飞轮储能在电力系统的工程应用
2018年底的统计数据表明，新能源发电装机首超水电，跃居我国第二大发电形式，但新能源本身固有的随机性和波动性对电网的稳定带来了挑战，并且新能源机组对电网调峰、调频的贡献可以忽略不计。建设一定规模以飞轮储能为代表的电网级灵活调节资源是应对这一挑战的途径之一，飞轮储能的工程价值则通过调频辅助服务市场等典型应用场景得以体现。本文通过对近年来飞轮储能工程项目进展情况的跟踪，介绍了飞轮储能技术的主要子系统及各大公司和研究机构的技术路线，归纳出飞轮储能在电力系统的工程应用主要包括电网调频、新能源消纳和微电网支撑等，应用于新能源消纳时飞轮储能有平滑出力和无功补偿等多种工作模式，可以弥补新能源发电的不确定性。但与功率型电池储能技术相比，制约飞轮储能技术大规模应用的瓶颈在于初始投资成本过高，电网级飞轮储能技术的发展方向应为更高的性价比，这样才能获得应有的市场份额。
关键词： 飞轮储能；工程应用；二次调频；无功补偿
最近十年来，新能源发电迅猛增长，到2018年底，新能源发电以18.89%的渗透率，跃居我国第二大发电形式。但新能源发电本身难以调峰调频，需要配套其他灵活电源为其服务，如西北地区就采取基于风火打捆或光火打捆的直流特高压外送方式。一方面特高压输电一定程度上解决了送电电网新能源消纳的问题，但同时也对受端电网的安全稳定运行带来了挑战，如2018年3月21日直流闭锁导致巴西特大停电事故，2015年9月锦苏直流特高压线路发生闭锁故障，导致电网频率最大波动达0.44 Hz。限于我国灵活调节机组的占比有限，燃煤机组不得不扛起深度调峰和电网调频的重任，但深度调峰时机组最主要的矛盾是燃烧稳定性，这与调频发生冲突，如何解决这一系列的问题对于电网调度部门和电源侧来说尤为重要。
国外发达国家的电源结构比较合理，灵活电源占比较大，电网稳定性较高，电能质量较好，如同样采用频率合格率指标，澳大利亚要求网频波动超过0.1 Hz的时间不大于1%，而我国在2008版电能质量国标中规定，网频波动超过0.2 Hz的时间不能大于2%，我国电能质量仍有提高的空间。目前，发达国家电网主要通过建立并完善辅助服务市场制度来灵活配置储能资源，也包括少部分有偿摊派，如西班牙、英国、德国、北欧、澳大利亚、美国中大西洋电力市场（Pennsylvania-New Jersey-Maryland，PJM）和美国新英格兰等国家或地区的电力市场。除了辅助服务市场化程度更高，国外机组的参数设置也与国内不同。如我国早期从德国进口的机组其一次调频参数原设计为不带调频死区也不带限幅，日本的机组与德国类似，这与我国既带调频死区也带调频限幅的情况迥然不同。
2006年11月，国家能源局前身电监会印发了《发电厂并网运行管理规定》和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》（简称“两个细则”），两个细则开启了我国电力辅助服务补偿机制建设的前期探索。此后各地陆续制定了本区域的两个细则，对提供辅助服务的发电机组给予一定的经济补偿。2017年10月，山西能监办印发《山西电力调频辅助服务市场运营细则》，率先建立了以机组竞标调频里程、按调频性能高低补偿机组为特点的省级早期调频辅助服务市场，虽然调频里程的报价范围在不断变化，但细则的主要内容沿用至今，促成了最早一批电池储能调频项目的商运。2018年8月，南方能监局印发《广东调频辅助服务市场交易规则（试行）》，在调频里程补偿之外加入容量补偿并采用新的性能计算公式，该政策发布后广东成为目前电池储能调频项目最活跃的区域。2019年4月，华北能监局印发《蒙西电力市场调频辅助服务交易实施细则》征求意见稿，在筹建电力现货市场的同时兼顾调频辅助服务市场。2018年12月西北能监局印发《西北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》，该细则将一、二次调频都作为有偿服务，以此克服发电机组调频性能参差不齐的问题。总体上看，通过建立辅助服务市场制度激励发电侧主动提高性能指标获取收益拉动了储能技术的进步，在政策的激励下，山西、广东和蒙西电网先后出现利用电池储能技术辅助燃煤机组联合调频的商业模式。但鉴于储能调频技术的普及度仍不够高，依然面临着政策缺乏递进性、技术水平不够高、标准体系滞后等风险，需要对飞轮储能在电力系统的应用现状进行系统的研究，揭示传统机组的性能局限及飞轮储能的应用价值，以便更好地发展储能技术，建成符合国情的智能坚强电网。
1 飞轮储能系统基本结构
国外对于飞轮储能的研究开展较早，我国起步较晚，始于二十世纪九十年代。飞轮储能系统主要由转子、支承系统、真空与冷却系统、电机、储能变流器（power convertion system，PCS）构成，电机和PCS的选择相对比较方便，基本上都有货架产品，永磁电机、感应电机均可使用，感应电机技术成熟成本可控，是降低飞轮系统成本的首选，ABB、Emerson、Danfoss/Vacon等均有飞轮PCS出售。而转子、支承系统、真空与冷却系统的设计则千差万别。根据公开资料整理出国内外主要飞轮制造商和研究机构的产品技术指标如表1所示。
表1 国内外主要飞轮产品归纳
1.1 转 子
转子方面，在有电网储能飞轮产品的公司中，美国Beacon Power（被RGA LabsInc.收购）、KTSi公司（被石家庄盾石磁能科技有限责任公司收购）采用复合材料飞轮，加拿大Temporal Power（被天津贝肯新能源有限公司收购）、美国Amber Kinetics公司采用钢制转子，美国Swater Flow Group公司（与大连亨利科技有限公司合作）既使用复合材料飞轮，也有钢制飞轮。目前正在开发电网储能飞轮产品的机构中，北京泓慧国际能源技术发展有限公司、美国VYCON（与沈阳微控新能源技术有限公司合作）公司也采用钢制飞轮，清华大学飞轮储能技术团队对复合材料飞轮和钢制飞轮均有研究，2018年作为牵头单位承担国家重点研发项目“MW级先进飞轮储能关键技术硏究”。
1.2 支承系统
支承系统方面，机械轴承、永磁轴承和电磁轴承得到商业化应用，超导磁轴承目前成本太高。机械轴承技术成熟，成本相对较低，但允许的运行转速较低。电磁轴承的优点为：无机械接触、无磨损；无须润滑密封、可在任意介质中运行；转子动态性能可控。电磁轴承的缺点为：电磁铁会饱和，承载能力有限，几乎无过载能力；受驱动功率限制，电磁力摆率有限；存在失电坠落风险；主动控制电磁力消耗能量。永磁轴承多用于轴向，起到卸载转子重力的作用。Beacon Power采用轴向永磁轴承+径向机械轴承的方案；KTSi采用轴向针式宝石轴承+径向永磁轴承来支撑飞轮；Temporal Power则采用轴向永磁轴承+径向机械轴承的设计；Amber Kinetics采用轴向电磁轴承+径向机械轴承；Swater Flow Group采用轴向混合磁轴承+径向机械轴承；北京泓慧国际能源技术发展有限公司和VYCON均使用轴向电磁轴承+径向电磁轴承控制飞轮轴向和径向振动。
浙江大学采用轴向永磁轴承+径向电磁轴承的方案，推导了永磁轴承径向干扰力的解析式，提出了基于修正参数零力控制算法的电磁轴承控制方法，来抑制飞轮转子系统的干扰力，取得了较好的控制效果。江苏大学提出了径向永磁轴承+轴向永磁轴承+三自由度混合磁轴承组支承方案。清华大学提出铠装永磁轴承设计方法，磁环采用扇形磁瓦拼接，工作间隙附近，磁力与间隙关系近似线性化，磁轭面积约是磁环面积2倍时，轴承吸力最大。文献采用磁轭内嵌永磁环，永磁环与导磁静环、动环转子形成闭合磁路，永磁轴承动环为40Cr钢，在气隙为2 mm时，吸力约为10802 N。文献设计了一种双永磁静环与导磁动环组成的新型轴向永磁轴承，可适应500 r/s、200 ℃工况。浙江工业大学提出轴向永磁轴承+轴向电磁轴承+径向电磁轴承的设计。
1.3 真空与冷却
真空与冷却系统方面，不同用途的飞轮冷却需求大相径庭，总的来说放电功率越大（一般应大于100 kW)、大功率放电时间越长（一般应大于5 min），冷却需求越大。Beacon Power的飞轮能以100 kW放电15 min，采用热管将飞轮产生的热量传递到散热器，保证飞轮正常工作；KTSi对飞轮永磁电机定子进行水冷；Temporal Power飞轮能以500 kW放电6 min，采用电机定子水冷，轴承和转子油冷的冷却方式，在转子下方有一个巨大的冷却罐；Amber Kinetics的飞轮能放电4 h，但功率为8 kW，因此采用被动风冷自然冷却即可；北京泓慧国际能源技术发展有限公司和VYCON的现有产品基本均为柜式不间断电源，放电时间为秒级，冷却需求不大，VYCON通过强化转子辐射散热、增大飞轮壳体肋片散热面积并采用风冷从外壳带走飞轮的热量。清华大学在“飞轮储能用于钻机起升系统能量回收与利用方法”项目中采用充氦气强化转子与外壳换热的方法，氦气压力与大气压相等。
1.4 飞轮储能控制策略
调频用飞轮有充电、放电两种工作状态：充电时，PCS驱动电机，使飞轮转速增加，电能转化为机械能，完成充电过程；放电时，PCS将储能装置出力转化成与电网频率一致的交流电送入电网，机械能向电能转化，进行能量输出。因此，飞轮可以作为负荷从电网充电，又可以向电网放电，具有双向调节能力。
调频控制过程：对于联合调频，电网调度中心发送自动发电控制（automatic generation control，AGC）指令到电厂远动装置（remote terminal units，RTU），RTU转发AGC指令至飞轮储能主单元和电厂分布式控制系统（distributed control system，DCS)，对AGC信号进行巴特沃斯低通滤波处理后得到火电参考功率，AGC总功率减去火电应发功率后得到飞轮阵列总功率，阵列中的每一个飞轮对功率进行分摊，完成调频过程。储能系统并网后需要将机组出力与储能系统出力进行合并,并将合并后的出力信号上传电网，作为AGC考核依据。独立调频电站直接接受电网AGC指令调度，能代替目前调频机组的功能，可以布置在新能源场站附近。
以一阶巴特沃斯低通滤波器为例，其传递函数如式(1)所示，ωc为截至频率，T为采样时间。
(1)
由塔斯廷（Tustin）近似可将式(1)离散为式(2)并整理出式(3)、式(4)，利用式(4)可以对AGC信号进行高低频分解。
2 飞轮储能在电力系统的工程应用
2.1 电网调频
安全可靠的电网运行要求在任意时刻平衡电力供应和电力需求。当供过于求时，频率上升到50 Hz以上，烧毁用电设备，当供不应求时，频率下降到50 Hz以下。为了将电网频率保持在合理的范围内，电网运营商使用辅助服务来平衡发电与用电的偏差。
一次调频是指根据用电负荷频率响应特性，以及电源侧调速器的作用，来削弱电网频率波动的调节方式。
用电负荷频率响应特性：电网中的用电设备耗功与频率的一、二、三次方甚至高次方成正比，当频率升高时耗功增加，反之则耗功减少。
电源侧调速器的作用：从汽轮机原理中可以知道，汽轮机的静特性可用一条向下倾斜的曲线来描述，即并列运行的机组，当系统频率下降时，汽轮机的输出功率会有所增加。
因此负荷频率响应特性曲线与汽轮机静特性线必然交于一点，交点的频率和功率即为发用电平衡时的频率和功率。一次调频就是负荷频率响应特性曲线移动时汽轮机静特性线不动的调节方式。但由于只移动了一条曲线因此交点必然移动，电网频率必然变化，想要保持频率不变必须移动汽轮机静特性线，这就是二次调频。但二次调频不能保证全网机组的最佳经济运行，可能有个别机组煤耗偏高，需要由三次调频的经济调度来解决，本文只讨论一、二次调频。
电网每年对辅助服务的需求相对比较稳定，在美国大约相当于每日峰值发电量的1%。由于风电和光伏的快速增长，辅助服务需求的增长将快于总体电力增长。与提供辅助服务的火力发电机组不同，飞轮储能技术无需化石燃料，也不会直接产生空气污染物。这使得在电网的任何地方，只要离输电线路比较近，都能快速建设一座飞轮调频电站。飞轮调频的反应速度非常快，可以在收到调度指令信号后不到1秒达到满功率充电或放电状态。这种快速调频能力使得飞轮可以代替数倍于自身的火电机组。以飞轮取代现有的调频机组还有另一个优点：火电机组的负荷相对更稳定，其结果是提高了整体能源效率，减少了排放。
工程实例：原美国Beacon Power公司建于纽约州、宾夕法尼亚州的两个20 MW飞轮储能独立调频电站，分别于2011年6月和2014年7月全面商运；原加拿大Temporal Power公司建于加拿大安大略省Minto镇的2.5 MW室内独立调频电站，2014年7月商运，位于加勒比海阿鲁巴岛的5 MW飞轮储能项目，与可再生能源联合使用，提供全岛的电力供应，2018年7月商运。
KEMA公司曾对Beacon Power公司的20兆瓦飞轮调频电站进行性能评估。KEMA首先创建了一个模型，将飞轮与燃煤机组、燃气机组、抽水蓄能机组进行对比。火电机组的排放直接来自于它们的运行，而飞轮和抽水蓄能机组的排放则是因为它们利用电网的电能来补偿运行过程中的能量损失而间接产生的。研究发现，火电机组调频会降低0.5%～2.5%的整体效率。而飞轮调频的碳排放比上述3种传统机组都要低。
我国电力系统的规模和复杂程度逐年递增，想要通过传统机组性能优化的方法一劳永逸地解决电网频率稳定性问题是不可能的。限于燃煤机组本身固有的大惯性、强耦合、非线性等特性，必然带来调节延迟、调节反向和调节偏差的问题，传统调频优化手段难以使其调频性能发生质的飞跃，电网调频必须引入新技术才能有所突破，目前最适合代替燃煤机组调频的是功率型储能技术，调频领域未来的发展方向应当是建立满足电网调频需求的联合调频电站及独立调频电站。
2.2 新能源消纳
从20世纪90年代起，飞轮作为新型储能方式如何与光伏发电配合就已经提上了议事日程。而目前欧洲仍然有测试中的示范项目，这些项目基于飞轮、燃气轮机和可再生能源的组合，探索该组合在关键时刻稳定电网，以及降低向未来零碳发电时代高质量电网的过渡成本的潜力。
原加拿大Temporal Power公司建于安大略省Clear Creek的5 MW飞轮储能电站，2016年2月商运。该储能电站主要配合附近的20 MW风电场运行，可以平滑风电出力也可对风电场提供无功补偿。平滑出力时根据风电实时功率和平均功率的偏差作为飞轮的参考出力；如图3所示，提供无功补偿时，风电场所需无功功率分为Q1、Q2两部分，Q1与风电及飞轮的总有功Pt有关，Q2和电网电压水平V(p.u.)有关。首先确定所需无功功率Q1与风电及飞轮的总有功Pt的若干个基准关系点，剩余点可通过插值确定。所需无功功率Q2和电网电压水平V(p.u.)的关系则有死区的限制，即当电网电压标幺值低于或高于某一水平才进行无功补偿，Q1、Q2两部分无功之和扣除风电本身的Qwf后所得Qtotal作为飞轮无功出力参考值。
图1 宾夕法尼亚州20 MW飞轮调频电站
图2 阿鲁巴岛5 MW飞轮储能电站
图3 动态无功支持控制原理框图
图4 安大略省Clear Creek 5 MW飞轮储能电站
飞轮储能同样适用于光伏电站：2018年4月Amber Kinetics在马萨诸塞州完成了128 kW/512 kW·h的项目，与West Boylston MLP原有的370 kW光伏系统在交流侧连接，同年6月又在西藏运高60 MW光伏电站中安装了两套8 kW/32 kW·h的飞轮，其安装流程为铺设设备基础、放置飞轮钢桶、吊装飞轮、连接电缆和控制线、飞轮系统并网。值得一提的是，不同于其他公司的功率型飞轮，Amber Kinetics公司的飞轮放电时长高达4 h，与能量型电池的放电时长相当。
图5 马萨诸塞州128 kW飞轮储能电站
2.3 微电网支撑
微电网的长期稳定运行离不开储能技术的支持。原美国KTSi公司的GTR系列飞轮产品广泛应用于微电网项目，飞轮储能作为分布式发电的高级补充，接入到微电网中可以实现多种功能。
以加拿大魁北克地区为例，该地区矿藏资源丰富，拥有优质的风力资源但位于电网末梢自然环境恶劣，带储能的离网型微电网是开发该地区自然资源的最优解。在2015年12月投运的加拿大拉格伦镍矿项目中，GTR200型200 kW飞轮、3 MW风电、200 kW锂电池、备用柴油机、燃料电池与制氢系统共同组成了一个微电网，飞轮在此项目中的主要作用为平滑风力发电机的频率波动，改善电能质量。该项目在18个月的时间里节省了340万升柴油，减排了9.11 t温室气体。
图6 加拿大拉格伦镍矿微电网
在2013年投运的苏格兰埃格岛项目中，岛上电网频率原范围为49～54 Hz，频率波动较大，加入GTR200飞轮后稳定在52 Hz附近；在2017年投运的苏格兰费尔岛微电网项目中，飞轮充当风力发电机和柴油机之间的缓冲，如同整个岛的不间断电源；在由英利集团牵头的863计划“园区智能微电网关键技术研究与集成示范”中，GTR200飞轮首次在国内得到应用，2017年6月该项目通过验收；在2015年的阿拉斯加电力与能源中心风柴储微电网项目中，GTR200用于测试电能质量改善控制策略、功率平滑效果和调度策略。
2.4 初始投资成本对比
根据公开报道及文献资料整理出近年来部分电池调频项目如表2所示，表中电池放电时长在半小时左右，可以看出自2013年以来电池储能调频项目的兆瓦成本从1130万元下降到不超过600万元。与之相对的，电网飞轮储能项目较少，2011年6月商运的原Beacon Power公司纽约州20 MW飞轮调频电站造价为4190万美元，兆瓦成本为209万美元；2016年2月商运的原加拿大Temporal Power公司安大略省Clear Ccreek 5 MW飞轮储能电站，造价为848万美元，兆瓦成本为169万美元。功率型飞轮成本偏高的同时能量型飞轮的成本同样不低，2018年4月Amber Kinetics在马萨诸塞州完成的128 kW/512 kW·h的项目造价为48.6万美元，每兆瓦时成本为94万美元，而2018年7月并网的江苏镇江101 MW/202 MW·h的项目造价为6亿元，每兆瓦时成本为297万元。高初始投资成本导致飞轮储能项目少，项目少导致成本下降慢，在20年的全寿命周期中虽然飞轮无需像电池一样更换，但寿命长意味着政策多变、政策不连续的风险也随之增加，因此在5～10年期限的短期项目中缺乏吸引力。
表2 国内部分火电机组联合储能系统项目
3 结 论
飞轮储能技术在我国正处于产业化的临界点，方兴未艾。作为一种灵活储能资源，除了电网调频、新能源消纳、微电网支撑等已有的应用场景外，结合我国巨大的电网容量，飞轮储能还有更多的可能性。当然，这还需要解决包括联合调频协调控制策略、储能关键技术国产化、储能政策风险、飞轮储能标准体系及飞轮储能商业模式等问题。
引用本文： 涂伟超,李文艳,张强等.飞轮储能在电力系统的工程应用[J].储能科学与技术,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：涂伟超（1995—），男，硕士研究生，主要从事飞轮储能工程应用研究，E-mail：2366499304@qq.com；
通讯作者：李文艳，教授，主要从事燃烧过程污染物控制及先进飞轮储能技术研究，E-mail：liweny@126.com。
