本刊記者 王睿佳

近日，本刊記者就飛輪儲(chǔ)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(jìn)飛輪儲(chǔ)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(guó)電業(yè)》：飛輪儲(chǔ)能在我國(guó)尚屬新行業(yè)領(lǐng)域，請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下飛輪儲(chǔ)能。

答：飛輪儲(chǔ)能是一種物理儲(chǔ)能方式，原理很簡(jiǎn)單，是利用旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和釋放。旋轉(zhuǎn)體由同軸的飛輪轉(zhuǎn)子和雙向電機(jī)轉(zhuǎn)子組成。雙向電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，使飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能存儲(chǔ)；雙向電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，使飛輪減速旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能輸出。

在目前適合規(guī)?；虡I(yè)運(yùn)行的儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能具有功率密度高、充放電響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)、放電深度大、無(wú)環(huán)境污染、運(yùn)營(yíng)成本低、安全風(fēng)險(xiǎn)小等的綜合優(yōu)勢(shì)，非常適合快速大功率充放電應(yīng)用場(chǎng)合。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究可以追溯上百年，過(guò)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(guó)內(nèi)外已有多家生產(chǎn)飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品的公司，國(guó)外有BeaconPower、TemporalPower、Active Power，AmberKinetics、VYCON、Boeing、QuantumEnergy等，國(guó)內(nèi)有沈陽(yáng)微控公司、泓慧公司、華陽(yáng)科技、貝肯新能源公司等。今年舉辦的國(guó)際儲(chǔ)能高峰論壇及產(chǎn)品展覽會(huì)上，從展出的飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)品，存電量少，充放電時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際產(chǎn)品。

《中國(guó)電業(yè)》：請(qǐng)具體談?wù)勶w輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

答：與其他儲(chǔ)能形式比，飛輪儲(chǔ)能有以下幾點(diǎn)突出優(yōu)勢(shì)：

（1）大功率快速響應(yīng)和快速充放能力：可以達(dá)到很高功率密度和很快響應(yīng)時(shí)間。額定功率響應(yīng)時(shí)間低于0.1秒?？梢耘渲么蠊β孰姍C(jī)，實(shí)現(xiàn)能量快速深度充放。而且飛輪儲(chǔ)能類(lèi)似傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)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(zhǎng)使用壽命：滿功率充放電循環(huán)次數(shù)可以超過(guò)10萬(wàn)次，儲(chǔ)能部件設(shè)計(jì)壽命超過(guò)25年。

（3）飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)精確可測(cè)可控：飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和儲(chǔ)能量成精確關(guān)系，可以通過(guò)精確測(cè)量飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能量的精確監(jiān)測(cè)和控制。

（4）高安全可靠性和環(huán)保性能：飛輪儲(chǔ)能是物理儲(chǔ)能方式，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，沒(méi)有燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)有危險(xiǎn)化學(xué)物的處理與回收問(wèn)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(guò)材料強(qiáng)度極限，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋損傷，嚴(yán)重時(shí)轉(zhuǎn)子發(fā)生爆裂。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，使得發(fā)生轉(zhuǎn)子爆裂事故的風(fēng)險(xiǎn)極低，并且通過(guò)配置的監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子裂紋故障進(jìn)行預(yù)警和保護(hù)，極端情況下，飛輪儲(chǔ)能轉(zhuǎn)子外殼和基礎(chǔ)也可以對(duì)轉(zhuǎn)子爆裂故障發(fā)揮安全防護(hù)作用，就地消納能量，有效避免發(fā)生嚴(yán)重安全事故。

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

《中國(guó)電業(yè)》：飛輪儲(chǔ)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(guó)以風(fēng)電、太陽(yáng)能為主的新能源發(fā)電裝機(jī)要達(dá)到12億千瓦以上。風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的突出特點(diǎn)是發(fā)電出力具有隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性，大規(guī)模接入電網(wǎng)后，帶來(lái)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(duì)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(wèn)題更加突出。2021年1月27日，國(guó)家電網(wǎng)有限公司董事長(zhǎng)辛保安在世界經(jīng)濟(jì)論壇“達(dá)沃斯議程”視頻對(duì)話會(huì)上的“加速清潔能源轉(zhuǎn)型”專(zhuān)題發(fā)言指出，國(guó)家電網(wǎng)公司將深入貫徹習(xí)近平總書(shū)記重要講話和指示精神，落實(shí)“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，加快建設(shè)具有中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，為能源清潔低碳轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展貢獻(xiàn)力量。未來(lái)5年，國(guó)家電網(wǎng)公司將年均投入超過(guò)700億美元，推動(dòng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級(jí)，以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將先進(jìn)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(dòng)、智能開(kāi)放特征的智慧能源系統(tǒng)，可從多方面促進(jìn)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

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

國(guó)家電網(wǎng)公司為了給新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用提供配置平臺(tái)，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(jìn)各種儲(chǔ)能調(diào)節(jié)資源建設(shè)等，同時(shí)也對(duì)各種發(fā)電機(jī)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(jī)波動(dòng)性和間歇性，高比例接入電網(wǎng)將導(dǎo)致電網(wǎng)有功負(fù)荷快速小幅波動(dòng)增加。根據(jù)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的近期統(tǒng)計(jì)情況：從華北電網(wǎng)某火電廠60萬(wàn)機(jī)組AGC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和廣東電網(wǎng)某火電廠30萬(wàn)機(jī)組AGC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，絕大部分AGC信號(hào)持續(xù)時(shí)間不超過(guò)10分鐘，90%的AGC信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于6分鐘，其中74%的AGC信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于3分鐘。這些數(shù)據(jù)表明，未來(lái)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(lái)越多，對(duì)快速小幅度調(diào)頻資源的需求也必將越來(lái)越大。

在目前大規(guī)模應(yīng)用的各種儲(chǔ)能形式中，飛輪儲(chǔ)能具有可以實(shí)現(xiàn)大功率快速充放電的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性，并實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，使大規(guī)模風(fēng)電及太陽(yáng)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(fù)荷調(diào)節(jié)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)獨(dú)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(chǎng)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(chǔ)能的作用進(jìn)一步突現(xiàn)出來(lái)，其發(fā)展和應(yīng)用將對(duì)新能源乃至整個(gè)電力系統(tǒng)帶來(lái)革命性的影響。

《中國(guó)電業(yè)》：飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能在航空航天、艦船、交通、石油開(kāi)采、通信等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，這些應(yīng)用場(chǎng)景以儲(chǔ)能容量較小的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品為主，主要發(fā)揮飛輪儲(chǔ)能的電能快充快放特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，用作應(yīng)急電源、穩(wěn)壓電源等，凡是在需要電能瞬時(shí)快充快放的場(chǎng)合，飛輪儲(chǔ)能都可以發(fā)揮更大作用。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著全球范圍新能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)瞬時(shí)有功負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題加大，飛輪儲(chǔ)能的快速負(fù)荷響應(yīng)和充放電特點(diǎn)開(kāi)始受到重視，并開(kāi)始在電網(wǎng)調(diào)頻方面得到應(yīng)用。飛輪儲(chǔ)能可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的多種場(chǎng)景，包括作為獨(dú)立調(diào)頻電源、輔助傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組（火電機(jī)組、水電機(jī)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(fù)荷波動(dòng)的調(diào)節(jié)特性，充分發(fā)揮飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)選用大容量、大功率的飛輪儲(chǔ)能單元設(shè)備，將多個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元組成飛輪儲(chǔ)能陣列，構(gòu)建額定功率10MW/儲(chǔ)能量MW級(jí)別以上的大容量飛輪儲(chǔ)能電站，具備數(shù)分鐘的充放電持續(xù)時(shí)間，以滿足電力系統(tǒng)中對(duì)快速有功負(fù)荷調(diào)節(jié)的不同應(yīng)用需求。

資料圖

在“雙碳”目標(biāo)背景下，我國(guó)未來(lái)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(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性問(wèn)題，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要大力發(fā)展各種儲(chǔ)能資源，提升電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)控能力，同時(shí)也對(duì)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(chǔ)能形式中，只有飛輪儲(chǔ)能具有可以實(shí)現(xiàn)大功率快速充放電、無(wú)限循環(huán)壽命的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(dú)立調(diào)頻、輔助火電、新能源（風(fēng)光）進(jìn)行調(diào)頻、微電網(wǎng)及綜合能源系統(tǒng)快速負(fù)荷平衡等場(chǎng)景，具有廣闊發(fā)展前景。

《中國(guó)電業(yè)》：當(dāng)前，飛輪儲(chǔ)能乃至整個(gè)儲(chǔ)能領(lǐng)域還沒(méi)有形成獨(dú)立產(chǎn)業(yè)鏈，儲(chǔ)能行業(yè)的商業(yè)化模式尚未完全成形。請(qǐng)談?wù)勶w輪儲(chǔ)能的發(fā)展現(xiàn)狀，未來(lái)需要哪些政策支持？

答：根據(jù)我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）2019年的研究報(bào)告，世界范圍規(guī)劃、在建和已經(jīng)投運(yùn)的飛輪儲(chǔ)能電站項(xiàng)目共有14個(gè)，共計(jì)81兆瓦。其中只有美國(guó)BeaconPower公司和加拿大TemporalPower公司有大容量飛輪儲(chǔ)能獨(dú)立調(diào)頻電站的成功應(yīng)用業(yè)績(jī)。美國(guó)BeaconPower于2011年在美國(guó)投運(yùn)了2個(gè)20兆瓦飛輪儲(chǔ)能電站，每個(gè)電站采用200個(gè)單體功率100千瓦/30千瓦時(shí)的飛輪儲(chǔ)能單元組成飛輪儲(chǔ)能陣列，通過(guò)集中能量管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，參與電網(wǎng)獨(dú)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(yùn)了三個(gè)飛輪儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，裝機(jī)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(shí)和500千瓦/50千瓦時(shí)的兩種飛輪儲(chǔ)能單元產(chǎn)品組成飛輪儲(chǔ)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(chǎng)之后，歐洲電力市場(chǎng)也開(kāi)始呈現(xiàn)出對(duì)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(kāi)始獲得歐洲電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)可。據(jù)報(bào)道，愛(ài)爾蘭EirGrid公司規(guī)劃了歐洲首個(gè)飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，規(guī)模達(dá)到20兆瓦，但是未見(jiàn)后續(xù)進(jìn)展的報(bào)道。

2010年前后，我國(guó)出現(xiàn)了一批飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)商業(yè)推廣示范應(yīng)用的技術(shù)開(kāi)發(fā)企業(yè)，但我國(guó)在飛輪儲(chǔ)能理論和應(yīng)用方面仍不成熟。我國(guó)飛輪儲(chǔ)能行業(yè)處在發(fā)展初期，根據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)產(chǎn)業(yè)政策研究中心統(tǒng)計(jì)顯示，截至2018年12月31日，中國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)31.3吉瓦。其中，飛輪儲(chǔ)能1.1兆瓦。

從目前飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，目前中國(guó)市場(chǎng)上飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用大部分為試點(diǎn)產(chǎn)品，成熟運(yùn)行產(chǎn)品較少，運(yùn)行功率較低，后備時(shí)間極短，部分技術(shù)性能需要進(jìn)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(shí)，飛輪儲(chǔ)能商業(yè)化還存在成本偏高、缺少價(jià)格激勵(lì)政策、技術(shù)路線不夠成熟、欠缺技術(shù)規(guī)范和接入標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題?！?/p>