飛輪物理儲能系統(tǒng)分析及應用

王世國

摘要：隨著人們生活質量在不斷提高，對于電力的需求在不斷加大，隨著儲能技術日趨成熟和成本快速下降，中國儲能產業(yè)快速發(fā)展，逐步從研發(fā)示范向商業(yè)化階段過渡，但整體來看儲能產業(yè)還處于發(fā)展初期階段，仍存在發(fā)展前景不明晰、技術標準不完善、商業(yè)模式和市場機制不清晰等問題。從發(fā)展規(guī)模、技術經濟性、產業(yè)鏈等方面總結中國儲能發(fā)展現(xiàn)狀，基于“源-網-荷-儲”協(xié)調規(guī)劃理論，從宏觀層面展望新能源大規(guī)模發(fā)展形勢下中長期儲能發(fā)展前景，研究儲能在電力系統(tǒng)中的合理運行方式、與新能源消納關系等重要問題;從微觀層面對儲能在電源側、電網側和用戶側等場景的應用關鍵問題及發(fā)展對策進行分析，并提出相關建議，為推動中國儲能產業(yè)健康發(fā)展提供參考。

關鍵詞：飛輪儲能系統(tǒng);交流側儲能;直流側儲能;儲能前景分析

1、引言

通過對相關一系列儲能技術進行分析和研究，就能對我國電力系統(tǒng)在實際運行過程中的狀況進行全面的了解。通過運用新能源，能科學有效的處理能源大規(guī)模缺乏這一問題。在對系統(tǒng)自身穩(wěn)定性進行加強的基礎上，還能對其全面性給予保證，進一步提高功率在波動過程中的指令，加強電能質量，對出現(xiàn)的問題進行科學處理?，F(xiàn)階段無論是儲能系統(tǒng)的前期規(guī)劃，還是中期進行推動的過程，都能加強經濟性，對資源配置進行不斷優(yōu)化的基礎上，還能保證不同場合的儲能系統(tǒng)都能得到科學有效的運用。

2、飛輪物理儲能系統(tǒng)簡介

飛輪儲能系統(tǒng)是一種機電能量轉換的儲能裝置，突破了化學電池的局限，用物理的方式實現(xiàn)儲能，通過電動機/發(fā)電機互逆式雙向電機，實現(xiàn)電能與高速旋轉的飛輪的機械動能之間的相互轉換與存儲，并通過電力電子設備實現(xiàn)與不同系統(tǒng)之間的接入與控制。

當充電時，采用電動機工作模式，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電動機帶動飛輪加速旋轉，將電能轉變?yōu)闄C械能存儲，完成充電過程;當放電時，采用發(fā)電機工作模式，利用發(fā)電機將飛輪高速旋轉的動能轉變?yōu)殡娔埽涬娏D換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成放電過程。

2.1飛輪系統(tǒng)核心組件

飛輪模塊：系統(tǒng)核心部件，可實現(xiàn)20年免維護

圖形用戶界面：提供系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)功能設定等功能

飛輪控制單元：實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、通信等功能

磁懸浮軸承控制單元：實現(xiàn)五軸主動磁懸浮軸承的監(jiān)測與控制功能

雙向變流器：對飛輪電機變頻電壓進行轉換，滿足不同應用場景接入電壓的要求

真空泵：維持飛輪殼體內的真空度，以減少風阻損失，從而提高飛輪能量效率

2.2飛輪物理儲能系統(tǒng)主要特點：

高安全性：純物理儲能過程，無化學反應，全方位參數監(jiān)測，SOC狀態(tài)透明，安全可控

綠色環(huán)保：全生命周期綠色無污染，飛輪采用合金鋼材料，退役后可全部回收利用，處理成本低

長壽命：基于主動磁懸浮軸承，無機械摩擦，核心部件長達20年使用壽命，>200萬次循環(huán)充放電壽命

高功率：單臺飛輪儲能設備的功率高達數百千瓦，功率密度高，可組成數兆瓦級的飛輪儲能系統(tǒng)

快充放：基于IGBT電力電子技術，實現(xiàn)毫秒級快速充放電響應

寬溫域：運行溫度范圍寬，無需精密溫控環(huán)境

易部署：模塊化、標準化設計，運輸和施工方便，容易選址，建設周期短

2.3應用簡介（沈陽微控新能源技術有限公司產品）

VDC飛輪物理儲能系統(tǒng)

VDC系列產品的主要運行模式：平時處于“浮充”狀態(tài)，維持37000rpm的最高轉速持續(xù)運行，最大化儲存能量;需要放電時，給負載提供大功率輸出。VDC系列產品作為飛輪儲能UPS（免蓄電池）解決方案，已經在數據中心、電力行業(yè)、電信行業(yè)、半導體加工行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、機場等領域得到成熟的應用。

REGEN飛輪物理儲能系統(tǒng)

REGEN系列產品安全可靠性高，使用壽命長，適用于頻繁的充電和放電運行。在充電狀態(tài)下，將電能轉換成飛輪的動能儲存;在放電狀態(tài)下，將飛輪儲存的動能轉換成電能輸出。REGEN系列產品作為能量回收的優(yōu)化解決方案，已經在地鐵軌道交通領域得到成熟的應用。REGEN系列產品在微電網、新能源場站、調頻輔助服務、船舶電力推進、電動公交車等領域均能提供優(yōu)化的儲能解決方案。

飛輪陣列儲能系統(tǒng)

系統(tǒng)簡介

將多臺模塊化的飛輪儲能單元并聯(lián)起來組成飛輪陣列儲能系統(tǒng)，是獲得大容量、高功率飛輪儲能系統(tǒng)的解決方案，基于成熟的飛輪儲能單元，采用智能化的飛輪陣列管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從數百千瓦級到數十兆瓦級的飛輪儲能系統(tǒng)，可滿足直流電網和交流電網對不同規(guī)模飛輪儲能的需要。

系統(tǒng)主要技術特點

系統(tǒng)可滿足直流電網和交流電網不同電壓規(guī)格的接入要求

系統(tǒng)采用模塊化的設計理念，組態(tài)靈活，兼容性強，擴容方便、滿足不同容量、不同功率的飛輪儲能需求

系統(tǒng)采用智能化的飛輪陣列管理系統(tǒng)，集成了數據監(jiān)測控制子系統(tǒng)和能量管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)對飛輪陣列的全方位管控

系統(tǒng)提供對外通訊和調度接口，可接受本地和遠方的調度指令，進行充放電控制

系統(tǒng)充放電響應速度快，一致性好，每臺飛輪儲能單元的電量狀態(tài)和轉速直接對應，完全透明，可精確控制飛輪陣列內的每一臺飛輪儲能單元同步充電或放電。

3、飛輪儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用

在火電機組AGC調頻領域，通過“飛輪+鋰電”混合儲能系統(tǒng)與火電機組進行聯(lián)合AGC調頻，可以提高儲能系統(tǒng)響應AGC指令的能力，提高調節(jié)精度，進一步提高綜合K值，同時可以延長鋰離子電池的使用壽命，提高其安全性。

在分布式智能微電網方面，適合采用飛輪儲能為主的環(huán)?；旌蟽δ芊绞?。由于電網轉動慣量小、運行方式復雜，新能源發(fā)電和用電負荷的不確定性和波動性對運行狀態(tài)影響小，電網穩(wěn)定控制難度高，能滿足毫秒至分鐘級高頻次的飛輪儲能技術就非常重要。

在新能源領域，隨著新能源裝機比例和發(fā)電量占比的不斷提升，儲能作為穩(wěn)定電力系統(tǒng)運行的重要手段，將承擔系統(tǒng)調節(jié)和保障穩(wěn)定的重要作用。無論是分布式光儲配套還是集中式新能源與儲能的協(xié)同，儲能與新能源的結合是我國乃至全球儲能技術發(fā)展的必然趨勢。飛輪儲能作為功率型的儲能技術，與其他能量型的儲能技術相結合組成混合儲能系統(tǒng)，進行協(xié)同控制，可以更好地滿足新能源發(fā)電對配套儲能的需求，系統(tǒng)整體性能更優(yōu)。

飛輪儲能是用物理方法實現(xiàn)電能存儲， 是一種高度機電一體化產品， 是最有發(fā)展前途的儲能技術之一。飛輪儲能與其他幾種典型儲能方式性能相比，飛輪儲能使用壽命可達到20年以上，超過了其他幾種儲能方式，并且由于飛輪儲能是機械儲能方式，對于工作溫度沒有特定的要求，對于環(huán)境幾乎沒有影響。飛輪儲能具有較大的容量密度和功率密度，維護周期長，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，適用于調峰調頻，電能質量調節(jié)，輸配電系統(tǒng)穩(wěn)定性，UPS等場合。

結語

飛輪儲能技術能夠有效解決大規(guī)模波動性可再生能源并網帶來的系列問題，滿足系統(tǒng)調峰消納需求，增強暫態(tài)支撐能力，提高并網容量，從而提升可再生能源的整體并網友好性，作為一種新興的儲能方式，飛輪儲能擁有傳統(tǒng)化學電池無法比擬的優(yōu)點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術的發(fā)展方向，可以預見，伴隨著技術和材料學的進步，飛輪儲能將在未來的各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻

[1]（英）戴維·林登，托馬斯B.雷迪，著.電池手冊[M].3版.汪繼強，譯.北京：化學工業(yè)制版社，2007.

[2]彭彬，朱勇，馬天馳.基于應用層邏輯的分布式集群架構在生物計算中的應用[J].計算機系統(tǒng)應用，2007，16（6）：62-66.

[3]張永東，金晶.儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀與前景[J].信息系統(tǒng)工程，2018，289（1）：104.