中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：9月7—9日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司、國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司、浙江省能源局聯(lián)合指導(dǎo)，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合232余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十二屆中國國際儲(chǔ)能大會(huì)在杭州洲際酒店召開。本次大會(huì)由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)、中國科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)組和中國儲(chǔ)能網(wǎng)聯(lián)合承辦。
大會(huì)以"共創(chuàng)儲(chǔ)能新價(jià)值，共建市場新格局"為主題，聚焦新型儲(chǔ)能安全持續(xù)發(fā)展，針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題展開充分探討，分享可持續(xù)政策機(jī)制、資本市場、新型儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、標(biāo)準(zhǔn)、示范項(xiàng)目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和深化應(yīng)用。
來自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的913家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，3317位嘉賓參加了本屆大會(huì)，其中154家企業(yè)展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測(cè)認(rèn)證等新型儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈。
大會(huì)組委會(huì)邀請(qǐng)清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院高速飛輪與復(fù)合儲(chǔ)能研究室主任姜新建做《參與電網(wǎng)慣性響應(yīng)和調(diào)頻控制的飛輪儲(chǔ)能陣列關(guān)鍵技術(shù)研究》主題報(bào)告。以下為發(fā)言主要內(nèi)容：
姜新建：各位同仁，各位專家，下午好！我介紹的是參與電網(wǎng)慣性響應(yīng)和調(diào)頻控制的飛輪儲(chǔ)能陣列關(guān)鍵技術(shù)研究，來自清華大學(xué)電機(jī)系。
我們國家從前年開始提出了雙碳目標(biāo)，針對(duì)這個(gè)目標(biāo)提出了建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。按照2030和2060達(dá)標(biāo)的預(yù)測(cè)，到2030年新能源占比可能要達(dá)到22%，到2060年新能源占比為58%。這樣的新型電力系統(tǒng)將形成新的發(fā)展趨勢(shì)：電力電子化、交直流聯(lián)合靈活組網(wǎng)、分布式、數(shù)字化、智能化、開放式，當(dāng)然這也帶來很多的挑戰(zhàn)，我們下面重點(diǎn)討論新型電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定面臨的挑戰(zhàn)。
以新能源為主的新型電力系統(tǒng)標(biāo)志著火電機(jī)組發(fā)展受限、新能源比例越來越高。新能源發(fā)電具有波動(dòng)性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量極大降低，另外，含高比例新能源電網(wǎng)的一次調(diào)頻死區(qū)的動(dòng)作次數(shù)顯著增加，使得電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定和安全運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)。2019年英國的大停電，原因之一也是調(diào)頻能力不足導(dǎo)致的連鎖反應(yīng)。
對(duì)于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要由火電機(jī)組來承擔(dān)，原來的國標(biāo)GB/T 30370-2013《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收導(dǎo)則》有明確要求，即火電機(jī)組的調(diào)頻功率占總功率的6%-10%，因此，以火電機(jī)組為主的電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定是沒有問題的。但以新能源為主后怎么辦？為此出臺(tái)了新的國標(biāo)GB/T 40595-2021《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》，從2021年5月開始實(shí)施，要求新能源發(fā)電和火電一樣，都具備一次調(diào)頻能力。
儲(chǔ)能被公認(rèn)為能解決上述新型電力系統(tǒng)面臨的調(diào)頻問題，這里主要介紹物理儲(chǔ)能—飛輪。飛輪的基本原理是電能通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪升速，電能轉(zhuǎn)換為高速旋轉(zhuǎn)飛輪的動(dòng)能；反之，高速旋轉(zhuǎn)飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，通過變流器饋電給電網(wǎng)，高速旋轉(zhuǎn)飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能；通過飛輪轉(zhuǎn)速的上升和下降來實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放。飛輪系統(tǒng)包括本體和變流器等。
從飛輪的特點(diǎn)來說，它應(yīng)該是目前解決電網(wǎng)慣性支撐和調(diào)頻控制的最有效和最先進(jìn)的技術(shù)之一，也是飛輪儲(chǔ)能的一個(gè)最佳應(yīng)用場景。實(shí)際上飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用的特點(diǎn)是短時(shí)高頻次場景，正好與電網(wǎng)慣性支撐和一次調(diào)頻是合拍的。飛輪儲(chǔ)能具有如下優(yōu)點(diǎn)：物理儲(chǔ)能，大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，效率高（＞ 85%），壽命長（＞ 20年），快響應(yīng)（20ms級(jí)），低循環(huán)成本，高頻次（30次/小時(shí)、百萬次），安全性高，無污染。
下面介紹飛輪儲(chǔ)能如何實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的慣性響應(yīng)和調(diào)頻控制。電網(wǎng)受擾頻率響應(yīng)及調(diào)節(jié)過程分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段為慣性響應(yīng)，對(duì)應(yīng)的飛輪稱為慣量飛輪，它類似于傳統(tǒng)的有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的調(diào)相機(jī)，其電機(jī)是直接并網(wǎng)的；第二個(gè)階段為一次調(diào)頻，對(duì)應(yīng)的飛輪為傳統(tǒng)意義上的飛輪儲(chǔ)能，它通過變流器并網(wǎng)，主要承擔(dān)一次調(diào)頻功能，但這飛輪也有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它的慣量響應(yīng)是一個(gè)虛擬慣量響應(yīng)；第三階段是二次調(diào)頻，對(duì)應(yīng)的飛輪為傳統(tǒng)意義上的飛輪儲(chǔ)能，主要承擔(dān)二次調(diào)頻（AGC）功能；這三個(gè)階段里都有交叉的地方。下面具體介紹。
（圖示）這是一個(gè)慣量飛輪，包括基于磁懸浮軸承的大慣量飛輪技術(shù)、高效率和大容量電機(jī)技術(shù)。慣量飛輪有什么特點(diǎn)？它具有傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)功能，同時(shí)具有高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于其電機(jī)定子繞組是直接并網(wǎng)，所以它的轉(zhuǎn)速是固定的。慣量飛輪首先解決啟動(dòng)問題，其次實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，然后通過電勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)節(jié)。
這一種飛輪就是傳統(tǒng)意義上的飛輪儲(chǔ)能，這飛輪電機(jī)需要通過變流器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，不能直接并網(wǎng)，該飛輪具有調(diào)頻功能，也可以實(shí)現(xiàn)虛擬慣性控制。
這是飛輪儲(chǔ)能如何實(shí)現(xiàn)虛擬慣性響應(yīng)，因?yàn)橐淮握{(diào)頻控制和慣性響應(yīng)都是自動(dòng)調(diào)節(jié)的，一般來說采用下垂控制。因?yàn)轱w輪本身具有機(jī)械慣量，那么飛輪儲(chǔ)能的虛擬慣量是通過一個(gè)算法控制實(shí)現(xiàn)的，是一個(gè)等效的機(jī)械慣量。在這個(gè)公式里，包含著原來傳統(tǒng)的機(jī)械慣量，加上另外一個(gè)虛擬慣量，它通過電力電子控制，它比原來的機(jī)械慣量大得多，這樣提供電網(wǎng)的短時(shí)支撐。
飛輪儲(chǔ)能除了提供虛擬慣量外，還有具備一次調(diào)頻功能。在這里提出如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)節(jié)，通過考慮這些優(yōu)化因子后，提高它的調(diào)節(jié)能力。
飛輪儲(chǔ)能既可以實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，也可以實(shí)現(xiàn)二次調(diào)頻，同樣電池也可以實(shí)現(xiàn)二次調(diào)頻，所以交叉的地方我們既可以獨(dú)立、也可以混合使用。以混合二次調(diào)頻為例，其拓?fù)溆幸环N是直流并聯(lián)，還有一種是交流并聯(lián)，實(shí)際使用時(shí)是直流并聯(lián)和交流并聯(lián)都有，從而提高整個(gè)飛輪陣列容量等級(jí)。
這是一個(gè)經(jīng)典的飛輪儲(chǔ)能控制策略，不細(xì)說了。
我們前面講的都是飛輪單機(jī)，實(shí)際上飛輪陣列控制是將來大規(guī)模使用需要面臨的問題。例如美國的20MW級(jí)飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站，支撐飛輪最長到15分鐘；國內(nèi)前期都是1MW級(jí)飛輪陣列示范應(yīng)用，還缺乏更大容量的飛輪陣列應(yīng)用。
飛輪陣列控制有幾種模式，假如并網(wǎng)或者孤島下運(yùn)行，調(diào)頻調(diào)壓怎么控制？還有飛輪SOC如何實(shí)現(xiàn)？提出一種并網(wǎng)模式下陣列控制方式：上層是電網(wǎng)調(diào)度控制；中層是改進(jìn)下垂控制，基于等轉(zhuǎn)矩的功率控制；下層是最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。
在這方面，提出了改進(jìn)下垂控制的辦法。
前面主要是介紹飛輪儲(chǔ)能在電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)慣性響應(yīng)和調(diào)頻控制技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能本身還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要研究，其關(guān)鍵技術(shù)有哪些？我們結(jié)合“十三五”國重飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，介紹飛輪儲(chǔ)能的一些關(guān)鍵技術(shù)。
這是一個(gè)飛輪，400KW、25MJ、18000rpm復(fù)合材料飛輪，三電平充放電控制器（變流器）。
飛輪轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子軸系，一個(gè)是材料問題，一個(gè)是平衡問題。平衡問題是解決整個(gè)軸系動(dòng)平衡，高強(qiáng)鋼/復(fù)合材料飛輪要解決強(qiáng)度和工藝問題，從技術(shù)角度提出了一些解決辦法。研制了30MJ大型復(fù)合材料飛輪，實(shí)現(xiàn)了750m/s高速運(yùn)轉(zhuǎn)；除了磁懸浮以外，解決了飛輪轉(zhuǎn)子軸系超越撓曲臨界的技術(shù)難題，國際上還沒有見到強(qiáng)陀螺效應(yīng)撓性軸系飛輪轉(zhuǎn)子成功先例。
磁懸浮軸承，一種是小功率的，還有一種是大功率、大儲(chǔ)能量的。大儲(chǔ)能量的磁懸浮軸承面臨大承載力問題，這是一個(gè)難點(diǎn)。已實(shí)現(xiàn)了30MJ、400KW、18000rpm飛輪的磁懸浮軸承控制，這是一些控制和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。
大容量高速電機(jī)，高速電機(jī)國內(nèi)有很多，但是飛輪的電機(jī)和傳統(tǒng)的高速電機(jī)差別是在真空環(huán)境下，真空下的電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱很難，這是卡脖子的問題，很多飛輪型式都是圍繞它展開的。為了解決真空下電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱難題，我們采用了12相電機(jī)，主要是解決電機(jī)轉(zhuǎn)子的發(fā)熱問題，并為將來的更大容量電機(jī)提供技術(shù)支撐。還有，提出了電機(jī)低損耗技術(shù)，除了對(duì)電機(jī)本身采取措施外，對(duì)電流器提出了電能質(zhì)量要求，共同解決飛輪本體中電機(jī)難題。已研制了400KW、18000rpm、98%的12相永磁同步電機(jī)。
飛輪充放電控制技術(shù)，由于采用高速電機(jī)方案，帶來一個(gè)高基頻問題，所以需要解決變流器的高基頻難題。例如800赫茲的高基頻變流器，采用模型預(yù)測(cè)控制策略來解決控制策略難題，另外，在容錯(cuò)控制方面采取了一些措施，提高系統(tǒng)可靠性。
為了解決前面的電機(jī)損耗問題，充放電控制器（變流器）采用了三電平拓?fù)?，一是提高效率，二是降低諧波，從而使得電機(jī)的發(fā)熱減少。在功率器件有兩種方案，一種是碳化硅，一種是IGBT，都達(dá)到了很好的效果，碳化硅的效果更好，只是成本高了一些。
這是控制策略框圖，這是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，除了網(wǎng)側(cè)以外，機(jī)側(cè)的電壓電流也都基本正弦。
飛輪儲(chǔ)能陣列控制技術(shù)，陣列控制問題有SOC、并聯(lián)環(huán)流抑制、協(xié)調(diào)優(yōu)化、應(yīng)用場景等。前面提到的慣性響應(yīng)、調(diào)頻控制，實(shí)際上要和應(yīng)用場景結(jié)合起來才能解決，這方面也是做了一些研究，解決多臺(tái)飛輪并聯(lián)問題。
（圖示）這是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括最高轉(zhuǎn)速、效率、功率、諧波、電流和電壓等，充放電頻次達(dá)到1小時(shí)30次，充放電響應(yīng)時(shí)間20毫秒，充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間是21毫秒，所以滿足電網(wǎng)的慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻要求。
下面，說一下一些典型的應(yīng)用。
這是一個(gè)國重項(xiàng)目，主要是4臺(tái)400KW/30MJ的調(diào)頻，這是一個(gè)應(yīng)用。
這是地方科技項(xiàng)目，應(yīng)用于風(fēng)電場站，3臺(tái)1MW/33KWh飛輪，這個(gè)系統(tǒng)也是和3MWh電池系統(tǒng)混合，解決一次調(diào)頻和慣量響應(yīng)問題。
這是一個(gè)飛輪項(xiàng)目投資收益計(jì)算案例，在這方面參考了山西省落實(shí)的一次調(diào)頻市場交易實(shí)施細(xì)則。假如以10MW飛輪為準(zhǔn)，按2000小時(shí)/年計(jì)算，每小時(shí)16次調(diào)頻服務(wù)，平均調(diào)頻時(shí)間30秒。以山西公布的收益核算指標(biāo)來計(jì)算，飛輪初始投資和運(yùn)維成本是6500萬，輔助調(diào)頻收益為1億2千500多萬，所以收益投資比約是1.9。
從長遠(yuǎn)來看，面對(duì)電網(wǎng)側(cè)的頻率穩(wěn)定和安全運(yùn)行問題，技術(shù)上需要飛輪儲(chǔ)能來解決電網(wǎng)慣性響應(yīng)和調(diào)頻控制，政策面需要進(jìn)一步落實(shí)新國標(biāo)實(shí)施細(xì)則，飛輪儲(chǔ)能大有作為、前景廣闊。
