飛輪儲能系統(tǒng)在1.5 MW風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用研究

韓永杰，任正義，吳 濱，李 翀

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

隨著能源結(jié)構(gòu)的變化，風(fēng)能和太陽能等可再生能源所占比例不斷增加，在一些國家和地區(qū)已成為主要能源。然而，這些新能源具有受風(fēng)和云等氣候條件影響的隨機(jī)性，其大規(guī)模應(yīng)用使得電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻、可再生能源發(fā)電出力平滑、分布式發(fā)電和微電網(wǎng)等問題日益突出，顯然儲能是解決這些能源問題的有效途徑之一。

各種新型儲能技術(shù)層出不窮，目前的儲能技術(shù)有抽水儲能、常規(guī)電池、飛輪儲能、超級電容器、超導(dǎo)儲能、壓縮空氣、液流電池和鈉硫電池等多種形式，每種儲能技術(shù)均有其突出的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用的局限性。有待于在使用壽命和容量的規(guī)?；?、運(yùn)行可靠性、系統(tǒng)制造成本等方面進(jìn)行突破。

風(fēng)能和太陽能等可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)需要解決兩方面主要問題：其一是建設(shè)安全、可靠和高效現(xiàn)代化的智能電網(wǎng)，使其具有接納可再生能源的能力；其二是可再生能源接入電網(wǎng)前進(jìn)行調(diào)節(jié)，符合現(xiàn)有電網(wǎng)的接納能力。飛輪儲能技術(shù)具有儲能密度大、效率高、成本低、瞬時功率大、響應(yīng)速度快、使用壽命長、溫度范圍廣、安全性能好、維護(hù)費(fèi)用低、環(huán)境污染小、不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，能快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率和電壓間歇性變化，恢復(fù)電網(wǎng)的質(zhì)量，在上述兩大方面均可發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。

1 飛輪儲能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

飛輪儲能技術(shù)在電網(wǎng)級調(diào)頻，可再生能源發(fā)電出力平滑，分布式發(fā)電和微電網(wǎng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

1.1 電網(wǎng)的調(diào)峰和調(diào)頻

大規(guī)模電網(wǎng)級別的儲能應(yīng)用，目前提及較多的是調(diào)峰和調(diào)頻兩種市場需求。調(diào)峰是維持中長時間尺度有功功率平衡，需要發(fā)電部門根據(jù)電力系統(tǒng)中的用電負(fù)荷隨著生產(chǎn)和生活的周期性變化規(guī)律，相應(yīng)地安排發(fā)電機(jī)的出力以適應(yīng)用電負(fù)荷的變化。調(diào)峰的時間尺度以小時或半天計(jì)，能量型儲能系統(tǒng)較為適合[3]。

調(diào)頻是維護(hù)電網(wǎng)運(yùn)行安全性的一項(xiàng)服務(wù)，保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。電力的頻率是由系統(tǒng)總的發(fā)電功率和用電功率決定的，由于用電側(cè)的功率時常處于波動狀態(tài)，如果總的用電超過或者低于額定功率一定范圍，將引起電網(wǎng)頻率偏離50 Hz（中國標(biāo)準(zhǔn)），嚴(yán)重的偏離將引起發(fā)電設(shè)備與電網(wǎng)斷電，最壞的情況將導(dǎo)致連鎖斷電，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來安全事故隱患。調(diào)頻的時間尺度在秒或分鐘級頻繁充放電，并且電網(wǎng)在一天24小時都在進(jìn)行調(diào)頻，需要功率型的儲能系統(tǒng)。

1.2 飛輪儲能在電網(wǎng)調(diào)頻中的應(yīng)用

由調(diào)頻對儲能技術(shù)的要求可知，儲能的技術(shù)特性非常適合于電力調(diào)頻。2008年美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的分析報告指出，同等規(guī)模下比較，儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻的效果是水電機(jī)組的1.7倍，是燃?xì)鈾C(jī)組的2.7倍，是火電機(jī)組和聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的近20倍。對飛輪儲能系統(tǒng)在電力調(diào)頻上的應(yīng)用優(yōu)勢，國內(nèi)外諸多學(xué)者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入研究[4-5]。

Beacon Power公司在飛輪儲能應(yīng)用上已走在了前列[6]，先后建立了3個飛輪陣列儲能調(diào)頻電站，其調(diào)節(jié)能力可達(dá)10%，并已穩(wěn)定運(yùn)行。圖1為Beacon Power 20 MW儲能電站示意圖，由200個飛輪組成陣列，提供調(diào)頻服務(wù)。Beacon Power針對飛輪儲能調(diào)頻服務(wù)與目前常規(guī)調(diào)頻進(jìn)行了對比試驗(yàn)，1 MW的飛輪儲能系統(tǒng)調(diào)頻能提供0.48 MW·h的服務(wù)，而調(diào)頻速率為1 MW/5 min的常規(guī)調(diào)頻僅能提供0.11 MW·h的服務(wù)，飛輪儲能是其4倍以上。美國聯(lián)邦法案對此也進(jìn)行了修訂，采取優(yōu)質(zhì)優(yōu)價的政策，提高了諸如飛輪儲能等能提供更好調(diào)頻服務(wù)的價格。

圖1 Beacon Power 20 MW儲能電站示意圖Fig.1 Beacon Power energy matrix 20 MW plant illustration

1.3 飛輪儲能用于風(fēng)力發(fā)電中“削峰填谷”

風(fēng)力發(fā)電的能量由于風(fēng)速因季節(jié)、時刻隨時變化而變化，而且變化頻率快、幅度大，通常是隨機(jī)的，這給風(fēng)力發(fā)電用戶在使用上帶來困難。飛輪儲能應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)揮響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，時時進(jìn)行“削峰填谷”。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率大于負(fù)荷功率時，多余的功率供給飛輪轉(zhuǎn)子，此時飛輪系統(tǒng)中的電動/發(fā)電機(jī)處于電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)化為動能；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率小于負(fù)荷功率時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率與負(fù)荷功率之差由飛輪系統(tǒng)儲存的能量提供，此時飛輪系統(tǒng)中的電動/發(fā)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，釋放動能并轉(zhuǎn)化為電能。

2 適合于1.5 MW風(fēng)機(jī)的飛輪儲能系統(tǒng)

2.1 飛輪儲能系統(tǒng)的總體方案

飛輪儲能系統(tǒng)以直流總線（DC BUS）方式連接到風(fēng)能電力線路中，其輸入和輸出均為直流。圖2是飛輪儲能系統(tǒng)總體方案。儲能系統(tǒng)由飛輪儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換模塊（含電機(jī)-發(fā)電機(jī)控制）、磁軸承控制模塊、監(jiān)控系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。其中控制部分采取上、下位機(jī)控制方式，監(jiān)控系統(tǒng)由工控機(jī)作為上位機(jī)，下位機(jī)采用DSP控制，分為電力轉(zhuǎn)換模塊和磁軸承控制模塊。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)總體方案Fig.2 Flywheel energy storage system overall design

2.2 飛輪儲能系統(tǒng)的容量匹配

（1）儲能量和最高工作轉(zhuǎn)速

儲能量的大小取決于具體的應(yīng)用場合，考慮1.5 MW風(fēng)機(jī)的應(yīng)用以及將來組成陣列大規(guī)模應(yīng)用，確定儲能量為E=10 kW·h。

最高工作轉(zhuǎn)速主要決定于飛輪轉(zhuǎn)子的支承條件以及飛輪的材料強(qiáng)度，綜合考慮確定為nmax=16000 r/min。

（2）飛輪轉(zhuǎn)子極轉(zhuǎn)動慣量當(dāng)飛輪以最高轉(zhuǎn)速16000 r/min運(yùn)行時，儲存的總能量為10 kW·h，即

式中，Jp為極轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ω為角速度，rad/s。

由式(1)得飛輪極轉(zhuǎn)動慣量為

（3）放電深度

取基速ω0（最低工作轉(zhuǎn)速）為最大轉(zhuǎn)速的1/2，則飛輪的放電深度為

儲能系統(tǒng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，存在能量轉(zhuǎn)換效率問題，為了計(jì)算方便忽略效率，則有效發(fā)電量為Ey=Eλ=7.5 kW·h

（4）電動機(jī)/發(fā)電機(jī)功率

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，1.5 MW風(fēng)機(jī)占有較大比例，因此，以1.5 MW風(fēng)機(jī)來確定飛輪儲能系統(tǒng)發(fā)電的最大功率。按1.5 MW風(fēng)機(jī)功率需調(diào)節(jié)10%計(jì)算，飛輪儲能系統(tǒng)發(fā)電功率為150 kW，考慮到可能出現(xiàn)更大峰值情況，取發(fā)電最大功率為200 kW。

電動機(jī)/發(fā)電機(jī)為一體化結(jié)構(gòu)，根據(jù)發(fā)電最大功率及考慮用于風(fēng)電調(diào)節(jié)對儲能裝置工作的需求，其充放電時間應(yīng)該近似相等，所以選擇充電最大功率為200 kW。當(dāng)然，根據(jù)電動機(jī)驅(qū)動控制方式不同，也可以降低最大功率。

2.3 飛輪儲能裝置總體結(jié)構(gòu)

飛輪儲能裝置是飛輪儲能系統(tǒng)的核心，其總體方案直接影響儲能系統(tǒng)的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性，確定飛輪儲能裝置總體方案如圖3所示。主要由飛輪轉(zhuǎn)子、電動機(jī)/發(fā)電機(jī)、徑向電磁軸承、軸向電磁軸承、輔助軸承、真空室等組成。飛輪轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子軸、飛輪輪轂、多層復(fù)合材料飛輪等，電動機(jī)/發(fā)電機(jī)、徑向電磁軸承、軸向電磁軸承的轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)子軸上，相應(yīng)定子由殼體固定支撐，在轉(zhuǎn)子軸的兩端裝有輔助軸承，上述所有部件密封在真空室中，使飛輪轉(zhuǎn)子工作時具有更小的工作阻力[7]。具體如下：①轉(zhuǎn)子軸采用整體結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)零部件的安裝形成不同的階梯，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度；②飛輪包括金屬輪轂和多層套裝的復(fù)合材料飛輪，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度；③電磁軸承包括兩個徑向磁軸承和一個軸向磁軸承， 徑向磁軸承分別位于飛輪兩端，電磁軸承應(yīng)滿足轉(zhuǎn)子動力學(xué)的要求；④電動機(jī)/發(fā)電機(jī)為一體機(jī)，采用交流同步永磁電機(jī)形式，應(yīng)滿足系統(tǒng)充電和放電所需功率和時間要求，電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的定子線圈采用水冷方式；⑤輔助軸承由上、下兩個組成，提供系統(tǒng)靜止時的支撐和磁軸承失效時的系統(tǒng)保護(hù)；⑥真空系統(tǒng)應(yīng)保持真空室內(nèi)的真空度。

圖3 飛輪儲能裝置總體方案Fig.3 Flywheel energy storage module overall design

3 飛輪儲能系統(tǒng)充放電工作模式

3.1 電動機(jī)/發(fā)電機(jī)充放電工作模式

電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的控制可以采用恒扭矩和恒功率控制方式，電動機(jī)/發(fā)電機(jī)工作模式及控制方式見表1。

表1 電動機(jī)/發(fā)電機(jī)工作模式及控制方式Table 1 Motor/generator operating mode and control mode

3.2 發(fā)電機(jī)功率及放電時間

放電時間由負(fù)荷決定，在忽略能量轉(zhuǎn)換效率的情況下，放電時間由式(4)計(jì)算

式中，N為功率，kW。

當(dāng)放電深度為3/4時，不同負(fù)荷比的發(fā)電功率時間曲線如圖4所示。

圖4 發(fā)電功率時間曲線Fig.4 Output power vs.discharge time curve

3.3 電動機(jī)功率及充電時間

電動機(jī)的功率按式(5)計(jì)算

式中，N為功率，kW；M為扭距，N·m。

慣性負(fù)載扭矩按式(6)計(jì)算[8]

式中，ε為角加速度，rad/s2。

由式(6)得恒扭矩加速時間為

式中，ω1為初始角速度，rad/s；ω2為結(jié)束角速度，rad/s。

恒功率加速時間與放電時間計(jì)算方法相同，由式(4)得

表1中的控制方式1和控制方式2由于采用了不同的工作模式，因此，在充電過程中扭矩和功率也不同，下面分別計(jì)算兩種控制方式的扭矩、功率和充電時間。

控制方式1最大扭矩發(fā)生在基速點(diǎn)，隨著轉(zhuǎn)速升高，扭矩下降，保持充電功率恒定。圖5是不同轉(zhuǎn)速下扭矩、功率和充電時間的曲線。

圖5 控制方式1扭矩、功率和充電時間Fig.5 Torque, power and charging time of control mode 1

控制方式2隨著轉(zhuǎn)速升高，功率增大，最大功率出現(xiàn)在最大轉(zhuǎn)速時，由靜止到最高轉(zhuǎn)速保持扭矩恒定。此時扭矩為圖5中最高轉(zhuǎn)速時的扭矩，即M=119.4 N·m。不同轉(zhuǎn)速下扭矩、功率和充電時間曲線如圖6所示。

圖6 控制方式2扭矩、功率和充電時間Fig.6 Torque, power and charging time of control mode 2

由圖5和圖6可以看出，恒功率控制方式1所需充電時間為恒扭矩控制方式2的3/4，啟動時間為1/2，最大扭矩為2倍，兩者最大功率均為200 kW。

4 結(jié) 語

飛輪儲能在電網(wǎng)級別調(diào)頻、風(fēng)力發(fā)電平滑輸出以及分配式發(fā)電和微網(wǎng)等領(lǐng)域均具有技術(shù)優(yōu)勢。以1.5 MW風(fēng)機(jī)平滑輸出為對象，匹配了相應(yīng)的飛輪儲能總體技術(shù)指標(biāo)，并對儲能系統(tǒng)和飛輪儲能裝置進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，分析了飛輪儲能系統(tǒng)的工作模式，為電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)以及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的開發(fā)提供依據(jù)。通過對飛輪儲能系統(tǒng)工作模式的分析，用于調(diào)頻和可再生能源平滑輸出的飛輪儲能系統(tǒng)，需要不斷地進(jìn)行充放電，比對UPS用的飛輪儲能系統(tǒng)的要求更高。

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