2018年底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，新能源發(fā)電裝機首超水電，躍居我國第二大發(fā)電形式，但新能源本身固有的隨機性和波動性對電網(wǎng)的穩(wěn)定帶來了挑戰(zhàn)，并且新能源機組對電網(wǎng)調峰、調頻的貢獻可以忽略不計。建設一定規(guī)模以飛輪儲能為代表的電網(wǎng)級靈活調節(jié)資源是應對這一挑戰(zhàn)的途徑之一，飛輪儲能的工程價值則通過調頻輔助服務市場等典型應用場景得以體現(xiàn)。本文通過對近年來飛輪儲能工程項目進展情況的跟蹤，介紹了飛輪儲能技術的主要子系統(tǒng)及各大公司和研究機構的技術路線，歸納出飛輪儲能在電力系統(tǒng)的工程應用主要包括電網(wǎng)調頻、新能源消納和微電網(wǎng)支撐等，應用于新能源消納時飛輪儲能有平滑出力和無功補償?shù)榷喾N工作模式，可以彌補新能源發(fā)電的不確定性。但與功率型電池儲能技術相比，制約飛輪儲能技術大規(guī)模應用的瓶頸在于初始投資成本過高，電網(wǎng)級飛輪儲能技術的發(fā)展方向應為更高的性價比，這樣才能獲得應有的市場份額。
關鍵詞： 飛輪儲能；工程應用；二次調頻；無功補償
最近十年來，新能源發(fā)電迅猛增長，到2018年底，新能源發(fā)電以18.89%的滲透率，躍居我國第二大發(fā)電形式。但新能源發(fā)電本身難以調峰調頻，需要配套其他靈活電源為其服務，如西北地區(qū)就采取基于風火打捆或光火打捆的直流特高壓外送方式。一方面特高壓輸電一定程度上解決了送電電網(wǎng)新能源消納的問題，但同時也對受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)，如2018年3月21日直流閉鎖導致巴西特大停電事故，2015年9月錦蘇直流特高壓線路發(fā)生閉鎖故障，導致電網(wǎng)頻率最大波動達0.44 Hz。限于我國靈活調節(jié)機組的占比有限，燃煤機組不得不扛起深度調峰和電網(wǎng)調頻的重任，但深度調峰時機組最主要的矛盾是燃燒穩(wěn)定性，這與調頻發(fā)生沖突，如何解決這一系列的問題對于電網(wǎng)調度部門和電源側來說尤為重要。
國外發(fā)達國家的電源結構比較合理，靈活電源占比較大，電網(wǎng)穩(wěn)定性較高，電能質量較好，如同樣采用頻率合格率指標，澳大利亞要求網(wǎng)頻波動超過0.1 Hz的時間不大于1%，而我國在2008版電能質量國標中規(guī)定，網(wǎng)頻波動超過0.2 Hz的時間不能大于2%，我國電能質量仍有提高的空間。目前，發(fā)達國家電網(wǎng)主要通過建立并完善輔助服務市場制度來靈活配置儲能資源，也包括少部分有償攤派，如西班牙、英國、德國、北歐、澳大利亞、美國中大西洋電力市場（Pennsylvania-New Jersey-Maryland，PJM）和美國新英格蘭等國家或地區(qū)的電力市場。除了輔助服務市場化程度更高，國外機組的參數(shù)設置也與國內不同。如我國早期從德國進口的機組其一次調頻參數(shù)原設計為不帶調頻死區(qū)也不帶限幅，日本的機組與德國類似，這與我國既帶調頻死區(qū)也帶調頻限幅的情況迥然不同。
2006年11月，國家能源局前身電監(jiān)會印發(fā)了《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理規(guī)定》和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理暫行辦法》（簡稱“兩個細則”），兩個細則開啟了我國電力輔助服務補償機制建設的前期探索。此后各地陸續(xù)制定了本區(qū)域的兩個細則，對提供輔助服務的發(fā)電機組給予一定的經(jīng)濟補償。2017年10月，山西能監(jiān)辦印發(fā)《山西電力調頻輔助服務市場運營細則》，率先建立了以機組競標調頻里程、按調頻性能高低補償機組為特點的省級早期調頻輔助服務市場，雖然調頻里程的報價范圍在不斷變化，但細則的主要內容沿用至今，促成了最早一批電池儲能調頻項目的商運。2018年8月，南方能監(jiān)局印發(fā)《廣東調頻輔助服務市場交易規(guī)則（試行）》，在調頻里程補償之外加入容量補償并采用新的性能計算公式，該政策發(fā)布后廣東成為目前電池儲能調頻項目最活躍的區(qū)域。2019年4月，華北能監(jiān)局印發(fā)《蒙西電力市場調頻輔助服務交易實施細則》征求意見稿，在籌建電力現(xiàn)貨市場的同時兼顧調頻輔助服務市場。2018年12月西北能監(jiān)局印發(fā)《西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》，該細則將一、二次調頻都作為有償服務，以此克服發(fā)電機組調頻性能參差不齊的問題。總體上看，通過建立輔助服務市場制度激勵發(fā)電側主動提高性能指標獲取收益拉動了儲能技術的進步，在政策的激勵下，山西、廣東和蒙西電網(wǎng)先后出現(xiàn)利用電池儲能技術輔助燃煤機組聯(lián)合調頻的商業(yè)模式。但鑒于儲能調頻技術的普及度仍不夠高，依然面臨著政策缺乏遞進性、技術水平不夠高、標準體系滯后等風險，需要對飛輪儲能在電力系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀進行系統(tǒng)的研究，揭示傳統(tǒng)機組的性能局限及飛輪儲能的應用價值，以便更好地發(fā)展儲能技術，建成符合國情的智能堅強電網(wǎng)。
1 飛輪儲能系統(tǒng)基本結構
國外對于飛輪儲能的研究開展較早，我國起步較晚，始于二十世紀九十年代。飛輪儲能系統(tǒng)主要由轉子、支承系統(tǒng)、真空與冷卻系統(tǒng)、電機、儲能變流器（power convertion system，PCS）構成，電機和PCS的選擇相對比較方便，基本上都有貨架產品，永磁電機、感應電機均可使用，感應電機技術成熟成本可控，是降低飛輪系統(tǒng)成本的首選，ABB、Emerson、Danfoss/Vacon等均有飛輪PCS出售。而轉子、支承系統(tǒng)、真空與冷卻系統(tǒng)的設計則千差萬別。根據(jù)公開資料整理出國內外主要飛輪制造商和研究機構的產品技術指標如表1所示。
表1 國內外主要飛輪產品歸納
1.1 轉 子
轉子方面，在有電網(wǎng)儲能飛輪產品的公司中，美國Beacon Power（被RGA LabsInc.收購）、KTSi公司（被石家莊盾石磁能科技有限責任公司收購）采用復合材料飛輪，加拿大Temporal Power（被天津貝肯新能源有限公司收購）、美國Amber Kinetics公司采用鋼制轉子，美國Swater Flow Group公司（與大連亨利科技有限公司合作）既使用復合材料飛輪，也有鋼制飛輪。目前正在開發(fā)電網(wǎng)儲能飛輪產品的機構中，北京泓慧國際能源技術發(fā)展有限公司、美國VYCON（與沈陽微控新能源技術有限公司合作）公司也采用鋼制飛輪，清華大學飛輪儲能技術團隊對復合材料飛輪和鋼制飛輪均有研究，2018年作為牽頭單位承擔國家重點研發(fā)項目“MW級先進飛輪儲能關鍵技術硏究”。
1.2 支承系統(tǒng)
支承系統(tǒng)方面，機械軸承、永磁軸承和電磁軸承得到商業(yè)化應用，超導磁軸承目前成本太高。機械軸承技術成熟，成本相對較低，但允許的運行轉速較低。電磁軸承的優(yōu)點為：無機械接觸、無磨損；無須潤滑密封、可在任意介質中運行；轉子動態(tài)性能可控。電磁軸承的缺點為：電磁鐵會飽和，承載能力有限，幾乎無過載能力；受驅動功率限制，電磁力擺率有限；存在失電墜落風險；主動控制電磁力消耗能量。永磁軸承多用于軸向，起到卸載轉子重力的作用。Beacon Power采用軸向永磁軸承+徑向機械軸承的方案；KTSi采用軸向針式寶石軸承+徑向永磁軸承來支撐飛輪；Temporal Power則采用軸向永磁軸承+徑向機械軸承的設計；Amber Kinetics采用軸向電磁軸承+徑向機械軸承；Swater Flow Group采用軸向混合磁軸承+徑向機械軸承；北京泓慧國際能源技術發(fā)展有限公司和VYCON均使用軸向電磁軸承+徑向電磁軸承控制飛輪軸向和徑向振動。
浙江大學采用軸向永磁軸承+徑向電磁軸承的方案，推導了永磁軸承徑向干擾力的解析式，提出了基于修正參數(shù)零力控制算法的電磁軸承控制方法，來抑制飛輪轉子系統(tǒng)的干擾力，取得了較好的控制效果。江蘇大學提出了徑向永磁軸承+軸向永磁軸承+三自由度混合磁軸承組支承方案。清華大學提出鎧裝永磁軸承設計方法，磁環(huán)采用扇形磁瓦拼接，工作間隙附近，磁力與間隙關系近似線性化，磁軛面積約是磁環(huán)面積2倍時，軸承吸力最大。文獻采用磁軛內嵌永磁環(huán)，永磁環(huán)與導磁靜環(huán)、動環(huán)轉子形成閉合磁路，永磁軸承動環(huán)為40Cr鋼，在氣隙為2 mm時，吸力約為10802 N。文獻設計了一種雙永磁靜環(huán)與導磁動環(huán)組成的新型軸向永磁軸承，可適應500 r/s、200 ℃工況。浙江工業(yè)大學提出軸向永磁軸承+軸向電磁軸承+徑向電磁軸承的設計。
1.3 真空與冷卻
真空與冷卻系統(tǒng)方面，不同用途的飛輪冷卻需求大相徑庭，總的來說放電功率越大（一般應大于100 kW)、大功率放電時間越長（一般應大于5 min），冷卻需求越大。Beacon Power的飛輪能以100 kW放電15 min，采用熱管將飛輪產生的熱量傳遞到散熱器，保證飛輪正常工作；KTSi對飛輪永磁電機定子進行水冷；Temporal Power飛輪能以500 kW放電6 min，采用電機定子水冷，軸承和轉子油冷的冷卻方式，在轉子下方有一個巨大的冷卻罐；Amber Kinetics的飛輪能放電4 h，但功率為8 kW，因此采用被動風冷自然冷卻即可；北京泓慧國際能源技術發(fā)展有限公司和VYCON的現(xiàn)有產品基本均為柜式不間斷電源，放電時間為秒級，冷卻需求不大，VYCON通過強化轉子輻射散熱、增大飛輪殼體肋片散熱面積并采用風冷從外殼帶走飛輪的熱量。清華大學在“飛輪儲能用于鉆機起升系統(tǒng)能量回收與利用方法”項目中采用充氦氣強化轉子與外殼換熱的方法，氦氣壓力與大氣壓相等。
1.4 飛輪儲能控制策略
調頻用飛輪有充電、放電兩種工作狀態(tài)：充電時，PCS驅動電機，使飛輪轉速增加，電能轉化為機械能，完成充電過程；放電時，PCS將儲能裝置出力轉化成與電網(wǎng)頻率一致的交流電送入電網(wǎng)，機械能向電能轉化，進行能量輸出。因此，飛輪可以作為負荷從電網(wǎng)充電，又可以向電網(wǎng)放電，具有雙向調節(jié)能力。
調頻控制過程：對于聯(lián)合調頻，電網(wǎng)調度中心發(fā)送自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）指令到電廠遠動裝置（remote terminal units，RTU），RTU轉發(fā)AGC指令至飛輪儲能主單元和電廠分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS)，對AGC信號進行巴特沃斯低通濾波處理后得到火電參考功率，AGC總功率減去火電應發(fā)功率后得到飛輪陣列總功率，陣列中的每一個飛輪對功率進行分攤，完成調頻過程。儲能系統(tǒng)并網(wǎng)后需要將機組出力與儲能系統(tǒng)出力進行合并,并將合并后的出力信號上傳電網(wǎng)，作為AGC考核依據(jù)。獨立調頻電站直接接受電網(wǎng)AGC指令調度，能代替目前調頻機組的功能，可以布置在新能源場站附近。
以一階巴特沃斯低通濾波器為例，其傳遞函數(shù)如式(1)所示，ωc為截至頻率，T為采樣時間。
(1)
由塔斯廷（Tustin）近似可將式(1)離散為式(2)并整理出式(3)、式(4)，利用式(4)可以對AGC信號進行高低頻分解。
2 飛輪儲能在電力系統(tǒng)的工程應用
2.1 電網(wǎng)調頻
安全可靠的電網(wǎng)運行要求在任意時刻平衡電力供應和電力需求。當供過于求時，頻率上升到50 Hz以上，燒毀用電設備，當供不應求時，頻率下降到50 Hz以下。為了將電網(wǎng)頻率保持在合理的范圍內，電網(wǎng)運營商使用輔助服務來平衡發(fā)電與用電的偏差。
一次調頻是指根據(jù)用電負荷頻率響應特性，以及電源側調速器的作用，來削弱電網(wǎng)頻率波動的調節(jié)方式。
用電負荷頻率響應特性：電網(wǎng)中的用電設備耗功與頻率的一、二、三次方甚至高次方成正比，當頻率升高時耗功增加，反之則耗功減少。
電源側調速器的作用：從汽輪機原理中可以知道，汽輪機的靜特性可用一條向下傾斜的曲線來描述，即并列運行的機組，當系統(tǒng)頻率下降時，汽輪機的輸出功率會有所增加。
因此負荷頻率響應特性曲線與汽輪機靜特性線必然交于一點，交點的頻率和功率即為發(fā)用電平衡時的頻率和功率。一次調頻就是負荷頻率響應特性曲線移動時汽輪機靜特性線不動的調節(jié)方式。但由于只移動了一條曲線因此交點必然移動，電網(wǎng)頻率必然變化，想要保持頻率不變必須移動汽輪機靜特性線，這就是二次調頻。但二次調頻不能保證全網(wǎng)機組的最佳經(jīng)濟運行，可能有個別機組煤耗偏高，需要由三次調頻的經(jīng)濟調度來解決，本文只討論一、二次調頻。
電網(wǎng)每年對輔助服務的需求相對比較穩(wěn)定，在美國大約相當于每日峰值發(fā)電量的1%。由于風電和光伏的快速增長，輔助服務需求的增長將快于總體電力增長。與提供輔助服務的火力發(fā)電機組不同，飛輪儲能技術無需化石燃料，也不會直接產生空氣污染物。這使得在電網(wǎng)的任何地方，只要離輸電線路比較近，都能快速建設一座飛輪調頻電站。飛輪調頻的反應速度非常快，可以在收到調度指令信號后不到1秒達到滿功率充電或放電狀態(tài)。這種快速調頻能力使得飛輪可以代替數(shù)倍于自身的火電機組。以飛輪取代現(xiàn)有的調頻機組還有另一個優(yōu)點：火電機組的負荷相對更穩(wěn)定，其結果是提高了整體能源效率，減少了排放。
工程實例：原美國Beacon Power公司建于紐約州、賓夕法尼亞州的兩個20 MW飛輪儲能獨立調頻電站，分別于2011年6月和2014年7月全面商運；原加拿大Temporal Power公司建于加拿大安大略省Minto鎮(zhèn)的2.5 MW室內獨立調頻電站，2014年7月商運，位于加勒比海阿魯巴島的5 MW飛輪儲能項目，與可再生能源聯(lián)合使用，提供全島的電力供應，2018年7月商運。
KEMA公司曾對Beacon Power公司的20兆瓦飛輪調頻電站進行性能評估。KEMA首先創(chuàng)建了一個模型，將飛輪與燃煤機組、燃氣機組、抽水蓄能機組進行對比。火電機組的排放直接來自于它們的運行，而飛輪和抽水蓄能機組的排放則是因為它們利用電網(wǎng)的電能來補償運行過程中的能量損失而間接產生的。研究發(fā)現(xiàn)，火電機組調頻會降低0.5%～2.5%的整體效率。而飛輪調頻的碳排放比上述3種傳統(tǒng)機組都要低。
我國電力系統(tǒng)的規(guī)模和復雜程度逐年遞增，想要通過傳統(tǒng)機組性能優(yōu)化的方法一勞永逸地解決電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題是不可能的。限于燃煤機組本身固有的大慣性、強耦合、非線性等特性，必然帶來調節(jié)延遲、調節(jié)反向和調節(jié)偏差的問題，傳統(tǒng)調頻優(yōu)化手段難以使其調頻性能發(fā)生質的飛躍，電網(wǎng)調頻必須引入新技術才能有所突破，目前最適合代替燃煤機組調頻的是功率型儲能技術，調頻領域未來的發(fā)展方向應當是建立滿足電網(wǎng)調頻需求的聯(lián)合調頻電站及獨立調頻電站。
2.2 新能源消納
從20世紀90年代起，飛輪作為新型儲能方式如何與光伏發(fā)電配合就已經(jīng)提上了議事日程。而目前歐洲仍然有測試中的示范項目，這些項目基于飛輪、燃氣輪機和可再生能源的組合，探索該組合在關鍵時刻穩(wěn)定電網(wǎng)，以及降低向未來零碳發(fā)電時代高質量電網(wǎng)的過渡成本的潛力。
原加拿大Temporal Power公司建于安大略省Clear Creek的5 MW飛輪儲能電站，2016年2月商運。該儲能電站主要配合附近的20 MW風電場運行，可以平滑風電出力也可對風電場提供無功補償。平滑出力時根據(jù)風電實時功率和平均功率的偏差作為飛輪的參考出力；如圖3所示，提供無功補償時，風電場所需無功功率分為Q1、Q2兩部分，Q1與風電及飛輪的總有功Pt有關，Q2和電網(wǎng)電壓水平V(p.u.)有關。首先確定所需無功功率Q1與風電及飛輪的總有功Pt的若干個基準關系點，剩余點可通過插值確定。所需無功功率Q2和電網(wǎng)電壓水平V(p.u.)的關系則有死區(qū)的限制，即當電網(wǎng)電壓標幺值低于或高于某一水平才進行無功補償，Q1、Q2兩部分無功之和扣除風電本身的Qwf后所得Qtotal作為飛輪無功出力參考值。
圖1 賓夕法尼亞州20 MW飛輪調頻電站
圖2 阿魯巴島5 MW飛輪儲能電站
圖3 動態(tài)無功支持控制原理框圖
圖4 安大略省Clear Creek 5 MW飛輪儲能電站
飛輪儲能同樣適用于光伏電站：2018年4月Amber Kinetics在馬薩諸塞州完成了128 kW/512 kW·h的項目，與West Boylston MLP原有的370 kW光伏系統(tǒng)在交流側連接，同年6月又在西藏運高60 MW光伏電站中安裝了兩套8 kW/32 kW·h的飛輪，其安裝流程為鋪設設備基礎、放置飛輪鋼桶、吊裝飛輪、連接電纜和控制線、飛輪系統(tǒng)并網(wǎng)。值得一提的是，不同于其他公司的功率型飛輪，Amber Kinetics公司的飛輪放電時長高達4 h，與能量型電池的放電時長相當。
圖5 馬薩諸塞州128 kW飛輪儲能電站
2.3 微電網(wǎng)支撐
微電網(wǎng)的長期穩(wěn)定運行離不開儲能技術的支持。原美國KTSi公司的GTR系列飛輪產品廣泛應用于微電網(wǎng)項目，飛輪儲能作為分布式發(fā)電的高級補充，接入到微電網(wǎng)中可以實現(xiàn)多種功能。
以加拿大魁北克地區(qū)為例，該地區(qū)礦藏資源豐富，擁有優(yōu)質的風力資源但位于電網(wǎng)末梢自然環(huán)境惡劣，帶儲能的離網(wǎng)型微電網(wǎng)是開發(fā)該地區(qū)自然資源的最優(yōu)解。在2015年12月投運的加拿大拉格倫鎳礦項目中，GTR200型200 kW飛輪、3 MW風電、200 kW鋰電池、備用柴油機、燃料電池與制氫系統(tǒng)共同組成了一個微電網(wǎng)，飛輪在此項目中的主要作用為平滑風力發(fā)電機的頻率波動，改善電能質量。該項目在18個月的時間里節(jié)省了340萬升柴油，減排了9.11 t溫室氣體。
圖6 加拿大拉格倫鎳礦微電網(wǎng)
在2013年投運的蘇格蘭埃格島項目中，島上電網(wǎng)頻率原范圍為49～54 Hz，頻率波動較大，加入GTR200飛輪后穩(wěn)定在52 Hz附近；在2017年投運的蘇格蘭費爾島微電網(wǎng)項目中，飛輪充當風力發(fā)電機和柴油機之間的緩沖，如同整個島的不間斷電源；在由英利集團牽頭的863計劃“園區(qū)智能微電網(wǎng)關鍵技術研究與集成示范”中，GTR200飛輪首次在國內得到應用，2017年6月該項目通過驗收；在2015年的阿拉斯加電力與能源中心風柴儲微電網(wǎng)項目中，GTR200用于測試電能質量改善控制策略、功率平滑效果和調度策略。
2.4 初始投資成本對比
根據(jù)公開報道及文獻資料整理出近年來部分電池調頻項目如表2所示，表中電池放電時長在半小時左右，可以看出自2013年以來電池儲能調頻項目的兆瓦成本從1130萬元下降到不超過600萬元。與之相對的，電網(wǎng)飛輪儲能項目較少，2011年6月商運的原Beacon Power公司紐約州20 MW飛輪調頻電站造價為4190萬美元，兆瓦成本為209萬美元；2016年2月商運的原加拿大Temporal Power公司安大略省Clear Ccreek 5 MW飛輪儲能電站，造價為848萬美元，兆瓦成本為169萬美元。功率型飛輪成本偏高的同時能量型飛輪的成本同樣不低，2018年4月Amber Kinetics在馬薩諸塞州完成的128 kW/512 kW·h的項目造價為48.6萬美元，每兆瓦時成本為94萬美元，而2018年7月并網(wǎng)的江蘇鎮(zhèn)江101 MW/202 MW·h的項目造價為6億元，每兆瓦時成本為297萬元。高初始投資成本導致飛輪儲能項目少，項目少導致成本下降慢，在20年的全壽命周期中雖然飛輪無需像電池一樣更換，但壽命長意味著政策多變、政策不連續(xù)的風險也隨之增加，因此在5～10年期限的短期項目中缺乏吸引力。
表2 國內部分火電機組聯(lián)合儲能系統(tǒng)項目
3 結 論
飛輪儲能技術在我國正處于產業(yè)化的臨界點，方興未艾。作為一種靈活儲能資源，除了電網(wǎng)調頻、新能源消納、微電網(wǎng)支撐等已有的應用場景外，結合我國巨大的電網(wǎng)容量，飛輪儲能還有更多的可能性。當然，這還需要解決包括聯(lián)合調頻協(xié)調控制策略、儲能關鍵技術國產化、儲能政策風險、飛輪儲能標準體系及飛輪儲能商業(yè)模式等問題。
引用本文： 涂偉超,李文艷,張強等.飛輪儲能在電力系統(tǒng)的工程應用[J].儲能科學與技術,2020,09(03):869-877.
TU Weichao,LI Wenyan,ZHANG Qiang,et al.Engineering application of flywheel energy storage in power system[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):869-877.
第一作者：涂偉超（1995—），男，碩士研究生，主要從事飛輪儲能工程應用研究，E-mail：2366499304@qq.com；
通訊作者：李文艷，教授，主要從事燃燒過程污染物控制及先進飛輪儲能技術研究，E-mail：liweny@126.com。
