廣西國能能源發(fā)展有限公司 唐細(xì)致

1 引言

飛輪儲能技術(shù)作為一種新型電能儲存技術(shù)，多年前曾被提出，但由于受到多方面技術(shù)壁壘的約束，直到20世紀(jì)90年代，該技術(shù)出現(xiàn)新的突破。新突破大致可分為三類。一是材料上的突破，伴隨高強(qiáng)度碳素纖維復(fù)合材料（抗拉強(qiáng)度高達(dá)8.27GPa）的研發(fā)，飛輪儲能能源存儲量因此得到顯著提升。二是磁懸浮的技術(shù)研究和發(fā)展使飛輪轉(zhuǎn)子能夠在真空狀態(tài)下運(yùn)行，顯著降低摩擦損耗和風(fēng)損耗，從而提升飛輪轉(zhuǎn)子的使用效率，延長裝置的使用壽命。三是隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，IGBT等電子器件對電能進(jìn)行控制和變換技術(shù)的研究及電動/發(fā)電機(jī)及電力相互轉(zhuǎn)換技術(shù)的突破，為飛輪儲能技術(shù)在能源相互轉(zhuǎn)換方面的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。飛輪儲能技術(shù)加入新能源機(jī)組一次調(diào)頻系統(tǒng)，將調(diào)頻期間的有功通過能量的存儲和釋放實現(xiàn)有功控制，通過調(diào)節(jié)有功輸出實現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)頻率變化。

2 一次調(diào)頻的原理及性能要求

2.1 一次調(diào)頻原理

新能源（風(fēng)電場、光伏發(fā)電站）場站利用有功控制系統(tǒng)或其他獨立能量控制裝置完成有功—運(yùn)行頻率下垂特性控制，使控制系統(tǒng)在各個并網(wǎng)點上具備能夠主動進(jìn)行支撐作用的功能，從而提升電網(wǎng)運(yùn)行效率，改善設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量。設(shè)備檢測到電網(wǎng)運(yùn)行頻率存在偏差信號發(fā)生，利用能量控制系統(tǒng)改變實現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行頻率的控制。其目的是作為消除電網(wǎng)的擾動，需遵循安全與快速的原則。運(yùn)行頻率與有空之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系[1]為:

式中：fd為指快速運(yùn)行頻率響應(yīng)死區(qū)；fN為指系統(tǒng)額定運(yùn)行頻率；PN為系統(tǒng)的額定功率；δ快速運(yùn)行頻率響應(yīng)調(diào)差率；P0為系統(tǒng)有用做功功率初值。風(fēng)電場快速運(yùn)行頻率響應(yīng)有用做功-運(yùn)行頻率下垂特性曲線如圖1所示。

圖1 有用做功-運(yùn)行頻率下垂特性曲線

由公式（1）可知，當(dāng)運(yùn)行頻率降低時，需要增加有用做功輸出，使系統(tǒng)運(yùn)行頻率恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)值；當(dāng)運(yùn)行頻率增高時，需要降低有用做功輸出，使系統(tǒng)運(yùn)行頻率恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 一次調(diào)頻性能指標(biāo)

對于調(diào)節(jié)目標(biāo)變化量不低于額定出力10%的運(yùn)行頻率階躍的擾動，響應(yīng)的滯后時間作為自運(yùn)行頻率達(dá)到死區(qū)至調(diào)試開始時間≤2s，響應(yīng)時間作為自運(yùn)行頻率達(dá)到死區(qū)至運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)達(dá)到設(shè)定值≥12s，調(diào)節(jié)時間作為自運(yùn)行頻率達(dá)到死區(qū)至有用做功功率穩(wěn)定≤15s。調(diào)頻控制偏差風(fēng)電場應(yīng)控制在額定出力的±2%以內(nèi)，運(yùn)行頻率測量的分辨率≤0.003Hz，運(yùn)行頻率采樣周期≤100ms。新能源快速運(yùn)行頻率響應(yīng)有用做功控制周期≤1s。

2.3 慣量響應(yīng)性能及測試要求

當(dāng)風(fēng)電機(jī)設(shè)備能夠正確運(yùn)轉(zhuǎn)時有功效率高于20%Pn（Pn 為額定功率），且測試點運(yùn)行頻率變化較大并大于最大運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)行頻率（推薦0.3Hz/s）時,風(fēng)機(jī)設(shè)備能夠及時相應(yīng)系統(tǒng)的指令，使設(shè)備實現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)備有功時間不高于500ms,可用功調(diào)節(jié)的比例不小于10%Pn 時，設(shè)備有功效率恢復(fù)正常值，若風(fēng)速條件允許，有功效率的運(yùn)行頻率變化范圍不得大于3%Pn，同時慣量響應(yīng)期間有功效率誤差不得大于±2%Pn。

2.4 一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置方案

一次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置主要包括快速運(yùn)行頻率的響應(yīng)死區(qū)、快速運(yùn)行頻率的響應(yīng)限幅、調(diào)差率、高頻燃動下有功功率的下限、低頻擾動下的調(diào)節(jié)和快速調(diào)頻需響應(yīng)AGC的協(xié)調(diào)控制。

響應(yīng)死區(qū)設(shè)置±0.01Hz，可以根據(jù)電網(wǎng)實際要求做調(diào)整；運(yùn)行頻率響應(yīng)的限幅需要按照不小于10%Pn進(jìn)行限幅，同時在調(diào)整期間不得導(dǎo)致機(jī)組脫網(wǎng)或停機(jī)；調(diào)差率可根據(jù)場站實際情況調(diào)整，原則上為2%。高頻擾動狀態(tài)下，有功功率低于10%Pn時可不再調(diào)節(jié)。

新能源發(fā)電場站，調(diào)頻功能需要與AGC控制設(shè)備相互配合，將AGC指令值與快速運(yùn)行頻率相互統(tǒng)一，以實現(xiàn)代數(shù)和的相加。同時當(dāng)電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行頻率大于50±0.1Hz 時，新能源設(shè)備可以快速實現(xiàn)功能響應(yīng)，并下達(dá)關(guān)閉AGC反向調(diào)節(jié)的指令作用。

3 飛輪儲能系統(tǒng)的原理與構(gòu)成

3.1 系統(tǒng)原理

飛輪儲能系統(tǒng)作為可以進(jìn)行能量相互轉(zhuǎn)換的一種現(xiàn)代化裝置設(shè)備，即儲能時將電能轉(zhuǎn)換成在真空狀態(tài)下的動能，釋能時，將動能轉(zhuǎn)換為電能，完成動能與電能的相互轉(zhuǎn)化，通過物理的轉(zhuǎn)化方式達(dá)到對能源儲備的目的，通過發(fā)電與電動可逆式雙向電機(jī)的使用，使飛輪實現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)做功，作為能源實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，為設(shè)備提供源源不斷的電能，通過其他裝置設(shè)備將能源進(jìn)行調(diào)頻或者整流，使其接入其他設(shè)備接口，完成能源輸送的動作。整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出過程。

3.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

飛輪儲能系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上主要分為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)和相互轉(zhuǎn)換能量系統(tǒng)三個部分。

一是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子為飛輪的旋轉(zhuǎn)部分，其轉(zhuǎn)動的動能與轉(zhuǎn)動的慣量成正比關(guān)系，同時轉(zhuǎn)動慣量與飛輪的直徑的平方和質(zhì)量成正比關(guān)系，即得到公式（2），即：

式中：J為動能；M為飛輪的慣量；R為飛輪的直徑；K的取值取決于飛輪質(zhì)量的分布情況，從均勻分布到邊緣分布，在0.5～1 間取值。飛輪質(zhì)量分布均勻時取0.5，質(zhì)量完全集中在邊緣時取1。

二是軸承系統(tǒng)，軸承與轉(zhuǎn)子的關(guān)系密切相關(guān)，用于支撐轉(zhuǎn)子的運(yùn)動，軸承的摩擦阻力決定整個系統(tǒng)裝置的損耗情況，飛輪儲能中磁懸浮技術(shù)和利用真空技術(shù)降低了摩擦阻力，使系統(tǒng)接近于零損耗情況下運(yùn)行。

三是相互轉(zhuǎn)換能量系統(tǒng)，飛輪儲能設(shè)備中安裝一個內(nèi)置電機(jī)，具備發(fā)電機(jī)和電動機(jī)雙向功能。充電時作為電動機(jī)給飛輪裝置加速，達(dá)到儲能能量的作用；放電時釋放動能，作為發(fā)電機(jī)給外部設(shè)備進(jìn)行供電；而當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時，整個裝置則以最小損耗運(yùn)行。飛輪儲能器中沒有化學(xué)活性物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)換與損耗，旋轉(zhuǎn)時的飛輪只作為純粹的機(jī)械運(yùn)動，飛輪在轉(zhuǎn)動時的動能關(guān)系如公式（3）所示，即：

式中：J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；ω為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。

4 飛輪技術(shù)在調(diào)頻系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的調(diào)頻技術(shù)作為通過調(diào)節(jié)機(jī)組有用功率的增減，限制電網(wǎng)運(yùn)行頻率的變化，實現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其缺點為作為有功功率輸出的浪費及系統(tǒng)響應(yīng)相對比較慢。而飛輪儲能系統(tǒng)的加入，可實現(xiàn)快速調(diào)頻及有功功率輸出利益最大化。飛輪技術(shù)應(yīng)用于調(diào)頻系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 飛輪技術(shù)應(yīng)用于調(diào)頻系統(tǒng)示意圖

整體結(jié)構(gòu)為整個調(diào)頻系統(tǒng)中加入飛輪儲能設(shè)備，能量管理系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組和飛輪儲能系統(tǒng)與單機(jī)側(cè)儲能系統(tǒng)核心交換機(jī)進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

4.1 系統(tǒng)控制原理

當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行頻率超出死區(qū)后，場級控制器通過計算將有用做功功率運(yùn)行頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)量發(fā)送給主控。當(dāng)場級控制器檢測到電網(wǎng)運(yùn)行頻率偏高時，PLC 給飛輪儲能系統(tǒng)發(fā)送儲能指令，飛輪儲能系統(tǒng)通過AC/DC 雙向逆變器從風(fēng)機(jī)有用做功輸出端吸收有用做功，調(diào)節(jié)電網(wǎng)運(yùn)行頻率降低。當(dāng)場級控制器檢測到電網(wǎng)運(yùn)行頻率偏低時，PLC 給飛輪儲能系統(tǒng)發(fā)送釋放指令，飛輪儲能系統(tǒng)通過AC/DC 雙向逆變器向電網(wǎng)進(jìn)行饋電，調(diào)節(jié)電網(wǎng)運(yùn)行頻率升高。

4.2 整體算法

觸發(fā)一次設(shè)備具有可使設(shè)備調(diào)頻數(shù)值得以改變的功能，被稱為指風(fēng)機(jī)功率初始值和儲能功率初始值設(shè)置功能。此時依照電網(wǎng)運(yùn)行頻率的變化，借助計算公式，得出有用做功功率的變化量數(shù)值，這個數(shù)值也被稱為功率變化量。功率變化量通過傳達(dá)指令送至主控模塊中，使主控模塊和儲能模塊的數(shù)值得以相應(yīng)改變，最終通過閾值變化得出，風(fēng)機(jī)功率初始值和儲能功率初始值，將二者進(jìn)行公式運(yùn)算，得出總和，即得出風(fēng)機(jī)功率給定和儲能功率給定值。

4.3 系統(tǒng)模塊的作用

一是智能電表，用于新能源發(fā)電廠并網(wǎng)點電壓、電流、有用做功、無功、功率因素及運(yùn)行頻率等信息的采集，同時配備完善的故障診斷功能和調(diào)試工具，具有高度的穩(wěn)定性、靈活性、可維護(hù)性以及較強(qiáng)的適應(yīng)性。

二是場級控制器，采用支持能與機(jī)組主控建立的毫秒級高速通信私有協(xié)議的控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)控制程序計算的毫秒級周期，作為場級能量調(diào)度控制和快速運(yùn)行頻率響應(yīng)功能實現(xiàn)的核心模塊，承擔(dān)核心算法的計算和機(jī)組主控高速通信的作用，可以快速計算出全場有用做功功率運(yùn)行頻率響應(yīng)調(diào)整量傳遞給PLC控制器。

三是PLC控制模塊：用于機(jī)組整體控制、運(yùn)算，通過增加儲能控制邏輯及獲取儲能系統(tǒng)AC/DC雙向逆變器信息與飛輪儲能設(shè)備能量信息，實現(xiàn)飛輪儲能設(shè)備的充電、放電功能。

4.4 飛輪儲能的優(yōu)缺點

一是優(yōu)點，與傳統(tǒng)儲能技術(shù)相比，飛輪儲能技術(shù)具有壽命長、效率高、穩(wěn)定性好、較高的功率密度、工作效率高、響應(yīng)速度快、充放電次數(shù)無上限和無污染等優(yōu)點。

二是缺點，存在能量密度低、可持續(xù)時間短，由于軸承的磨損和空氣的阻力，存在一定的自放電等缺點。

三是難點，轉(zhuǎn)子的設(shè)計、磁軸承的設(shè)計、功率電子電路需要具備高相互轉(zhuǎn)換率和高可靠性以及高安全性等特性、需要開發(fā)質(zhì)量輕且安全系數(shù)高的設(shè)備、機(jī)械軸承的備份能夠在軸承失效時具備支撐轉(zhuǎn)子繼續(xù)運(yùn)行的功能等。

5 結(jié)語

飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于一次調(diào)頻系統(tǒng)具有重要的作用，降低了電網(wǎng)高頻時的有用做功輸出損失，提高電網(wǎng)運(yùn)行頻率波動時風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少有用做功輸出在恢復(fù)時可能會出現(xiàn)的二次振蕩，同時避免了高頻擾動下，新能源場站有用做功功率低于額定功率10%時無法調(diào)節(jié)等問題。飛輪儲能系統(tǒng)在新能源領(lǐng)域應(yīng)用前景也十分廣泛，不僅適用于風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻系統(tǒng)，同時可應(yīng)用于新能源機(jī)組高低壓穿越中的電壓調(diào)節(jié)和其他方面?？梢约尤雰δ芟到y(tǒng)進(jìn)行研究開發(fā)，儲能系統(tǒng)針對分布式電源，在改善電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和構(gòu)建環(huán)境友好型電力系統(tǒng)等方面具有參考價值。