中国储能网讯：11月24-26日，由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办，100余家机构共同支持的湖南（长沙）电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。
会议期间，组委会邀请了沈阳微控新能源技术有限公司王智勇分享主题报告《飞轮调频技术在新型电力系统中的应用》。以下是发言主要内容：
王智勇：各位嘉宾、各位专家，大家下午好。非常荣幸能代表沈阳微控新能源技术有限公司在这里给大家做主题汇报，同时也非常感谢大会主办方和承办单位给我们提供了一个互相交流探讨学习的平台。我今天介绍的题目是：飞轮调频技术在新型电力系统中的应用。关于新型电力系统的结构和飞轮调频的一些特性，刚才有很多专家在介绍的时候已经提到了，有一些地方可能我后边就不会赘述了，只是给大家简单的描述一下。
现在中国面临的一个很大的问题就是碳达峰和碳中和，习总书记在若干年前就已经提出了这个口号，包括在二十大的时候也提出了要坚定不移的继续推动碳达峰碳中和、走环保发展的道路。所以我们可以看到全国的新能源装机量在呈现一个井喷式增长。各省发改委在“十三五”“十四五”乃至“十五五”规划中对新能源的规划也在不断的提升。尤其我们可以看到右边这个图中，在2060年达到碳中和以后，整个中国的电力系统的能源结构会发生一个天翻地覆的变化，和我们现阶段的整个电力系统的结构会实现一个调转。届时风电和光伏将成为整个电力系统中的发电主体，占据60%以上的份额。
新能源大规模接入，给我们的电力系统带来的一个很大的问题就是：电力系统的安全和稳定性如何来保证？传统的惯量和调频基本上都是由火电机组来作为调节的主力，新能源机组自身的调节能力实际上是非常薄弱的。在新型电力系统转型阶段，我们要做的是让整个新能源系统具备这个能力，怎么来做呢？很大一部分是由储能来解决的。在没有新能源接入，也就是新能源没有并网的时候，如果考虑整个华北电网产生5%功率缺额时，是可以很好的通过火电机组让频率回到它的正轨的。当新能源装机占比达到21%时，就已经有了低频减载的危险。当新能源装机占比达到50%以后，低频减载的风险就加大了。为此，国家也陆续出台了很多相关的行业标准，国家标准，包括DLT1870，GB38755，GBT40595，都对新能源机组的一次调频和惯量响应能力进行了要求。
通过各种补偿服务机制，把一次调频、二次调频、惯量响应等等已经列入了补偿服务的范围内，尤其是在去年国家最新发布的新版的两个细则中，明确将一次调频和转动惯量单独列出来，通过义务提供、固定补偿乃至市场化的方式，有望将这两种作为并网发电主体的义务项和补偿项。关于转动惯量、一次调频和二次调频，各位专家也都做了很细致的说明，这里我就再简单的汇总一下。转动惯量，我们可以把它理解为整个发电系统自身的一种抵抗频率变化的能力，它通常持续时间非常短暂，在几秒钟之内就结束了，但是它造成的频率缺额却非常大。一次调频是我们并网发电机组自发的，测试到频率发生变化之后，靠它的调速系统去进行调节的一种安全防护手段。它的持续时长通常都是在几秒到几十秒这个区间。二次调频是由电网调度机构通过AGC控制系统向各发电并网的主体下发实时的发电指标，也就是指令性的一个调节，通常持续时长是在几分钟到几十分钟不等。
这个图可能大家比较眼熟，刚才嘉宾也引用了一下我们之前介绍过的资料，这里也非常感谢他们对我们的关注，我们会继续努力的。我在这里简单再说一下，这个是以东北地区一个常规600兆瓦的火电机组，也就是60万的一个火电机组，它的低频扰动时可以释放大约17兆焦或者是17兆瓦秒的一个惯性能量，在高频扰动时大约可以吸收20兆瓦秒的一个惯性能量。整体来说，它释放和吸收的惯性能量非常小，在频率出现波动时就会出现惯量响应，日动作频次是非常高的。
我们继续来分析快速频率调节特性和技术需求，从右边的图中我们可以看到，这是2018年，冀北电科院对华北电网的一个分析，当时测试了一天24小时，调频死区设置在±0.04赫兹的时候，全天的一次调频动作次数超过了1600次，越上线700多次，越下线达到了900多次，频次是非常高的。我们看第二个图，这是今年2022年1月和2月一共挑选了10天，山西电网的一次调频的数据分析，可以看到最长的一次时长是超过了46秒，平均调节时长基本上都集中在3秒左右，这就是一次调频的第二个特点，单次的调节时长很短。响应速度这一块，根据最新的GBT40595的要求，风电是不大于两秒，光伏是不大于一秒，惯量响应不超过500毫秒，所以，一次调频第三个特点就是响应速度要快。关于机组自身调频能力，风电机组或者光伏场站自身只具备向下调节，也就是减负载的能力，不具备向上调节的能力。如果要具备向上调节能力就需要通过预留备用容量，这样会极大的影响场站的发电能力，造成巨大的经济损失。如果我们想要解决这个问题，怎么办呢？可以通过配储能来解决这一问题，当然对储能技术就有一定的要求了。除了要符合刚才提到的具有短时、高频次充放电的能力，其次要求它的安全性高，可靠性强，这一点不论是投资人或者是电网公司都是特别强调的一点，也是重中之重。再一个是使用寿命长，假设一种储能技术和新能源场站的整个运营周期是相匹配的，比如说以20年为例，这样在整个的运营期内，对我们投资人来讲，重复投资就会很少，经济收益会很高。
综上，我们可以看到惯量响应和一次调频最大的特点就是单次的持续时间短，日动作的频次高，这是它最大的特性。在“十四五”国家发改委和能源局发布的“十四五”新型储能发展实施方案中，特意把推动多时间尺度新型储能作为技术示范试点。在里面可以看到技术示范中要推动飞轮储能技术规模化应用，推动短时高频储能技术的示范。飞轮储能就是最典型的一种功率型的短时高频储能技术。
简单给大家说一下飞轮储能特性，飞轮技术的发展的方向就是高转速低功耗，这是飞轮储能技术将来发展的一个趋势。高速磁悬浮储能飞轮是采用了磁悬浮轴承技术，飞轮运行时处于一个完全完全磁悬浮的真空状态，运行转速已超过3万转每分钟，它最大的特点是没有磨损，功耗低、寿命长。在右边这个图中我们可以看到一个具有五自由度的主动磁悬浮轴承飞轮储能系统，通过轴承、高速永磁同步电机和航天级合金钢飞轮转子组成了一个最核心的单元，整体由一个密封的铝合金腔体封装。我们现在开始做的这种兆瓦级高速飞轮电网频率调节系统，是正在主攻的一个方向。因为一提到储能，很多行内或者是行外的人士都会想到电池，认为只有这种半小时到小时级的才是储能。飞轮最大的特点，它实际是来做电网频率的一个调节装置，我们索性就把这个系统命名为兆瓦级高速飞轮电网频率调节系统，只干最擅长的事情。通过把磁悬浮飞轮单元、一体化变流器、总控系统，搭配消防、空调、交直流配电系统等等融合到一起，做到一个20尺的标准集装箱内，形成了这一套系统。高速磁悬飞轮储能的特性就是短时、高频次、大功率的充放电，来实现稳定电网频率，保障电力系统安全的目的。
这是我们整个系统的一个剖面图。我们用一个20尺的集装箱可以将整个系统的功率做到一兆瓦，可用能量达到了30兆焦，整个系统的响应时长和调节精度都完全满足目前国家标准和行业标准的相关要求。这套系统最大的几个特点，首先是超快的响应，整体满功率的响应可以做到100毫秒以内，超高精度，输出功率精度可以小于正负1%，超低的损耗，全磁悬浮设计无磨损，整个系统一小时的耗电小于13度电。超长寿命，飞轮核心部件可以做到20年的使用寿命，飞轮本体这个部分，在整个全生命周期中它的SOC是无衰减的，最后是超高的功率密度，整个兆瓦及频率调节系统充放电倍率可以大于120C。
下面我要讲大家比较关心的安全问题，为什么我们要特别用这几个大字写超级安全呢？首先飞轮是一个纯物理储能系统，它没有起火和爆炸的隐患，这是它最大的一个安全特点；同时经过了现场超过3000台设备实际运行的经验，可以做到非常安全；全生命周期的安全管理：我们每台飞轮的转子都经过了100%无损探伤检测；主动安全设计：我们配置了一套自供电系统，可以在停电时为磁悬浮控制器提供操作电源；被动的安全防护：飞轮除了磁悬浮轴承以外，还配备了一套机械的保护轴承，可以使它在满速跌落的时候安全平稳停机，不会碰到外面的外壳。最后一个就是运行状态实时监测，我们可以实时监测飞轮的转速、真空度以及温度震动等物理量和电气量，在异常情况下，可以通过紧急停机按钮让飞轮进行保护的停机。
说完了安全，还要说的就是它的寿命。目前飞轮的寿命是有百万级和千万级这两个级别。在这里简单给大家讲一下，飞轮在运行时的充电和放电实际就是一个升速和降速的过程，在这个过程中，飞轮的转子会受到一定的撕扯，它的应力波动幅度非常大，在这个运动过程中就会产生一个撕裂效应。从产生第一个裂纹开始一直到裂纹扩展到极值，飞轮破坏的时候，这个过程中的循环充放电次数就是它的循环寿命，也就是飞轮的疲劳寿命。这里要提两个概念，第一个叫萌生寿命，萌生寿命是我们假定飞轮转子是一块非常完美的材质，没有任何瑕疵的情况下，它在这个时候产生裂纹一直到破坏之后会有多少次循环寿命，这就是我们常说的一个千万级的寿命，通常是通过实验获得的sn曲线来计算的。第二个寿命我们叫残余寿命，残余寿命是假定这个材料中存在一定尺寸的缺陷，比如说沙眼、气泡、裂纹等等，是我们目前的检测手段无法检测出来的。在假定存在瑕疵的情况下，飞轮从产生裂纹一直到最后崩坏的时候所有的循环寿命，一般是通过Foreman关系式求解的，这种是百万级的寿命。所以我们要强调百万次的循环寿命实际并不是飞轮默认的一个指标。萌生寿命的计算会为飞轮的安全运行埋下一个隐患，以何种尺寸作为它残余寿命的计算值是确定飞轮使用寿命，是确保它安全的核心。
在这里给大家看一下我们公司目前采用的这种3a级c法无损探伤的超声设备，它是将飞轮转子整个浸没在水中，通过超声波的设备把超声波打过去之后，然后开始测试整个飞轮的缺陷，通过无损探伤可以确认0.4毫米以上的裂纹、气泡和沙眼的位置和大小。经过测算得出来的是我们飞轮的一个残余寿命。无损探伤方法它有一个限制，需要考虑飞轮的材质和尺寸大小，它目前能检测的是不大于30公分的这种金属体的损伤。飞轮安全的其他保障条件，包括飞轮运行状态的在线监测，以及整个生产和加工测试环境的监控，包括最后飞轮的被动防护和碎片遏制。
第三部分就是给大家介简单介绍一下飞轮储能技术在新型电力系统的多场景应用。主要是有以下几方面：一是做独立共享储能调配电站，我们通过飞轮或者是飞轮+电化学储能做独立储能电站，来提高整个区域电网的频率调节能力，来参与电力辅助服务市场获得收益。二是做新能源配储能，通过飞轮配合新能源场站，让新能源场站达到并网的要求，同时可以避免预留备用容量造成的经济损失，可以参与电力辅助服务市场来获得相关的调频收益。三是跟火电机组联合做火储联合，通过配飞轮储能来解决火电机组目前依次调频性能不足的问题，也可以搭配上火电机组来提升它的Agc调频性能，来减少火电机组自身调速系统的动作次数，延长整个机组的使用寿命，这是其中一个应用方向。四是一机一储，提高单风机的调频能力。目前我们认为这个方向最大的一个应用场景可能就是在海上风电系统，海上风电的单风机已经可以做到超过10兆瓦的单机了，可以预见它会越来越大，在一个海上的风电厂搭配储能来做一机一储的风储调频就非常有前景。五是源网荷储一体化的应用，通过减少分布式电源发电出力的波动，同时可以平抑整个冲击性负荷。
第四部分是我们的一些案例，给大家做简单的汇报。
第一个案例是我们在2020年完成的山西右玉老千山风电场，采用飞轮+锂电池做了一个混合储能调频项目，这是全国首个完成35千伏并网实验的兆瓦级飞轮储能系统，也是全国首个飞轮和锂电池搭配新能源做混合储能调频的项目。在当时通过了山西电科院的测试，完全满足《电力系统网源协调技术规范》DLT/1870中的一次调频技术指标相关要求。如图是当时现场的测试数据，简单给大家讲一下，黄色的曲线是整个风电场的出力情况，下面细一点的红色曲线是飞轮和锂电的混合储能调频系统的出力，紫色的是飞轮储能的出力。我们可以看到当频率出现波动时，混合储能系统是由飞轮单独出力来响应指令，当飞轮储能能量释放完毕，即白色曲线所代表的飞轮转速下降到下限时，由锂电池放电接替飞轮。下面这条细一点的黄色的曲线就是锂电池的出力，锂电池和飞轮实现了一个无缝衔接。
第二个项目是一机一储的代表，在去年完成整个项目的部署，12月之前通过了辽宁电科院相关专家的测试验收。整个系统是把飞轮储能系统和风电厂的一台单风机的0.69千伏侧进行了组合，在单风机侧实施响应系统频率变化，这样风机可以直接获得调频和惯量响应的能力。
第三个项目是我们在三峡集团乌兰察布的源网荷储一体化项目供货的一兆瓦飞轮储能系统，入选了国家能源局在2021年度能源领域的首台套重大技术装备目录。储能领域一共入选了8个项目，我们入选的是其中唯一一个在一次调频和惯量响应领域的技术项目。在今年3月飞轮系统通过了项目动模仿真平台的实验，在实验期间充分验证了它的各项性能指标均能满足应用要求。
第四个项目是我们在今年10月份刚刚供货，在现场正在测试的一个飞轮和锂电池混合储能的一次调频项目，这是国内首个飞轮+锂电池在风电场商用的一次调频混合储能项目，如图是整个现场的布置的情况。
最后再简单的介绍一下我们公司，沈阳微控是在2017年全面收购了美国VYCON公司，在2018年完成了技术转移，在2020年将整个工厂全部都部署到了沈阳（中德）高端装备制造产业园。作为国家级的高新技术企业，我们实现了设备的全本土化生产，目前已经获得了国内国外授权专利50余项，掌握了完整的磁悬飞轮技术体系。
同时我们是辽宁省主动磁悬浮技术应用工程研究中心的依托单位，建有目前国内一条唯一一条可以量产的全磁悬浮储能飞轮生产线，年产能是做到1000套，我们的目标是在明年把产能扩展到3000台套。目前在全球总部署的飞轮储能数量已经超过了3000台，整个行业涵盖了电力、数据中心、交通运输等领域。
我的介绍就到这里，谢谢大家。
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