沈阳微控陈烨:磁悬浮飞轮储能技术在风电场频率支撑领域的应用

能见App 2021年10月19日 4886

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在储能与新能源融合发展论坛上,沈阳微控新能源技术有限公司陈烨发表了题为《磁悬浮飞轮储能技术在风电场频率支撑领域的应用》的主题演讲。

以下为演讲原文:

陈烨:各位同仁大家上午好,我主要跟大家分享的磁悬浮飞轮技术在风电场频率支撑领域的应用情况。

大家对于化学储能比较了解了,对于飞轮储能很多同仁还不是很清楚,也简单介绍一下,飞轮储能是一种物理储能方式,主要通过高速旋转体的这种旋转进行动能存储,同时进行动能和电能之间的转换,我们通过飞轮的储能公式可以看出来,飞轮储能量跟两个因素有关系,首先跟飞轮的质量,另外跟飞轮旋转的转速,它本身跟飞轮转速成正比,高速飞轮是有更好能量密度的,也是飞轮产品发展的方向。

最新飞轮技术采用磁悬浮飞轮,叫磁悬浮储能飞轮,飞轮运行时它是在完全真空环境里面,属于没有接触的,全磁悬浮状态进行高速旋转,没有磨损问题,同时功耗非常小,这是最新型的储能技术形态。

再看一下飞轮内部的结构,第一部分飞轮本体部分,相当于汽车发动机,也是飞轮心脏的部分。第二部分电力电子部分,做飞轮电机和直流之间变换的。第三,是控制系统。第四,是真空棒,包括真空运行的环境。再看飞轮本体内部的结构,上下两个金色就是一对的磁悬浮轴承,通过它的支撑保证飞轮在一个悬浮状态下高速旋转,上面是高速电机部分,现在电机都是双模,飞轮充电的时候是电动机的工况,由低速到高速旋转。放电的时候上面切换成发电机情况,动能向电能向外输出,对于飞轮来说,充电的时候转速是低速向高速的,它控制能量的输出。

下面更宽的就是飞轮部分,通过高速旋转进行能量存储,外面是真空环境,保证运行时的真空特性。刚才我们看到黑色整个飞轮的部分,看上去比较简单,它里面结构是非常复杂,从钢厂把这种特种钢材冶炼出来到我们形成飞轮的产品,它其中要经过将近50多道的工序,里面有200多个零件,它是高速旋转的,完全靠高精度加工工艺来制成的,对整个加工工艺来说有非常高的要求。

对于任何储能技术来说安全性都是最关键的,飞轮作为物理储能,安全性高于化学,并不是说没有安全隐患,处理不当也是有安全问题的,对于飞轮来说比较严重的安全问题,是所谓飞轮的旋转过程中解体,怎么保证飞轮的安全性,最重要或者最基础的要对飞轮转子进行无损检测,也就是探伤,才能够判断飞轮里面内部是否有裂纹,气泡缺陷,如果有缺陷的话,长期运行过程中带来比较大隐患,这是使用的超声波无损探伤的设备,如果说探测结果没有缺陷,才能保证飞轮的安全性,当然这种超声波探测是有一定条件的,太大了,或者尺度太厚的飞轮就达不到,对于飞轮的尺寸来说是有一定要求的。

总之,飞轮的特性大体有这些。第一,它有更高的安全性,另外有更长的使用寿命,还有大功率密度,快速充放电,容易部署,退役回收环保压力更小一些。

下面再来看一下磁悬浮飞轮在风电场频率支撑领域里面的情况,总书记提出了以新能为主体的新型电力系统,对于新型电力系统来说一个比较关键和主要的问题,随着新能源并网越来越大,电网稳定性现在是一个逐步下降趋势,它稳定运行风险是逐步增大的,其中主要的表现在电网调节能力和抗干扰能力下降是比较重要的,右下角电科院做的仿真图,超过21%的时候,考虑到4%驱额的话,就会引发电力系统的减损的动作,当达到50%的时候问题就比较严重了,所以国家标准明确要求新能源必须要具备惯量响应,一次调频最主要的方面,特别是国家能源局发布的两个细则,也是把惯量第一次提出来,对于整个新能源场站调频能力也是越来越重视。

对于特性来说大家比较熟悉了,本身我们转子转速跟电网频率是结耦的,并不是说我们风电机组不具备这种调频能力,其实刚才庞总提到了我们可以有一定的调频能力,但是它的能力跟风机运行状态是紧密跌到,同时在频率恢复的时候比较容易造成频率二次劳动,通过快频装置,通过快桨控制,可以通过一次调频能力的提升,也有弊端,它的问题是,现在风机都是最大功率跟随工况下运行,如果你让它具备向上调节能力,必须要有线上的容量。看一下时间维度是30秒之内,通过储能方式弥补一些风电场的调频能力不足的问题。

当然不同储能技术,应用在新能源场站不一样,我们对于参数要求也有很大区别,以一次调频为例,有几个特点。第一充放电频次非常高,如果调频设在0.4赫兹,每天1600次的充放电次数。第二响应次数比较快,国家要求不大于3秒的。惯量响应要求不大于5秒,使用寿命希望跟全生命周期配套,这些特性跟飞轮的技术特性契合度比较高,也是大家比较关注于飞轮技术运用到新能源一次调频和惯量响应里面的主要出发点。

下面分享几个我们已经实施过的应用案例,这是去年在国家能源集团山西风电场实施的混合储能一次调频示范项目,也是全国第一个完成35KV并网试验的兆瓦级飞轮储能系统,也是首个飞轮+锂电池混合储能示范项目。

当时测试的工况跟大家讲一下,红色这条线是整个混合储能系统的指令,紫色白色是飞轮系统的指令和电量,黄色和红色是锂电池系统的电量和指令,椭圆形区间风电场经历了一次比较小的波动,这时候优先由飞轮系统进行处理,在矩形的区间,这次风电场遇到比较大的频率波动,依然由飞轮系统进行支撑,当飞轮电量不足的时候,再由锂电池进行一个补偿,这是一个整个测试过程,这里面也体现了混合储能主要的控制策略,基本上就是优先使用飞轮处理,锂电池作为补充,这套混合储能系统脏活累活都由飞轮系统干,锂电池是它在一个更适合于锂电池工作情况下去运行。

这个案例是在大唐辽宁风电场实施的,风机一次调频和惯量的示范项目,应用飞轮系统和单风机参与场站的一次调频和惯量响应的示范项目,这个系统跟刚才系统不太一样的地方,它部署在单风机当中,实现一个整个风机的一次调频惯量的支撑。

这是电科院做的实际测试情况,一次调频响应速度160毫秒,这个响应速度是当频率脱离一次调频死区开始,当有情况发生的时候,到下放到整个风电场控制指令到出列到完全支撑,整个全过程在160毫秒,对于虚拟惯量响应来说是280毫秒,它需要测量频率变化率,需要多几个采样点,相对来说时间更长一些,这些指标是完全优于现在国家标准的一些相关要求的。

最后简单向大家再介绍一下微控新能源公司,我们2017年收购了飞轮企业,2018年成立了微控新能源,微控新能源总部位于中德沈阳高端装备制造产业园,也承担了省部级的项目,支撑我们产能每年达到1000台,现在全球部署3000台,在电力行业,轨道交通,数据中心各个行业都有比较多的应用。

最后感谢大家对于微控的关注,我们展台在E4馆E3展位,希望各位同仁指导考察,谢谢大家。

 

(根据速记整理,未经本人审核)