飛輪儲能技術及其耦合發(fā)電機組研究進展

徐憲龍 ，張藝凡 ，孫浩程 ，趙浩騰 ，趙國睿 ，楊浩 ，魏書洲 ,?

（1.三河發(fā)電有限責任公司，河北 廊坊 065201；2.河北省燃煤電站污染防治技術創(chuàng)新中心，河北 廊坊 065201；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003）

0 引言

“碳達峰、碳中和”政策的提出，為我們能源結構轉型統(tǒng)籌碳減排任務指明了方向[1]。對我國來說，超前的綠色能源布局和發(fā)掘新能源的潛能是實現(xiàn)低碳目標的重要基礎。因此，新能源電力的大量并網已是大勢所趨。然而，新能源電力的波動性和不確定性對原有火電機組的沖擊是實現(xiàn)目標過程中面對的一大難題[2]。提高發(fā)電機組一次調頻能力是解決這一難題的重要途徑之一。我國已經有多位學者采用各種方法進行研究。例如，任曉辰通過削弱主蒸汽壓力拉回回路影響、取消一次調頻指令濾波環(huán)節(jié)、增加一次調頻指令緩回功能和提升主蒸汽工作壓力對一次調頻的修正功能來進行一次調頻的優(yōu)化，結果是機組各主要參數可以保持穩(wěn)定，最終可以保證負荷的響應速度和精度都可以符合標準要求，主蒸汽壓力的動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差都會比原來更小[3]。王憲[4]將電網負荷劃分為不同周期分配給飛輪儲能與火電機組，結果發(fā)現(xiàn)整體的調頻效果明顯改善。蔣華婷[5]對飛輪儲能與鋰離子電池聯(lián)合參與二次調頻進行研究，結果是設計出以經濟性最優(yōu)為目標的儲能容量配置方案。隋云任等[6]對二次調頻的研究主要是通過飛輪儲能輔助燃煤機組進行的，結果證實該方案可以減小主蒸汽壓力波動范圍，同時顯著提高調頻性能。

飛輪儲能不僅在工業(yè)中有自己的應用，在生活中用處也十分廣泛。例如，分布式飛輪儲能式電動汽車快速充電站，解決了電動汽車在瞬時接入充電站造成的電力電子設備受損和電網電壓突變等問題。該調控策略能夠平衡分布飛輪儲能快速充電站的直流母線電壓和各個裝置的功率。該控制策略為兩級式控制策略：一級控制器主要用來平衡電動汽車充電器在瞬時接入電網時造成的功率波動；二級控制器主要用于解決FESS響應時間長、FESS分布放置造成的各直流母線連接處電壓差異較大等問題。通過實時仿真系統(tǒng)證實，采用該方法后，電動汽車在瞬時接入時變換器輸出電流上升平穩(wěn)、電壓波動較小。同時，實驗結果表明，該方法可以平衡各FESS的充放電功率，使FESS能夠快速響應脈沖式大功率負載[7]。

然而現(xiàn)有的飛輪儲能技術仍然沒有統(tǒng)一的耦合應用指標。為此，本文將系統(tǒng)評述飛輪儲能技術的工作原理及其研究現(xiàn)狀，最后對風電、火電、太陽能等多能源與飛輪儲能的耦合發(fā)電機組進行研究和討論。

1 飛輪儲能系統(tǒng)應用特點

1.1 工作原理

飛輪儲能系統(tǒng)，又可以稱為電動機械電池或飛輪電池，是一種能實現(xiàn)電能與機械能相互轉換，同時可以儲存機械能和輸出電能的設備[8]。飛輪儲能系統(tǒng)的主要構成元件包括高速飛輪、電力電子設備、永磁電動/發(fā)電機、真空室、磁軸承系統(tǒng)及其他附加設備等，飛輪儲能系統(tǒng)的具體工作原理為：在用電低谷期，飛輪儲能系統(tǒng)的電力電子設備將電網提供的電能用于驅動電動機工作，同時使其帶動飛輪高速旋轉，來實現(xiàn)電能轉化為機械能的儲能過程；而在用電高峰期，高速旋轉的飛輪能夠帶動發(fā)電機旋轉，通過電力電子設備將電能進行整流和調頻等變化后再穩(wěn)定地向外輸出，從而實現(xiàn)機械能轉化為電能的輸出能量過程[9]，飛輪儲能裝置的工作原理如圖1所示。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理Fig.1 The working principle of flywheel energy storage system

1.2 研究過程與現(xiàn)狀

從1990年至今，美國、歐洲和日本是全世界飛輪儲能技術開發(fā)和研究的三大主要集中地。與發(fā)達國家相比，我國的飛輪儲能技術發(fā)展較晚，同時一些硬件設施，如技術水平和投資規(guī)模等都相對較低。在我國，目前就飛輪儲能技術展開相關研究的單位數量有十余家，同時，其研究關于飛輪儲能設備的范圍較廣，其中包括就飛輪儲能自身性能的研究包括復合材料飛輪、高速電機分析和設計、多型電機的選用、軸系動力學、充放電測試、飛輪儲能系統(tǒng)充放電控制方法與策略等；飛輪儲能技術在實際工程中的應用主要包括風力發(fā)電動態(tài)電壓補償、動力調峰、電網調頻等電力行業(yè)應用等[10]。此外，隨著相關環(huán)保政策的推行與實際工程的需要，相關科研單位與學者加大了對其的研究與開發(fā)，并取得了一些較為先進的科研成果，研究進程與現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 國內飛輪儲能研究現(xiàn)狀Fig.2 Research status of flywheel energy storage in China

現(xiàn)有飛輪儲能與發(fā)電機組耦合的研究主要關注點包括如何維持飛輪儲能的正常工作狀態(tài)以及維持鍋爐壓力穩(wěn)定、節(jié)省煤耗，使飛輪儲能快速響應外界負荷變化。目前飛輪儲能技術應用情況如表1所示。

表1 飛輪儲能技術應用Tab.1 Application of flywheel energy storage technology

隋云任等[11]在飛輪儲能輔助的600 MW燃煤機組調頻中進行研究發(fā)現(xiàn)，當燃煤機組耦合了12 MW的飛輪儲能系統(tǒng)之后，燃煤機組運行的穩(wěn)定性與調峰調頻能力得到了顯著提高。主蒸汽壓力波動趨于平穩(wěn)，其壓力變化量峰值減少到了未改造機組蒸汽壓力變化幅度的1/9。此外，其波動恢復穩(wěn)定所需要的時間縮短了175 s。因此，當機側的變流器控制輸出功率時，用網側變流器來控制的與直流母線相連接的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略是具有工程意義的，可以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行并且提高飛輪儲能系統(tǒng)的輔助調頻能力。在參與功率調節(jié)時，耦合飛輪儲能裝置輔助調頻的燃煤機組，火電機組的汽輪機輸出功率所受到的外界的負荷擾動也隨之減少，同時也可以保護到熱力發(fā)電設備。目前，飛輪儲能的應用方法靈活、應用場景廣泛，可單臺應用也可多臺并聯(lián)共同調節(jié)來提供更大的儲能容量，來輔助電網中的調峰工作；還可作為調頻電廠，來起到穩(wěn)定電網頻率、平衡負荷的作用[14]。

總的來說，在陸用電網電站，飛輪儲能的應用更加成熟，而在獨立電站上的應用，如艦船等仍然還處于起步階段中，工程化的應用還較少，但已經引起了許多研究學者的高度重視。隨著電力系統(tǒng)的綜合發(fā)展、電力推進的普及、大功率負載的增加、高能武器的裝備、電磁彈射的使用以及電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定性與供電品質問題等逐步顯現(xiàn)，飛輪儲能的作用也必將日漸突出[15]。

1.3 應用難點與對策

在真空環(huán)境下，電機及電磁軸承的散熱性能的優(yōu)劣直接關系到飛輪儲能系統(tǒng)是否能夠安全運行，是目前飛輪儲能技術亟待解決的關鍵科學技術問題，因此，針對飛輪儲能系統(tǒng)熱管理的研究具有工程價值。其冷卻技術根據其結構不同有不同的方式，電機定子的冷卻手段主要包括水冷、風冷、油冷、相變冷卻以及熱管冷卻等，而電機轉子的冷卻手段則主要是填充惰性氣體來增強對流換熱、軸孔內使用油冷、為強化輻射換熱使用擴展表面等。目前，高速飛輪儲能系統(tǒng)采用的軸承主要有高溫超導磁懸浮軸承和電磁軸承，傳統(tǒng)的電磁軸承，主要冷卻方式為水冷；而高溫超導磁懸浮軸承主要通過填充低壓氦氣的方式來進行冷卻。對于飛輪儲能系統(tǒng)而言，如何更好地對系統(tǒng)轉子散熱才是熱管理的重點和難點。轉子散熱可行的解決方案主要有填充低溫惰性氣體以強化轉子對流換熱、電機低損耗設計以消除高頻激波以及真空油冷等。

2 飛輪儲能系統(tǒng)建模與控制

2.1 系統(tǒng)建模研究

結合國內飛輪儲能技術建模研究工作可以發(fā)現(xiàn)：飛輪儲能系統(tǒng)的建模研究工作絕大多數都是在MATLAB/Simulink環(huán)境下開展進行的。例如，楊忠生[16]在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立了分布式飛輪儲能充放電系統(tǒng)的仿真模型，分別對系統(tǒng)的充電和放電過程進行了建模與仿真研究，得到了適合于分布式飛輪儲能充放電系統(tǒng)的PI參數，并分析了各參數對系統(tǒng)運行的影響。夏青[17]利用MATLAB/Simulink仿真工具，對MPPT控制系統(tǒng)進行了仿真，得到光伏發(fā)電機組的最大功率；同時對SPWM控制系統(tǒng)進行了仿真，得到了控制波和載波的幅值與頻率的相關數據，并據此得到了與電機相匹配的三相交流電壓。畢文駿[18]運用MATLAB/Simulink仿真工具建立了整流機組模型以及機車動態(tài)模型，并對地鐵列車的牽引傳動系統(tǒng)進行了建模模擬，確定了系統(tǒng)的主要電氣參數；同時分析了不同運行工況下牽引電網的電壓及電流波形，并據此設計了后續(xù)的再生制動能量回收利用方案。姚遠[19]利用MATLAB/Simulink仿真工具搭建了風力發(fā)電系統(tǒng)與飛輪儲能系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，同時采用不同的運行策略分別控制飛輪的充電和放電過程，進一步通過仿真模擬分析了風速突變對風力發(fā)電系統(tǒng)的各部分電氣參數的影響，驗證了飛輪儲能系統(tǒng)對獨立型風力發(fā)電機組系統(tǒng)供給負載能量時的穩(wěn)定性作用。綜上所述，飛輪儲能系統(tǒng)的建模工作所采用的研究方法較為單一，多數利用MATLAB/Simulink進行建模仿真與分析，且研究主要集中在尋找最優(yōu)電氣參數方面。

2.2 控制策略研究

飛輪儲能系統(tǒng)的控制策略的選擇主要依據其所使用的軸承的類型：機械軸承的結構和工作原理簡單，因此其控制系統(tǒng)也相應地簡單；超導磁懸浮軸承可自行調節(jié)并穩(wěn)定懸浮，因此不需要外界進行控制；電磁軸承為多變量變耦合非線性系統(tǒng)，因此其工作原理與控制策略等都相對復雜：控制系統(tǒng)主要由位移傳感器、控制系統(tǒng)和功率放大器等元件組成[20-21]。

同時，飛輪儲能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)也與飛輪的運轉工況有關：當飛輪轉子運行轉速低且對軸的壓力較小的情況下，系統(tǒng)各部分耦合不明顯，因而可將其忽略，并針對轉子進行全工作范圍內的非線性特征設計。在此基礎下的控制方法主要有：PID控制方法[22]、滑?？刂品椒╗23]、神經網絡控制方法。而在系統(tǒng)各部分耦合明顯的運行工況下，則選擇使用解耦控制，使得各個控制系統(tǒng)之間的耦合接觸，一個控制只能作用在一個輸出上[24]。其主要包括前饋解耦控制方法[25]、主動干擾抑制解耦控制等。各控制方法的特點如表2所示。

表2 不同控制策略的特點Tab.2 Characteristics of different control strategies

目前，飛輪儲能系統(tǒng)的控制方法以非解耦控制為主，但隨著飛輪技術的發(fā)展，飛輪的轉速越來越快、重量越來越大，系統(tǒng)各個部分的耦合現(xiàn)象越來越明顯，非解耦控制的局限性逐漸體現(xiàn)出來，因此，解耦控制方法成為當今的主要研究方向，有較大的需求與廣泛的應用前景。

3 與多能源的耦合應用與展望

飛輪儲能在發(fā)展的過程中勢必會與其他多種能源相互耦合，這對提高系統(tǒng)效率和消納新能源有著重要的意義。圖3所示流程圖為飛輪儲能系統(tǒng)分別在火力發(fā)電、風力發(fā)電以及太陽能發(fā)電中的實際應用流程與原理。其中圖3(a)為與火力發(fā)電相耦合的工作流程：當電網頻率小于允許值時，飛輪儲能系統(tǒng)接收指令，飛輪儲能系統(tǒng)以發(fā)電狀態(tài)被調用并快速響應，降低自身轉速，將機械能轉化為電能釋放到電網，快速彌補電網功率的不足并對其進行調頻；當電網頻率大于最大允許值時，飛輪儲能系統(tǒng)接收指令，飛輪儲能快速響應并以充電狀態(tài)被調用，提高自身轉速，吸收電網中的電能轉化為自身的機械能儲存起來，快速消耗電網的多余功率使其轉化為自身的機械能，有效維持了電網功率的穩(wěn)定。圖3(b)為與風力發(fā)電相耦合的工作流程；飛輪儲能與風力發(fā)電相配合發(fā)電，可以有效克服風力發(fā)電在時空方面上的不均勻性，有效提高對于風能的利用效率，使電力生產環(huán)節(jié)更加穩(wěn)定：當風力發(fā)電輸出電流小于電網所要求的輸出電流時，則飛輪儲能系統(tǒng)接收指令，以放電狀態(tài)被調用，自身開始減速將機械能轉化為電能來供給電流；反之，當風力發(fā)電輸出電流大于電網所要求的輸出時，則飛輪儲能系統(tǒng)接收指令，以充電狀態(tài)被調用，自身飛輪加速旋轉將多余電能轉化為機械能儲存起來，以此來維持電網電流的穩(wěn)定。圖3(c)為與光伏發(fā)電相耦合的工作流程：光伏發(fā)電的輸出功率會隨著光照強度的變化而變化，由于太陽光照在時間上的不穩(wěn)定性使其難以準確地預測，這些因素都會影響發(fā)電設備的電壓或者頻率的穩(wěn)定。為保證光伏發(fā)電的產能與發(fā)電質量，合理應用儲能系統(tǒng)就顯得尤為重要。因此在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中使用飛輪儲能裝置來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時還有利于解決電壓跌落以及瞬間供電中斷等由于供電不穩(wěn)定所引起的問題[28]。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 System work flow chart

3.1 火力發(fā)電與飛輪儲能技術的耦合

電力系統(tǒng)需要保持供電與發(fā)電之間的平衡，為了維持電網系統(tǒng)的穩(wěn)定，兩者的頻率應保持一致。現(xiàn)如今，國內大多數的調頻工作有火力發(fā)電廠提供，而由于火力發(fā)電廠對指令的響應速度較慢，無法精準調頻，因而不適合高頻次調頻工作。此外，如果經常調用火力發(fā)電廠參與電廠調頻工作，則會加快電廠設備的老化，降低燃料的利用率，增加維護成本，減少整個發(fā)電機組的使用壽命。因而利用飛輪儲能設備分擔一部分調頻工作可以一定程度上提高電廠的生產效率[29]。

當電網頻率出現(xiàn)波動時，火電機組承擔主要調頻工作，飛輪儲能系統(tǒng)則同時做出反應并分擔部分工作，通過自身的充放電來調劑輸出功率以達到減少機械功率與電磁功率的差值從而減小電力系統(tǒng)頻率的偏差的目的，所以該耦合系統(tǒng)的優(yōu)點為提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及生產效率[1]。

3.2 風力發(fā)電與飛輪儲能技術的耦合

風能屬于清潔能源，存在空間上的不均勻性，在部分地區(qū)風力資源較為發(fā)達，例如中國的云貴蒙等地布局風能較為集中。然而風力發(fā)電的缺點為風能具有周期性和不穩(wěn)定性，其導致產能以及發(fā)電質量的不穩(wěn)定性。以上缺點大大阻礙了風力發(fā)電的應用推廣與效益提升，并降低了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因而選擇使用飛輪儲能對其進行耦合的優(yōu)點同樣是提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[30]。

3.3 太陽能發(fā)電與飛輪儲能技術的耦合

隨著能源危機與環(huán)境污染的日漸嚴重，太陽能作為一種取之不盡用之不竭且可用量巨大的清潔能源，具有較強的發(fā)展?jié)摿?。但是太陽能具有典型分布式能源的特點，電能生產在時空上不穩(wěn)定且不易收集和儲存，當前主要為使用光伏發(fā)電并將電能儲存在儲能設備中實現(xiàn)對太陽能的儲備。然而，分布式能源由于其在時空上分布不均勻且具有周期性，導致發(fā)電質量具有差異性，貿然并網可能會對電網造成沖擊，因此多采用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)生產并儲存電能。飛輪儲能系統(tǒng)具有使用壽命長，不會造成污染，充電速度快等優(yōu)點，將二者結合將實現(xiàn)電能的更有效利用。在基于飛輪儲能系統(tǒng)的獨立光伏直流發(fā)電系統(tǒng)中，直流母線將直流負載、交流負載、逆變器等設備與飛輪儲能系統(tǒng)直接連接。飛輪儲能系統(tǒng)則利用自身的充放電調節(jié)，使得直流母線上的電壓保持穩(wěn)定，所以該耦合系統(tǒng)的優(yōu)點為顯著地提高了供電質量以及太陽能的利用率[31]。

4 結 論

發(fā)展飛輪儲能及其耦合發(fā)電機組技術是應對新能源電力的波動性和不確定性的重要方式之一。本文首先詳細介紹了飛輪儲能技術的工作原理、研究現(xiàn)狀與成果以及應用難點與對策；然后通過介紹飛輪儲能系統(tǒng)的建模研究以及控制策略研究具體地說明了當前研究飛輪儲能系統(tǒng)的主要手段與具體方法，最后著重就飛輪儲能技術與火力發(fā)電、風力發(fā)電以及太陽能發(fā)電相耦合的技術原理與特點進行了討論，為飛輪儲能耦合多能系統(tǒng)提供了借鑒思路。