飛輪儲能技術在一次調頻系統中的應用研究

廣西國能能源發展有限公司 唐細致

1 引言

飛輪儲能技術作為一種新型電能儲存技術，多年前曾被提出，但由于受到多方面技術壁壘的約束，直到20世紀90年代，該技術出現新的突破。新突破大致可分為三類。一是材料上的突破，伴隨高強度碳素纖維復合材料（抗拉強度高達8.27GPa）的研發，飛輪儲能能源存儲量因此得到顯著提升。二是磁懸浮的技術研究和發展使飛輪轉子能夠在真空狀態下運行，顯著降低摩擦損耗和風損耗，從而提升飛輪轉子的使用效率，延長裝置的使用壽命。三是隨著電力電子技術的飛速發展，IGBT等電子器件對電能進行控制和變換技術的研究及電動/發電機及電力相互轉換技術的突破，為飛輪儲能技術在能源相互轉換方面的發展提供了技術支撐。飛輪儲能技術加入新能源機組一次調頻系統，將調頻期間的有功通過能量的存儲和釋放實現有功控制，通過調節有功輸出實現穩定電網頻率變化。

2 一次調頻的原理及性能要求

2.1 一次調頻原理

新能源（風電場、光伏發電站）場站利用有功控制系統或其他獨立能量控制裝置完成有功—運行頻率下垂特性控制，使控制系統在各個并網點上具備能夠主動進行支撐作用的功能，從而提升電網運行效率，改善設備運行質量。設備檢測到電網運行頻率存在偏差信號發生，利用能量控制系統改變實現對電網運行頻率的控制。其目的是作為消除電網的擾動，需遵循安全與快速的原則。運行頻率與有空之間的相互轉換關系[1]為:

式中：fd為指快速運行頻率響應死區；fN為指系統額定運行頻率；PN為系統的額定功率；δ快速運行頻率響應調差率；P0為系統有用做功功率初值。風電場快速運行頻率響應有用做功-運行頻率下垂特性曲線如圖1所示。

圖1 有用做功-運行頻率下垂特性曲線

由公式（1）可知，當運行頻率降低時，需要增加有用做功輸出，使系統運行頻率恢復標準值；當運行頻率增高時，需要降低有用做功輸出，使系統運行頻率恢復標準值。

2.2 一次調頻性能指標

對于調節目標變化量不低于額定出力10%的運行頻率階躍的擾動，響應的滯后時間作為自運行頻率達到死區至調試開始時間≤2s，響應時間作為自運行頻率達到死區至運行頻率調節達到設定值≥12s，調節時間作為自運行頻率達到死區至有用做功功率穩定≤15s。調頻控制偏差風電場應控制在額定出力的±2%以內，運行頻率測量的分辨率≤0.003Hz，運行頻率采樣周期≤100ms。新能源快速運行頻率響應有用做功控制周期≤1s。

2.3 慣量響應性能及測試要求

當風電機設備能夠正確運轉時有功效率高于20%Pn（Pn 為額定功率），且測試點運行頻率變化較大并大于最大運轉運行頻率（推薦0.3Hz/s）時,風機設備能夠及時相應系統的指令，使設備實現高速運轉。設備有功時間不高于500ms,可用功調節的比例不小于10%Pn 時，設備有功效率恢復正常值，若風速條件允許，有功效率的運行頻率變化范圍不得大于3%Pn，同時慣量響應期間有功效率誤差不得大于±2%Pn。

2.4 一次調頻參數設置方案

一次調頻的參數設置主要包括快速運行頻率的響應死區、快速運行頻率的響應限幅、調差率、高頻燃動下有功功率的下限、低頻擾動下的調節和快速調頻需響應AGC的協調控制。

響應死區設置±0.01Hz，可以根據電網實際要求做調整；運行頻率響應的限幅需要按照不小于10%Pn進行限幅，同時在調整期間不得導致機組脫網或停機；調差率可根據場站實際情況調整，原則上為2%。高頻擾動狀態下，有功功率低于10%Pn時可不再調節。

新能源發電場站，調頻功能需要與AGC控制設備相互配合，將AGC指令值與快速運行頻率相互統一，以實現代數和的相加。同時當電力網絡運行頻率大于50±0.1Hz 時，新能源設備可以快速實現功能響應，并下達關閉AGC反向調節的指令作用。

3 飛輪儲能系統的原理與構成

3.1 系統原理

飛輪儲能系統作為可以進行能量相互轉換的一種現代化裝置設備，即儲能時將電能轉換成在真空狀態下的動能，釋能時，將動能轉換為電能，完成動能與電能的相互轉化，通過物理的轉化方式達到對能源儲備的目的，通過發電與電動可逆式雙向電機的使用，使飛輪實現高速運轉做功，作為能源實現轉化，為設備提供源源不斷的電能，通過其他裝置設備將能源進行調頻或者整流，使其接入其他設備接口，完成能源輸送的動作。整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出過程。

3.2 系統的構成

飛輪儲能系統從結構上主要分為轉子系統、軸承系統和相互轉換能量系統三個部分。

一是轉子系統，轉子為飛輪的旋轉部分，其轉動的動能與轉動的慣量成正比關系，同時轉動慣量與飛輪的直徑的平方和質量成正比關系，即得到公式（2），即：

式中：J為動能；M為飛輪的慣量；R為飛輪的直徑；K的取值取決于飛輪質量的分布情況，從均勻分布到邊緣分布，在0.5～1 間取值。飛輪質量分布均勻時取0.5，質量完全集中在邊緣時取1。

二是軸承系統，軸承與轉子的關系密切相關，用于支撐轉子的運動，軸承的摩擦阻力決定整個系統裝置的損耗情況，飛輪儲能中磁懸浮技術和利用真空技術降低了摩擦阻力，使系統接近于零損耗情況下運行。

三是相互轉換能量系統，飛輪儲能設備中安裝一個內置電機，具備發電機和電動機雙向功能。充電時作為電動機給飛輪裝置加速，達到儲能能量的作用；放電時釋放動能，作為發電機給外部設備進行供電；而當飛輪空閑運轉時，整個裝置則以最小損耗運行。飛輪儲能器中沒有化學活性物質的相互轉換與損耗，旋轉時的飛輪只作為純粹的機械運動，飛輪在轉動時的動能關系如公式（3）所示，即：

式中：J為飛輪的轉動慣量；ω為飛輪旋轉的角速度。

4 飛輪技術在調頻系統中的應用

傳統的調頻技術作為通過調節機組有用功率的增減，限制電網運行頻率的變化，實現電網的穩定運行。其缺點為作為有功功率輸出的浪費及系統響應相對比較慢。而飛輪儲能系統的加入，可實現快速調頻及有功功率輸出利益最大化。飛輪技術應用于調頻系統示意圖如圖2所示。

圖2 飛輪技術應用于調頻系統示意圖

整體結構為整個調頻系統中加入飛輪儲能設備，能量管理系統、風電機組和飛輪儲能系統與單機側儲能系統核心交換機進行連接，實現數據交互。

4.1 系統控制原理

當電網運行頻率超出死區后，場級控制器通過計算將有用做功功率運行頻率響應調節量發送給主控。當場級控制器檢測到電網運行頻率偏高時，PLC 給飛輪儲能系統發送儲能指令，飛輪儲能系統通過AC/DC 雙向逆變器從風機有用做功輸出端吸收有用做功，調節電網運行頻率降低。當場級控制器檢測到電網運行頻率偏低時，PLC 給飛輪儲能系統發送釋放指令，飛輪儲能系統通過AC/DC 雙向逆變器向電網進行饋電，調節電網運行頻率升高。

4.2 整體算法

觸發一次設備具有可使設備調頻數值得以改變的功能，被稱為指風機功率初始值和儲能功率初始值設置功能。此時依照電網運行頻率的變化，借助計算公式，得出有用做功功率的變化量數值，這個數值也被稱為功率變化量。功率變化量通過傳達指令送至主控模塊中，使主控模塊和儲能模塊的數值得以相應改變，最終通過閾值變化得出，風機功率初始值和儲能功率初始值，將二者進行公式運算，得出總和，即得出風機功率給定和儲能功率給定值。

4.3 系統模塊的作用

一是智能電表，用于新能源發電廠并網點電壓、電流、有用做功、無功、功率因素及運行頻率等信息的采集，同時配備完善的故障診斷功能和調試工具，具有高度的穩定性、靈活性、可維護性以及較強的適應性。

二是場級控制器，采用支持能與機組主控建立的毫秒級高速通信私有協議的控制器，能夠實現控制程序計算的毫秒級周期，作為場級能量調度控制和快速運行頻率響應功能實現的核心模塊，承擔核心算法的計算和機組主控高速通信的作用，可以快速計算出全場有用做功功率運行頻率響應調整量傳遞給PLC控制器。

三是PLC控制模塊：用于機組整體控制、運算，通過增加儲能控制邏輯及獲取儲能系統AC/DC雙向逆變器信息與飛輪儲能設備能量信息，實現飛輪儲能設備的充電、放電功能。

4.4 飛輪儲能的優缺點

一是優點，與傳統儲能技術相比，飛輪儲能技術具有壽命長、效率高、穩定性好、較高的功率密度、工作效率高、響應速度快、充放電次數無上限和無污染等優點。

二是缺點，存在能量密度低、可持續時間短，由于軸承的磨損和空氣的阻力，存在一定的自放電等缺點。

三是難點，轉子的設計、磁軸承的設計、功率電子電路需要具備高相互轉換率和高可靠性以及高安全性等特性、需要開發質量輕且安全系數高的設備、機械軸承的備份能夠在軸承失效時具備支撐轉子繼續運行的功能等。

5 結語

飛輪儲能系統應用于一次調頻系統具有重要的作用，降低了電網高頻時的有用做功輸出損失，提高電網運行頻率波動時風機運行的穩定性，減少有用做功輸出在恢復時可能會出現的二次振蕩，同時避免了高頻擾動下，新能源場站有用做功功率低于額定功率10%時無法調節等問題。飛輪儲能系統在新能源領域應用前景也十分廣泛，不僅適用于風電機組調頻系統，同時可應用于新能源機組高低壓穿越中的電壓調節和其他方面。可以加入儲能系統進行研究開發，儲能系統針對分布式電源，在改善電網運行經濟性、優化電力系統運行方式和構建環境友好型電力系統等方面具有參考價值。