中，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動飛輪高速運轉，完成電能向飛輪動能的轉化；將飛輪維持在一個恒定轉速，放電時降低轉速，根據(jù)負載所需情況確定放電深度，將飛輪動能再轉化為電能提供給負載。

圖1 飛輪儲能電池系統(tǒng)模型結構圖

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，即飛輪轉子中的動能，主要取決于轉子的轉動慣量和角速度，如式（1）所示，即

式中：E是存儲于飛輪轉子中的動能；I是轉子的轉動慣量；ω是轉子的角速度。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)的轉子材料抗拉強度、轉子密度和轉子形狀，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)電機中轉子形狀因子。因此，飛輪儲能電池的儲能能力跟其轉子質量、轉速和形狀都密切相關。目前飛輪儲能電池的轉子材質有2種，分別是高強度鋼材轉子和復合碳纖維材料。在理論上相較于鋼，纖維復合材料制作的飛輪旋轉速度更快，儲存動能更多。然而碳纖維的轉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子材料的較高要求。因此飛輪儲能電池多采取鋼材轉子，雖然鋼轉子相對與碳纖維的轉子的質量較高，但在相對較低的轉速下實現(xiàn)同等儲能。還有在同樣條件下，其細長的轉子和扁平的轉子對儲能的貢獻也存在很大區(qū)別，也是設計的重要因素。尤其對于飛輪儲能電池轉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1 700 MPa。

2 在風力發(fā)電中的應用

在國家提出“碳達峰、碳中和”發(fā)展規(guī)劃目標的同時，以風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之一，其快速的響應能力、壽命長、無公害等特點，特別適用于解決風電并網(wǎng)時風電消納能力的限制問題，提高風力發(fā)電在電網(wǎng)中的利用率，尤其是在風電場中更能表現(xiàn)出不同凡響的一次調頻能力，以“平滑”風力渦輪發(fā)電機產生的輸出功率[2]。李欣然等[3]給出的算例，飛輪儲能電池系統(tǒng)參與風電調頻的能力為水電機組調頻的1.7倍，燃氣機調頻組的2.7倍。因此，一些發(fā)達國家已率先將儲能飛輪應用于風力發(fā)電調頻服務。2011年原Beacon Power公司在美國紐約史蒂芬鎮(zhèn)建設了可以提供20 MW的調頻服務的飛輪儲能電池系統(tǒng)調頻電站。經實踐檢驗，該飛輪儲能電池系統(tǒng)調頻電站同時做到了為當?shù)靥峁┲悄茈娋W(wǎng)的頻率調節(jié)和調峰處理。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公司應用于風力發(fā)電的飛輪儲能電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)所提供的風電調頻服務一定程度上提高了風電機組的輸出特性，且取得了不錯的經濟效益[4]。葡萄牙佛洛里斯亞速爾群島的風電場應用了350 kW的飛輪儲能電池系統(tǒng)進行聯(lián)合供電，解決了裝機容量達630 kW的風電并網(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)達國家起步較晚，特別是對于儲能飛輪應用于風力發(fā)電的調頻技術還處于應用實驗階段。但近十年來發(fā)展迅速，相繼有幾十家從事儲能飛輪關鍵技術研究工作的機構專門從事儲能飛輪技術的研發(fā)和應用。清華大學工程物理系戴興建老師團隊研制的基于復合材料轉子、永磁卸載－機械軸承混合支承60 MJ/1 MW儲能飛輪，已應用于中原油田鉆井示范工程。目前正在承擔科技部項目復合材料轉子、全主動磁懸浮軸承支承25 MJ/400 kW儲能飛輪關鍵技術研究和工程樣機研制工作。北京航空航天大學房建成院士和山東大學徐衍亮教授聯(lián)合研發(fā)的衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪和復合材料轉子、高強度合金鋼轉子、全懸浮永磁偏置混合磁軸承儲能飛輪技術，曾獲得2007年度國家技術發(fā)明一等獎。宇航級工程型號產品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光儲能基地進行了實驗測試，結果表明飛輪陣列性能優(yōu)越，完全滿足新能源調頻需求[6]。海軍工程大學馬偉明院士團隊從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)短時大功率負載和電力系統(tǒng)調峰的需求，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碳纖維復合材料轉子、全主動磁懸浮儲能飛輪，2014年應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品應用于成都格羅方德項目（該項目由于中美貿易戰(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品，已應用于海上鉆井平臺的應急啟動電源項目，27 MJ/500 kW全磁懸浮儲能飛輪產品已應用于天瑞重工飛輪UPS項目，目前正在組裝測試500 kW/125 kW·h產品。

不僅如此，國內許多知名院校也相繼參與了對飛輪儲能電池系統(tǒng)應用于風力發(fā)電調頻技術研究。華北電力大學針對飛輪儲能陣列在風電場中的應用，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風電輸出功率進行平滑仿真，通過系統(tǒng)建模和仿真，結果表明飛輪儲能陣列系統(tǒng)能有效平滑風電功率的快速波動，降低風電場輸出功率的波動量在要求范圍以內[7]。華中科技大學提出了一種應用飛輪儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)AGC調頻的方法，實驗證明減少了大型并網(wǎng)風電場輸出功率不穩(wěn)定給電力系統(tǒng)頻率造成的較大影響[8]。華北電力大學先進飛輪儲能技術研究中心，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風電機組組成的10 MW風電，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)調控制策略和儲能陣列進行分層分組控制方法，通過交流母線并聯(lián)接入到風電場的形式來平滑風電輸出功率的波動，能顯著降低風電輸出的波動量[9]。哈爾濱工程大學韓永杰等[10]以1.5 MW風機平滑輸出為對象，設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。湖南大學孫春順等[11]利用飛輪儲能輔助風電場參與電網(wǎng)的一次頻率控制，得到了較好的效果。山東大學聯(lián)合國網(wǎng)山東省電力公司電力科學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)一次調頻，采用功率缺額補償和虛擬下垂控制相結合，達到飛輪儲能系統(tǒng)和機組出力協(xié)調配合的協(xié)調控制策略，可以抑制反調問題；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 結束語

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