飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析

劉旭澤

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 太原 030000）

0 引言

風(fēng)電、光伏等新能源電源因其難以調(diào)控，導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)頻需求日益增加。目前，電網(wǎng)調(diào)頻主要依托火力發(fā)電，而由于火電機(jī)組本身局限性，其調(diào)頻效果較差。

目前，抽水蓄能是電力系統(tǒng)中技術(shù)最為成熟、容量最大的儲(chǔ)能方式。但是，抽水蓄能對(duì)建設(shè)廠址的地理位置及條件的要求比較高，并且建設(shè)周期長(zhǎng)[1]。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并在大功率化、規(guī)模化、轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟(jì)性等方面具有突出優(yōu)勢(shì)[2]，其調(diào)頻效果是常規(guī)火電機(jī)組的30 倍。因此，飛輪儲(chǔ)能可以作為電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)調(diào)頻電源。利用大規(guī)模飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，能夠彌補(bǔ)火電調(diào)頻效率低，解決電網(wǎng)調(diào)頻資源不足等問(wèn)題。

1 飛輪儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能的對(duì)比

目前，儲(chǔ)能主要類型有機(jī)械儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能等多種類型。其中，物理儲(chǔ)能分為抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能等。電化學(xué)儲(chǔ)能分為鉛蓄電池、鋰電池等。不同儲(chǔ)能形式的特點(diǎn)及性能如表1 所示。

表1 不同儲(chǔ)能方式的特點(diǎn)

從表1 可以看出，目前，投運(yùn)最多的鉛酸電池儲(chǔ)能，具有功率密度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是效率低。鈉硫電池容量高、效率高，但是，成本也高。鋰電池響應(yīng)快，但有熱失控風(fēng)險(xiǎn)。液流電池能量容量高，壽命長(zhǎng)，但效率低。抽水蓄能具有技術(shù)成熟、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但是，也有投資大、地理位置受限等劣勢(shì)。壓縮空氣儲(chǔ)能壽命長(zhǎng)、投資低，但效率低、響應(yīng)慢。

相比其他儲(chǔ)能方式，飛輪儲(chǔ)能具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）瞬時(shí)功率較大，可以在很短的時(shí)間內(nèi)快速充放電，快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻要求。

2）壽命周期長(zhǎng)，使用壽命可達(dá)100 萬(wàn)次以上。

3）能量轉(zhuǎn)化效率高。磁懸浮支承以及在真空中高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，可以一定程度上減少機(jī)械和空氣摩擦。因此，飛輪儲(chǔ)能的效率可以達(dá)到85%～95%。

4）無(wú)污染。飛輪為機(jī)械結(jié)構(gòu)，不會(huì)有化學(xué)污染和排氣污染，也沒(méi)有電池廢料的回收污染問(wèn)題。

飛輪儲(chǔ)能具有高能量密度、高功率密度以及響應(yīng)時(shí)間快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于電網(wǎng)服務(wù)調(diào)頻。

2 飛輪儲(chǔ)能的原理及技術(shù)方案

2.1 飛輪儲(chǔ)能的工作原理

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)屬于機(jī)械儲(chǔ)能，充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。放電時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。飛輪儲(chǔ)能設(shè)備剖面圖如圖1 所示。飛輪儲(chǔ)能主要由機(jī)械飛輪、電機(jī)、軸承、真空室、雙向換流器以及控制、真空和冷卻系統(tǒng)組成。雙向變流器采用交流—直流—交流的配置，實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變過(guò)程和交流到直流的整流過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制并監(jiān)測(cè)溫度、冷卻系統(tǒng)狀態(tài)和真空度等系統(tǒng)參數(shù)。真空系統(tǒng)由真空泵提供真空狀態(tài)，以保障飛輪損耗較小。冷卻系統(tǒng)主要是防止飛輪儲(chǔ)能溫度過(guò)高。

圖1 飛輪儲(chǔ)能設(shè)備剖面

飛輪儲(chǔ)能的工作原理是電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，如圖2 所示。

圖2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

當(dāng)飛輪儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)，飛輪儲(chǔ)能實(shí)質(zhì)是通過(guò)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率，調(diào)節(jié)過(guò)程也是飛輪儲(chǔ)能充放電的過(guò)程，電能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

將儲(chǔ)能系統(tǒng)接入變電站，通過(guò)變電站的電源進(jìn)行充放電，儲(chǔ)能站內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的RTU 和DCS 系統(tǒng)通訊接口，接受電網(wǎng)AGC 指令。參與調(diào)頻的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能單元、PCS 裝置和儲(chǔ)能系統(tǒng)總控單元。飛輪儲(chǔ)存能量的計(jì)算公式為：

式中：J為飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω 為飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。當(dāng)飛輪從最高轉(zhuǎn)速ωmax減速到最低轉(zhuǎn)速ωmin，飛輪儲(chǔ)能釋放的最大能量為：

飛輪儲(chǔ)能裝置的電機(jī)具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的雙重作用。當(dāng)飛輪儲(chǔ)能充電時(shí)，通過(guò)電能帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)給飛輪加速。當(dāng)放電時(shí)，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，此時(shí)飛輪的轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降。

2.2 飛輪儲(chǔ)能的常規(guī)配置方案

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由儲(chǔ)能單元、升壓?jiǎn)卧筒⒕W(wǎng)單元構(gòu)成。飛輪儲(chǔ)能一般由儲(chǔ)能子單元構(gòu)成，儲(chǔ)能子單元又由儲(chǔ)能飛輪組成。升壓?jiǎn)卧缮龎鹤訂卧獦?gòu)成，升壓子單元由雙向PCS 構(gòu)成的儲(chǔ)能子單元和升壓變壓器組成。并網(wǎng)單元由并網(wǎng)子單元構(gòu)成，并網(wǎng)子單元主要由高壓開(kāi)關(guān)柜構(gòu)成。

每個(gè)儲(chǔ)能子單元接1 臺(tái)升壓變壓器，升壓后，接入并網(wǎng)單元進(jìn)線斷路器柜，再由并網(wǎng)出線柜送出至附近變電站。

3 飛輪儲(chǔ)能成本及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 飛輪儲(chǔ)能成本分析

飛輪儲(chǔ)能的投資成本主要包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、建筑工程費(fèi)、安裝工程費(fèi)及其他費(fèi)用。其中，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)占總投資的83%，如圖3 所示。

圖3 飛輪儲(chǔ)能的投資成本占比

3.2 飛輪儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性

飛輪儲(chǔ)能主要通過(guò)參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)中的調(diào)頻服務(wù)，以獲得調(diào)頻收益。

目前，國(guó)家能源局、國(guó)家各級(jí)地方政府均出臺(tái)了大量鼓勵(lì)電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的相關(guān)政策。國(guó)家能源局出臺(tái)了《電力輔助服務(wù)管理辦法》，廣東省發(fā)布了《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)試點(diǎn)方案》《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則（試行）》，山東省發(fā)布了《山東電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》修訂稿，江蘇省發(fā)布了《江蘇電力輔助服務(wù)（調(diào)頻）市場(chǎng)交易規(guī)則（征求意見(jiàn)稿）》，山西省發(fā)布了《山西電力調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)細(xì)則》。

以山西省為例，進(jìn)行飛輪儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性測(cè)算。山西省調(diào)頻服務(wù)采取競(jìng)價(jià)方式，目前，申報(bào)價(jià)格為5 元/MW。

參與電網(wǎng)調(diào)頻的年度補(bǔ)償收益公式為：

式中：F為全年收益；D為全年調(diào)節(jié)深度（調(diào)頻里程），MW；K為機(jī)組全年平均調(diào)節(jié)性能指標(biāo)；C為調(diào)頻服務(wù)結(jié)算價(jià)格。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻性能指標(biāo)優(yōu)異，K值遠(yuǎn)好于火電機(jī)組，因此，K值取5.5。

對(duì)于30 MW 容量的獨(dú)立調(diào)頻電站，如果每5 min捕獲一次調(diào)頻指令，每天完成的調(diào)頻里程D=24 h×60 min/h÷5 min×30 MW=8 640 MW，全年調(diào)頻暫按300d 計(jì)算。全年的調(diào)頻里程（調(diào)節(jié)深度）D=8640MW/d×300 d=2 592 000 MW。

按照C取5 元/MW 計(jì)算，全年收益值為7 128萬(wàn)元。計(jì)算可知，飛輪儲(chǔ)能的收益十分可觀，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有瞬時(shí)大功率、毫秒級(jí)響應(yīng)、全壽命周期無(wú)衰減、百萬(wàn)次循環(huán)充放電和超長(zhǎng)使用壽命等特性，可完美匹配一次調(diào)頻的充放電工況。伴隨著全球可再生能源的應(yīng)用提升，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將在可再生能源集成中扮演關(guān)鍵角色，幫助平衡電力供應(yīng)，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)40000～50000r/min，飛輪一般采用碳纖維材質(zhì)，成本較高。但是，隨著飛輪儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)一步成熟，成本逐漸降低，飛輪儲(chǔ)能將迎來(lái)廣闊的發(fā)展空間。