飛輪儲能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展前景

本刊記者 王睿佳

近日，本刊記者就飛輪儲能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展前景，采訪了華北電力大學(xué)先進飛輪儲能技術(shù)研究中心教授柳亦兵、秦立軍、梁雙印、馮彥杰、李曉輝。

《中國電業(yè)》：飛輪儲能在我國尚屬新行業(yè)領(lǐng)域，請簡單介紹一下飛輪儲能。

答：飛輪儲能是一種物理儲能方式，原理很簡單，是利用旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時的動能實現(xiàn)能量存儲和釋放。旋轉(zhuǎn)體由同軸的飛輪轉(zhuǎn)子和雙向電機轉(zhuǎn)子組成。雙向電機工作在電動機狀態(tài)時，使飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成動能存儲；雙向電機工作在發(fā)電機狀態(tài)時，使飛輪減速旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)換成電能輸出。

在目前適合規(guī)模化商業(yè)運行的儲能技術(shù)中，飛輪儲能具有功率密度高、充放電響應(yīng)速度快、使用壽命長、放電深度大、無環(huán)境污染、運營成本低、安全風(fēng)險小等的綜合優(yōu)勢，非常適合快速大功率充放電應(yīng)用場合。飛輪儲能技術(shù)的研究可以追溯上百年，過去幾十年在通信、石油、交通、航天和軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外已有多家生產(chǎn)飛輪儲能產(chǎn)品的公司，國外有BeaconPower、TemporalPower、Active Power，AmberKinetics、VYCON、Boeing、QuantumEnergy等，國內(nèi)有沈陽微控公司、泓慧公司、華陽科技、貝肯新能源公司等。今年舉辦的國際儲能高峰論壇及產(chǎn)品展覽會上，從展出的飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)品看，多數(shù)公司主要生產(chǎn)容量較小的飛輪儲能設(shè)備產(chǎn)品，存電量少，充放電時間較短，主要用于傳統(tǒng)的通信、石油、交通、艦船、航天等領(lǐng)域作為應(yīng)急供電或穩(wěn)壓電源等。只有少數(shù)公司展出了大容量功率型飛輪儲能系統(tǒng)的實際產(chǎn)品。

《中國電業(yè)》：請具體談?wù)勶w輪儲能的特點和優(yōu)勢。

答：與其他儲能形式比，飛輪儲能有以下幾點突出優(yōu)勢：

（1）大功率快速響應(yīng)和快速充放能力：可以達到很高功率密度和很快響應(yīng)時間。額定功率響應(yīng)時間低于0.1秒?？梢耘渲么蠊β孰姍C，實現(xiàn)能量快速深度充放。而且飛輪儲能類似傳統(tǒng)發(fā)電機組可以為電網(wǎng)提供旋轉(zhuǎn)慣性。

（2）超高的循環(huán)充放次數(shù)和超長使用壽命：滿功率充放電循環(huán)次數(shù)可以超過10萬次，儲能部件設(shè)計壽命超過25年。

（3）飛輪儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)精確可測可控：飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和儲能量成精確關(guān)系，可以通過精確測量飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)儲能量的精確監(jiān)測和控制。

（4）高安全可靠性和環(huán)保性能：飛輪儲能是物理儲能方式，通過高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子實現(xiàn)能量存儲，沒有燃燒和爆炸的風(fēng)險，沒有危險化學(xué)物的處理與回收問題，不產(chǎn)生任何環(huán)境污染。飛輪轉(zhuǎn)子的主要失效模式是超速旋轉(zhuǎn)造成轉(zhuǎn)子內(nèi)部應(yīng)力超過材料強度極限，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋損傷，嚴重時轉(zhuǎn)子發(fā)生爆裂。飛輪儲能系統(tǒng)通過先進設(shè)計制造技術(shù)，使得發(fā)生轉(zhuǎn)子爆裂事故的風(fēng)險極低，并且通過配置的監(jiān)測和安全保護系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子裂紋故障進行預(yù)警和保護，極端情況下，飛輪儲能轉(zhuǎn)子外殼和基礎(chǔ)也可以對轉(zhuǎn)子爆裂故障發(fā)揮安全防護作用，就地消納能量，有效避免發(fā)生嚴重安全事故。

（5）強環(huán)境適應(yīng)性和低運維成本：飛輪儲能系統(tǒng)的運行環(huán)境條件要求低，工作溫度范圍寬；日常運行維護工作量少，儲能系統(tǒng)核心部件全壽命不需要更換。

《中國電業(yè)》：飛輪儲能在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中扮演怎樣的角色？

答：到2030年，我國以風(fēng)電、太陽能為主的新能源發(fā)電裝機要達到12億千瓦以上。風(fēng)電和太陽能發(fā)電的突出特點是發(fā)電出力具有隨機波動性和間歇性，大規(guī)模接入電網(wǎng)后，帶來了電力平衡、電量消納、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制等諸多新挑戰(zhàn)，對電力系統(tǒng)快速靈活調(diào)節(jié)提出更高要求。隨著新能源在電力系統(tǒng)中的占比不斷提高，由輔助電源逐漸成為主要電源，這些問題更加突出。2021年1月27日，國家電網(wǎng)有限公司董事長辛保安在世界經(jīng)濟論壇“達沃斯議程”視頻對話會上的“加速清潔能源轉(zhuǎn)型”專題發(fā)言指出，國家電網(wǎng)公司將深入貫徹習(xí)近平總書記重要講話和指示精神，落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，加快建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，助力實現(xiàn)“雙碳”目標，為能源清潔低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)綠色發(fā)展貢獻力量。未來5年，國家電網(wǎng)公司將年均投入超過700億美元，推動電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級，以堅強智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將先進信息通信技術(shù)、控制技術(shù)與能源技術(shù)深度融合應(yīng)用，具有清潔低碳、安全可靠、泛在互聯(lián)、高效互動、智能開放特征的智慧能源系統(tǒng)，可從多方面促進能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，助力實現(xiàn)“雙碳”目標。

電網(wǎng)獨立調(diào)頻用飛輪儲能電站示例（左圖：美國Stephentown；右圖：加拿大Guelph）。

國家電網(wǎng)公司為了給新能源大規(guī)模開發(fā)利用提供配置平臺，增加大規(guī)模新能源的消納能力，采取了許多重大舉措，包括發(fā)展大規(guī)模能源互聯(lián)網(wǎng)及智能電網(wǎng)、建設(shè)特高壓輸電線路、大力推進各種儲能調(diào)節(jié)資源建設(shè)等，同時也對各種發(fā)電機組的靈活調(diào)節(jié)能力提出更高要求。由于新能源出力的隨機波動性和間歇性，高比例接入電網(wǎng)將導(dǎo)致電網(wǎng)有功負荷快速小幅波動增加。根據(jù)國內(nèi)電網(wǎng)的近期統(tǒng)計情況：從華北電網(wǎng)某火電廠60萬機組AGC統(tǒng)計數(shù)據(jù)和廣東電網(wǎng)某火電廠30萬機組AGC統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，絕大部分AGC信號持續(xù)時間不超過10分鐘，90%的AGC信號持續(xù)時間小于6分鐘，其中74%的AGC信號持續(xù)時間小于3分鐘。這些數(shù)據(jù)表明，未來在新型電力系統(tǒng)中，快速頻繁小幅有功功率調(diào)節(jié)（調(diào)頻）的任務(wù)越來越多，對快速小幅度調(diào)頻資源的需求也必將越來越大。

在目前大規(guī)模應(yīng)用的各種儲能形式中，飛輪儲能具有可以實現(xiàn)大功率快速充放電的特點，可以彌補新能源發(fā)電的隨機性、波動性，并實現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，使大規(guī)模風(fēng)電及太陽能發(fā)電更安全更可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)，在電力系統(tǒng)快速負荷調(diào)節(jié)方面具有獨特優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)獨立調(diào)頻、輔助火電和新能源（風(fēng)光）調(diào)頻、微電網(wǎng)及綜合能源等場景。隨著智能電網(wǎng)、分布式供電等新技術(shù)的推廣應(yīng)用，飛輪儲能的作用進一步突現(xiàn)出來，其發(fā)展和應(yīng)用將對新能源乃至整個電力系統(tǒng)帶來革命性的影響。

《中國電業(yè)》：飛輪儲能的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？其發(fā)展前景如何？

答：目前飛輪儲能在航空航天、艦船、交通、石油開采、通信等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，這些應(yīng)用場景以儲能容量較小的飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)品為主，主要發(fā)揮飛輪儲能的電能快充快放特點和優(yōu)勢，用作應(yīng)急電源、穩(wěn)壓電源等，凡是在需要電能瞬時快充快放的場合，飛輪儲能都可以發(fā)揮更大作用。進入21世紀以來，隨著全球范圍新能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)瞬時有功負荷波動問題加大，飛輪儲能的快速負荷響應(yīng)和充放電特點開始受到重視，并開始在電網(wǎng)調(diào)頻方面得到應(yīng)用。飛輪儲能可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的多種場景，包括作為獨立調(diào)頻電源、輔助傳統(tǒng)發(fā)電機組（火電機組、水電機組等）和新能源電站調(diào)頻、微網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)等。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)快速負荷波動的調(diào)節(jié)特性，充分發(fā)揮飛輪儲能的優(yōu)勢，應(yīng)選用大容量、大功率的飛輪儲能單元設(shè)備，將多個飛輪儲能單元組成飛輪儲能陣列，構(gòu)建額定功率10MW/儲能量MW級別以上的大容量飛輪儲能電站，具備數(shù)分鐘的充放電持續(xù)時間，以滿足電力系統(tǒng)中對快速有功負荷調(diào)節(jié)的不同應(yīng)用需求。

資料圖

在“雙碳”目標背景下，我國未來將發(fā)展以新能源發(fā)電為主要發(fā)電支撐的新型電力系統(tǒng)。為了解決新能源發(fā)電存在的強隨機波動性和間歇性問題，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需要大力發(fā)展各種儲能資源，提升電力系統(tǒng)的負荷調(diào)控能力，同時也對發(fā)電企業(yè)的靈活調(diào)節(jié)能力提出更高要求。在目前大規(guī)模應(yīng)用的各種儲能形式中，只有飛輪儲能具有可以實現(xiàn)大功率快速充放電、無限循環(huán)壽命的獨特優(yōu)勢，非常適合電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)指令快速變化的調(diào)頻任務(wù)，可以廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)獨立調(diào)頻、輔助火電、新能源（風(fēng)光）進行調(diào)頻、微電網(wǎng)及綜合能源系統(tǒng)快速負荷平衡等場景，具有廣闊發(fā)展前景。

《中國電業(yè)》：當前，飛輪儲能乃至整個儲能領(lǐng)域還沒有形成獨立產(chǎn)業(yè)鏈，儲能行業(yè)的商業(yè)化模式尚未完全成形。請談?wù)勶w輪儲能的發(fā)展現(xiàn)狀，未來需要哪些政策支持？

答：根據(jù)我國儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）2019年的研究報告，世界范圍規(guī)劃、在建和已經(jīng)投運的飛輪儲能電站項目共有14個，共計81兆瓦。其中只有美國BeaconPower公司和加拿大TemporalPower公司有大容量飛輪儲能獨立調(diào)頻電站的成功應(yīng)用業(yè)績。美國BeaconPower于2011年在美國投運了2個20兆瓦飛輪儲能電站，每個電站采用200個單體功率100千瓦/30千瓦時的飛輪儲能單元組成飛輪儲能陣列，通過集中能量管理系統(tǒng)進行控制，參與電網(wǎng)獨立調(diào)頻；加拿大TemporalPower從2014年以后陸續(xù)在加拿大安大略省及加勒比海投運了三個飛輪儲能電站項目，裝機容量分別為2兆瓦、5兆瓦和10兆瓦，分別采用單體功率250千瓦/50千瓦時和500千瓦/50千瓦時的兩種飛輪儲能單元產(chǎn)品組成飛輪儲能陣列，提供電力系統(tǒng)調(diào)頻和輔助服務(wù)。繼北美電力市場之后，歐洲電力市場也開始呈現(xiàn)出對調(diào)頻資源的需求，而飛輪作為快速調(diào)節(jié)資源已經(jīng)開始獲得歐洲電網(wǎng)運營商的認可。據(jù)報道，愛爾蘭EirGrid公司規(guī)劃了歐洲首個飛輪儲能項目，規(guī)模達到20兆瓦，但是未見后續(xù)進展的報道。

2010年前后，我國出現(xiàn)了一批飛輪儲能系統(tǒng)商業(yè)推廣示范應(yīng)用的技術(shù)開發(fā)企業(yè)，但我國在飛輪儲能理論和應(yīng)用方面仍不成熟。我國飛輪儲能行業(yè)處在發(fā)展初期，根據(jù)中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會產(chǎn)業(yè)政策研究中心統(tǒng)計顯示，截至2018年12月31日，中國儲能裝機31.3吉瓦。其中，飛輪儲能1.1兆瓦。

從目前飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展來看，目前中國市場上飛輪儲能應(yīng)用大部分為試點產(chǎn)品，成熟運行產(chǎn)品較少，運行功率較低，后備時間極短，部分技術(shù)性能需要進一步完善。在系統(tǒng)容量、轉(zhuǎn)換率、使用壽命、安全性等方面亟須創(chuàng)新和突破。同時，飛輪儲能商業(yè)化還存在成本偏高、缺少價格激勵政策、技術(shù)路線不夠成熟、欠缺技術(shù)規(guī)范和接入標準等問題?！?/p>