中國儲能網訊：
1 研究背景
隨著新能源發(fā)電及電力電子設備接入電網比例的持續(xù)上升，電力系統(tǒng)正在經歷著深刻的演變，慣量響應、快速調頻調壓、暫態(tài)支撐等構網需求凸顯。多種新型儲能技術在解決上述問題中呈現(xiàn)出優(yōu)良的特性，飛輪儲能作為一種典型的高頻次、高效率、長壽命和低運行成本的短時高功率物理儲能技術，在電力系統(tǒng)快速高頻次調節(jié)的構網運行中具有廣闊的應用前景。本文主要介紹飛輪儲能技術的發(fā)展和應用情況，分析飛輪儲能單機和陣列需要解決的關鍵問題，并展望了飛輪儲能陣列構網運行的發(fā)展前景。
2 高速飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀
20世紀80年代以來，經過國內外研究團隊的不懈努力，飛輪儲能的功率、儲能量、轉速等關鍵技術參數(shù)均不斷突破。近十多年以來，多個高性能飛輪產品陸續(xù)投入應用，荷蘭S4 ENERGY 公司、中國的盾石磁能公司、沈陽微控公司、華馳動能公司等推出的飛輪儲能單機，其單項性能指標已達功率兆瓦、轉速30 000 r/min、儲能量百千瓦時以上。
然而，對于大容量飛輪儲能產品，功率、能量和轉速三者之間具有很強的制約性，體現(xiàn)了產品的技術復雜度及難度。本文基于這3個主要參量，提出飛輪儲能系統(tǒng)的“技術強度”綜合性指標，以評價不同技術路線和單項參數(shù)的飛輪儲能技術產品。標幺值下技術強度如下式所示。
式中：P為飛輪額定功率；Pb為飛輪額定功率基準值；Eb為飛輪儲能量基準值；n為飛輪額定轉速；nb為額定轉速基準值；P?為歸一化額定功率；E?為歸一化額定儲能量；n?為歸一化轉速。
圖1中根據(jù)相關技術樣機或產品的面世時間順序，展現(xiàn)了技術強度水平的發(fā)展趨勢?？梢钥闯?，國外的飛輪儲能技術發(fā)展提升期較早，我國則在近十年內奮起直追，進步明顯。另一方面，國內一些新技術產品通常在功率、儲能量或轉速等某個單向指標上領先，但也在其他指標上有所舍棄，本質上這是由產品不同應用場景需求決定的，也反映了產品包含的綜合價值和競爭能力。
圖1 飛輪儲能技術產品的技術強度演化趨勢
3 飛輪儲能單機及陣列關鍵技術
飛輪儲能單機在功率、儲能量、轉速等關鍵參數(shù)上提升的制約發(fā)展因素主要包括磁懸浮軸承、主軸振動抑制和真空下電機散熱等以下幾項關鍵技術。
1）磁懸浮軸承技術
全磁懸浮軸承理論上不產生摩擦損耗，大大延長系統(tǒng)壽命。常用的磁軸承主要包括永磁軸承、電磁軸承與超導磁軸承，三者在性能、功耗、成本、控制難度上各有優(yōu)劣，目前的飛輪產品中大多混合使用。
2）高強度轉子
為了提高飛輪的儲能量，提高轉速是重要的手段。但轉子的最高轉速會受到轉子材料強度的限制，過高的線速度會引起材料內部應力破壞而引發(fā)轉子碎裂，往往需要采用高強度的碳纖維、玻璃纖維及相關復合材料。
3）真空下電機散熱技術
為了減小高速運行時的風摩損耗，飛輪通常真空運行，但高阻熱氣隙使得電機又給轉子降溫帶來了極大困難。當前已有包括風冷、液冷及相變冷卻等主動散熱手段以及多種空心軸散熱結構方案，但當前尚缺乏軸內流動介質適應真空環(huán)境隨軸旋轉的理論研究與實驗驗證。
4）主軸振動控制技術
由于材料本體及制造誤差，轉子質量分布并不完全均勻，轉子微元旋轉會引發(fā)不平衡振動。綜合飛輪-軸承-外殼完整的精確動力學模型、多種振動激勵/故障下的飛輪轉子系統(tǒng)特性分析，以及臨界轉速在寬轉速范圍內的分布優(yōu)化等振動抑制方法的研究還不夠完善。
5）飛輪構網控制技術
飛輪儲能具備短時、高頻次和高功率的調節(jié)控制能力優(yōu)勢，構網控制通過模擬同步發(fā)電機的外特性，兩者結合應用在加強電網運行特性和實現(xiàn)新能源高比例接入能夠發(fā)揮關鍵作用。但目前飛輪儲能系統(tǒng)中的構網型控制技術主要為理論研究，許多儲能項目對于飛輪參與電網慣量響應等的構網特性也沒有體現(xiàn)出來，還需要控制技術的發(fā)展及進一步工程應用驗證。
在實際應用中，大規(guī)模飛輪儲能電站往往由多臺單機組成的陣列構成。飛輪陣列的集結方式和協(xié)同方式往往決定了電站的整體性能。而目前的飛輪陣列仍存在以下需要突破的關鍵技術。
1）陣列集結架構設計
飛輪陣列的集結方式包括電氣連接方式和通信控制方式，二者共同決定了陣列的可靠性、經濟性和功率輸出能力。電氣連接方式應與陣列規(guī)模、電網接入等級、繼電保護等要素匹配；通信控制方式則與調控需求與監(jiān)控管理等相關，決定現(xiàn)場部署便利性和運行控制快速性。
2）陣列快速響應能力
快速、高頻次的動作能力是飛輪儲能的固有優(yōu)勢，從單機到陣列，不應削減其快速響應的競爭力。飛輪儲能陣列的響應快速性能受任務決策、系統(tǒng)通信、裝置動作等環(huán)節(jié)影響，若要達成快速響應目標，還需要在以上技術點展開更深入的理論研究與工程實踐驗證。
3）陣列協(xié)同控制技術
飛輪陣列構網運行時，往往需要協(xié)同穩(wěn)態(tài)運行時的慣量響應、調頻調壓的多運行目標，故障時還需要提供短路電流等暫態(tài)支撐；同時，電力系統(tǒng)頻率和電壓變化這一連續(xù)時序過程中，不同時序階段的支撐需求存在差異，不同機組的輸出特性存在差異，因此需要研究解決支撐多時間尺度、多應用目標的陣列協(xié)同方法。
4）陣列能量優(yōu)化管理方法
如何實現(xiàn)陣列整體能效優(yōu)化，是陣列能量管理的核心問題。指令均分法雖然簡單，但沒有考慮到陣列損耗，尤其針對永磁同步電機飛輪，通過主動待機可以減少渦流損耗。此外，飛輪陣列運行中各單機在轉速、轉子溫升、振動量等亦有差異，通過差異化指令分配有利于各飛輪單機趨優(yōu)運行，從而保障陣列整體性能的發(fā)揮。
4 飛輪儲能構網運行展望
飛輪儲能更能適應短時高頻次的快速調節(jié)支撐需求的特點，使其在構網應用場景中更有競爭優(yōu)勢，具備良好的發(fā)展?jié)摿?，也存在諸多技術挑戰(zhàn)。
1）飛輪儲能的暫態(tài)構網特性仍需要提升
目前的新能源發(fā)電設備或新型儲能的構網運行控制，大多以穩(wěn)態(tài)的頻率和電壓支撐能力提升為主，但要比擬常規(guī)同步發(fā)電機組的構網效果，暫態(tài)響應能力不可或缺，尤其是對系統(tǒng)故障時的短路電流貢獻度，是解決目前新能源規(guī)模化接入下系統(tǒng)短路比不足的關鍵。
2）構網型飛輪陣列的控制與性能評估
飛輪陣列構網能力的提升需要更高的響應速度和一致性，尤其是慣量響應和暫態(tài)支撐方面。針對構網應用，相較于常規(guī)的飛輪陣列要求會更高。上述性能的表征與測試評估也是亟須研究的內容。
3）同步電機直接并網的差速飛輪新體系值得研究
兼顧飛輪穩(wěn)態(tài)調節(jié)能力和暫態(tài)支撐能力的同步電機為并網接口的飛輪儲能方式值得探索，類似的研究如新型慣量調相機，通過增加常規(guī)調相機的機械慣量，提升系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性與暫態(tài)支撐能力。但這種設計下高速轉子與同步電機大范圍差速運行下的融合結構與控制等問題需要解決。
總的來說，面向新型電力系統(tǒng)的構網運行需求，飛輪儲能系統(tǒng)及其陣列具有良好的技術經濟性優(yōu)勢。同時，為了使飛輪儲能技術能夠適應新型電力系統(tǒng)的復雜應用場景，在構網應用中更具競爭力，中國“十四五”重點研發(fā)計劃項目中提出研發(fā)先進飛輪儲能單機功率≥1.2 MW，儲能量≥150 MJ，轉速≥10 000 r/min，其技術強度指標評估接近于4，這將是在考慮多種約束下迭代出的非常有競爭力的技術產品。
