2018年底的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，新能源發(fā)電裝機(jī)首超水電，躍居我國(guó)第二大發(fā)電形式，但新能源本身固有的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定帶來了挑戰(zhàn)，并且新能源機(jī)組對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。建設(shè)一定規(guī)模以飛輪儲(chǔ)能為代表的電網(wǎng)級(jí)靈活調(diào)節(jié)資源是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的途徑之一，飛輪儲(chǔ)能的工程價(jià)值則通過調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)等典型應(yīng)用場(chǎng)景得以體現(xiàn)。
No.1
什么是飛輪儲(chǔ)能
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子、支承系統(tǒng)、真空與冷卻系統(tǒng)、電機(jī)、儲(chǔ)能變流器（power convertion system，PCS）構(gòu)成。其中電機(jī)和PCS的選擇相對(duì)比較方便，基本上都有貨架產(chǎn)品，永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)均可使用，感應(yīng)電機(jī)技術(shù)成熟成本可控，是降低飛輪系統(tǒng)成本的首選。而轉(zhuǎn)子、支承系統(tǒng)、真空與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不相同。
No.2
飛輪儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的工程應(yīng)用
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電網(wǎng)調(diào)頻
安全可靠的電網(wǎng)運(yùn)行要求在任意時(shí)刻平衡電力供應(yīng)和電力需求。當(dāng)供過于求時(shí)，頻率上升到50 Hz以上，燒毀用電設(shè)備，當(dāng)供不應(yīng)求時(shí)，頻率下降到50 Hz以下。為了將電網(wǎng)頻率保持在合理的范圍內(nèi)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商使用輔助服務(wù)來平衡發(fā)電與用電的偏差。一次調(diào)頻是指根據(jù)用電負(fù)荷頻率響應(yīng)特性，以及電源側(cè)調(diào)速器的作用，來削弱電網(wǎng)頻率波動(dòng)的調(diào)節(jié)方式。用電負(fù)荷頻率響應(yīng)特性：電網(wǎng)中的用電設(shè)備耗功與頻率的一、二、三次方甚至高次方成正比，當(dāng)頻率升高時(shí)耗功增加，反之則耗功減少。
電源側(cè)調(diào)速器的作用：從汽輪機(jī)原理中可以知道，汽輪機(jī)的靜特性可用一條向下傾斜的曲線來描述，即并列運(yùn)行的機(jī)組，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)，汽輪機(jī)的輸出功率會(huì)有所增加。
因此負(fù)荷頻率響應(yīng)特性曲線與汽輪機(jī)靜特性線必然交于一點(diǎn)，交點(diǎn)的頻率和功率即為發(fā)用電平衡時(shí)的頻率和功率。一次調(diào)頻就是負(fù)荷頻率響應(yīng)特性曲線移動(dòng)時(shí)汽輪機(jī)靜特性線不動(dòng)的調(diào)節(jié)方式。但由于只移動(dòng)了一條曲線因此交點(diǎn)必然移動(dòng)，電網(wǎng)頻率必然變化，想要保持頻率不變必須移動(dòng)汽輪機(jī)靜特性線，這就是二次調(diào)頻。但二次調(diào)頻不能保證全網(wǎng)機(jī)組的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，可能有個(gè)別機(jī)組煤耗偏高，需要由三次調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)調(diào)度來解決，本文只討論一、二次調(diào)頻。
電網(wǎng)每年對(duì)輔助服務(wù)的需求相對(duì)比較穩(wěn)定，在美國(guó)大約相當(dāng)于每日峰值發(fā)電量的1%。由于風(fēng)電和光伏的快速增長(zhǎng)，輔助服務(wù)需求的增長(zhǎng)將快于總體電力增長(zhǎng)。與提供輔助服務(wù)的火力發(fā)電機(jī)組不同，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)無需化石燃料，也不會(huì)直接產(chǎn)生空氣污染物。這使得在電網(wǎng)的任何地方，只要離輸電線路比較近，都能快速建設(shè)一座飛輪調(diào)頻電站。飛輪調(diào)頻的反應(yīng)速度非常快，可以在收到調(diào)度指令信號(hào)后不到1秒達(dá)到滿功率充電或放電狀態(tài)。這種快速調(diào)頻能力使得飛輪可以代替數(shù)倍于自身的火電機(jī)組。以飛輪取代現(xiàn)有的調(diào)頻機(jī)組還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：火電機(jī)組的負(fù)荷相對(duì)更穩(wěn)定，其結(jié)果是提高了整體能源效率，減少了排放。
我國(guó)電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度逐年遞增，想要通過傳統(tǒng)機(jī)組性能優(yōu)化的方法一勞永逸地解決電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題是不可能的。限于燃煤機(jī)組本身固有的大慣性、強(qiáng)耦合、非線性等特性，必然帶來調(diào)節(jié)延遲、調(diào)節(jié)反向和調(diào)節(jié)偏差的問題，傳統(tǒng)調(diào)頻優(yōu)化手段難以使其調(diào)頻性能發(fā)生質(zhì)的飛躍，電網(wǎng)調(diào)頻必須引入新技術(shù)才能有所突破，目前最適合代替燃煤機(jī)組調(diào)頻的是功率型儲(chǔ)能技術(shù)，調(diào)頻領(lǐng)域未來的發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是建立滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求的聯(lián)合調(diào)頻電站及獨(dú)立調(diào)頻電站。
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配合光伏電站
從20世紀(jì)90年代起，飛輪作為新型儲(chǔ)能方式如何與光伏發(fā)電配合就已經(jīng)提上了議事日程。而目前歐洲仍然有測(cè)試中的示范項(xiàng)目，這些項(xiàng)目基于飛輪、燃?xì)廨啓C(jī)和可再生能源的組合，探索該組合在關(guān)鍵時(shí)刻穩(wěn)定電網(wǎng)，以及降低向未來零碳發(fā)電時(shí)代高質(zhì)量電網(wǎng)的過渡成本的潛力。
2018年4月Amber Kinetics在馬薩諸塞州完成了128 kW/512 kW·h的項(xiàng)目，與West Boylston MLP原有的370 kW光伏系統(tǒng)在交流側(cè)連接，同年6月又在西藏運(yùn)高60 MW光伏電站中安裝了兩套8 kW/32 kW·h的飛輪，其安裝流程為鋪設(shè)設(shè)備基礎(chǔ)、放置飛輪鋼桶、吊裝飛輪、連接電纜和控制線、飛輪系統(tǒng)并網(wǎng)。值得一提的是，不同于其他公司的功率型飛輪，Amber Kinetics公司的飛輪放電時(shí)長(zhǎng)高達(dá)4 h，與能量型電池的放電時(shí)長(zhǎng)相當(dāng)。
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微電網(wǎng)支撐
微電網(wǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行離不開儲(chǔ)能技術(shù)的支持。原美國(guó)KTSi公司的GTR系列飛輪產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)項(xiàng)目，飛輪儲(chǔ)能作為分布式發(fā)電的高級(jí)補(bǔ)充，接入到微電網(wǎng)中可以實(shí)現(xiàn)多種功能。
以加拿大魁北克地區(qū)為例，該地區(qū)礦藏資源豐富，擁有優(yōu)質(zhì)的風(fēng)力資源但位于電網(wǎng)末梢自然環(huán)境惡劣，帶儲(chǔ)能的離網(wǎng)型微電網(wǎng)是開發(fā)該地區(qū)自然資源的最優(yōu)解。在2015年12月投運(yùn)的加拿大拉格倫鎳礦項(xiàng)目中，GTR200型200 kW飛輪、3 MW風(fēng)電、200 kW鋰電池、備用柴油機(jī)、燃料電池與制氫系統(tǒng)共同組成了一個(gè)微電網(wǎng)，飛輪在此項(xiàng)目中的主要作用為平滑風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率波動(dòng)，改善電能質(zhì)量。該項(xiàng)目在18個(gè)月的時(shí)間里節(jié)省了340萬升柴油，減排了9.11 t溫室氣體。
在2013年投運(yùn)的蘇格蘭埃格島項(xiàng)目中，島上電網(wǎng)頻率原范圍為49～54 Hz，頻率波動(dòng)較大，加入GTR200飛輪后穩(wěn)定在52 Hz附近；在2017年投運(yùn)的蘇格蘭費(fèi)爾島微電網(wǎng)項(xiàng)目中，飛輪充當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)之間的緩沖，如同整個(gè)島的不間斷電源；在由英利集團(tuán)牽頭的863計(jì)劃“園區(qū)智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與集成示范”中，GTR200飛輪首次在國(guó)內(nèi)得到應(yīng)用，2017年6月該項(xiàng)目通過驗(yàn)收；在2015年的阿拉斯加電力與能源中心風(fēng)柴儲(chǔ)微電網(wǎng)項(xiàng)目中，GTR200用于測(cè)試電能質(zhì)量改善控制策略、功率平滑效果和調(diào)度策略。
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初始投資成本對(duì)比
根據(jù)公開報(bào)道及文獻(xiàn)資料整理出近年來部分電池調(diào)頻項(xiàng)目如表2所示，表中電池放電時(shí)長(zhǎng)在半小時(shí)左右，可以看出自2013年以來電池儲(chǔ)能調(diào)頻項(xiàng)目的兆瓦成本從1130萬元下降到不超過600萬元。
與之相對(duì)的，電網(wǎng)飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目較少，2011年6月商運(yùn)的原Beacon Power公司紐約州20 MW飛輪調(diào)頻電站造價(jià)為4190萬美元，兆瓦成本為209萬美元；2016年2月商運(yùn)的原加拿大Temporal Power公司安大略省Clear Ccreek 5 MW飛輪儲(chǔ)能電站，造價(jià)為848萬美元，兆瓦成本為169萬美元。功率型飛輪成本偏高的同時(shí)能量型飛輪的成本同樣不低，2018年4月Amber Kinetics在馬薩諸塞州完成的128 kW/512 kW·h的項(xiàng)目造價(jià)為48.6萬美元，每兆瓦時(shí)成本為94萬美元，而2018年7月并網(wǎng)的江蘇鎮(zhèn)江101 MW/202 MW·h的項(xiàng)目造價(jià)為6億元，每兆瓦時(shí)成本為297萬元。
高初始投資成本導(dǎo)致飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目少，項(xiàng)目少導(dǎo)致成本下降慢，在20年的全壽命周期中雖然飛輪無需像電池一樣更換，但壽命長(zhǎng)意味著政策多變、政策不連續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，因此在5～10年期限的短期項(xiàng)目中缺乏吸引力。
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