沈阳微控陈烨：飞轮储能技术在风电场站一次调频中的应用

2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）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“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。

在15日召开的CWP2020创新剧场上，沈阳微控新能源技术有限公司副总裁陈烨发表《飞轮储能技术在风电场站一次调频中的应用》主题演讲。

以下为发言实录：

陈烨：谢谢大家，今天下午我们是第一个演讲，也由我来给我们下午的报告做一个暖场。我跟大家交流的主要是《磁悬浮飞轮储能技术在风电场站一次调频中的应用》情况，现在整个风电发展趋势大家都已经很清楚了，我们现在有2.1亿装机量，现在整个光伏、风电加起来有20%的装机比例，他带来的一个问题就是现在这么多的新能源装机，我们的电网完全具备了高比例新能源接入的特征，所以整个结构跟我们传统的常规电网络来源说已经有很大的区别了。那我们看其实高比例新能源介入的电力系统有两个比较重要，一个是新能源消纳问题，第二个安全稳定运行风险的问题，关于新能源消纳的问题我们今天在这里不更多赘述，主要讨论安全风险。电力系统安全风险的增加达到对于新能源高发的地区来说主要因为我们新能源波动性和它的不可预见性带来的调整频率和抗干扰能力不断下降，这是我们背靠电科院做的测试，如果按20%新能源接入的比例，有的地方超过40%，下面这个图蓝色是常规机组的当考虑4%缺额的情况下的情况，红色的线是参考新能源的情况。比较明显的变化是如果我们有20%的新能源接入的话，我们整个频率变化其实已经进入到我们的低频减载区了，就会造成一些动作，如果新能源比例越来越高就会恶化，这个对我们的新能源接入，如果不具备调频能力对我们电网带来的很大的挑战。

当然国家队整个电网特别新能源的能力也有深刻认识，2018年开始特别今年7月的《导则》事实要求我们必须具备一次调频能力，现在江西、陕西、辽宁、江苏很多的中心也发了相关要求，新能源场站必须具备一次调频才可以并网，现在在改造。这些是整个一次调频和新能源对接的方面。当然我们今天主要聚焦在风电，传统风机来说，我们现在声馈的风机跟我们的电网频率结耦，不能像传统机组具备调频响应应能力，不是说不具备，我们从两个方面来说现在的风机可以实现部分调频功能，第一个就是我们通过转速度控制，本身我们的转子带一定动能，可以提供一定能量。左边的图可以看到电力系统的频率调节过程，一次调频大概覆盖从频率变化到60秒之间的变化，右边这个图是我们一个典型两兆瓦风机的转子动能，如果按照10%的国标要求调节动能情况，我们看到虽然它有一定能力但是跟风机当时运转状态直接相关，如果转速高能力就更强一些，转速低就更弱一些。所以在低转速的情况下希望通过转子转速度控制完全实现和满足一次调频的指标这个比较有困难。我们另外一方面可以通过机的夹角控制来控制，当然这里面一个大的能力他向上调节不足，因为现在风机还是空旷的情况运行，不能有向上调节的额外功率，除非让我们的风机在日常中通过减载方式运行，语流出容量完成我们的一次调频工作。

当然会带来两个问题，一个是我们整个风机控制是机械的，所以响应速度来说是有一定的困难的，另外一个很重要的云梯是我们长期的风机在10%的的备用容量减载方式运行的话，对我们风电场长期带来的经济损失比较大。这些都是我们风机本身由它承担一次调频的特轻和能力还有相关不足的地方。

怎么去解决这个问题呢？很多人提到储能，储能作为能量源由它配套做调频。一次调频的储能跟我们常规接触到的调峰储能有很大差别，很多地方政策不管是10%、20%、5%是按照调峰顶德国问题，调峰调频对储能技术来说有两个主要点有很大区别，第一个就是充放电拼刺，对于一次调频来说，每天充放电频次几十次、上百次或者击败次，那这个对于我们现在以化学电池、锂电池为代表的储能电池来说使用寿命有很大压力，第二个持续时间并不长，我们刚才看到单次调频一分钟，所以这种频繁充放电短时间的特性并不特别适合于化学电视的适用，我们现在基于集中储能的方式解决新能源一次调频的问题还有很多需要摸索。还有另外路径就是通过储能跟分机机组配合的协同方式来做事先调频的功能。它的基本逻辑是我们既然知道刚才我们看到风机转子本身具备一定能量，只不过是在有些情况下他不能够满足于调频要求，这这样我们通过一个储能装置提供一个功率支撑或者能量源，当不能满足要求的时候由我们储能系统支撑，这样可以使我们的风机在更多时候有个东风况的短时调节能力。

这是一方面，另外一方面我们知道转子的转素控制有另外一个就是恢复期品此跌落的问题，这个对电网影响比较大，因为我们的储能装置在恢复期可以提供一个支撑，所以可以比较好的解决这个问题，比较容易能够使我们的机组恢复更快的MPPT的运行模式。

刚才提到了我们说高使用频次短时间的储能对储能期限会提出很多要求，当然储能方式有很多种，化学储能、物理储能很多方式，这里飞轮储能工利性的储能技术比较适合在这个工况下使用。

这个图是我们看到现在做过一些相关仿真工作，我们看左上角的图，这个图蓝色的线不做控制，绿色是转组的控制，最后一个是转组协调的。这个我们可以看到，如果通过组协同，他频率下降的最低点有一个很好的提升，第二点我们可以看到低于整个二次跌落可以很好的解决，所以我们看仿真，实践的数据来看，凤储协同的方式可以完成我们风电一次调频的国家的要求，同时我们通过转组控制和储能方式结合，我们的机组就不需要进行控制，这样也可以在很大程度上避免风电场经济上的长期损失，另外我们也可以帮助机组更快恢复他的使用状态。另外我们说飞轮储能寿命非常长，它的寿命和便利性在很多工况下来说跟我们风电机组的十用来说有很强的契合性。

这是一个我们飞轮储能技术简单介绍，有很多专家对飞轮储能比较了解，有很多朋友接触的也不多，飞轮储能是一种物理储能的方式，通过动能和电能之间的转换进行能量存储，跟我们传统机组非常像，传电发电机组就可以看成一个巨大的飞轮，也是通过能量转换来实施。对于飞轮来说充电放电主要控制它的转速，我们知道当充电的状态等于说由电机电能变动能能，那我们飞轮由低到高就完成充电的过程，相反就可以把动能向外输出，是一个放电的过程。

中间的图是基于飞轮磁悬浮的结构，有四部分，一个永四磁四电机部分，这个跟下面是同抽的，因为要做双向转换，冲向是通过电动机来运行由高速到低速的运转形成充电，放点就会切换把动能向外输出。里二第二是飞轮储体，高强度的合金刚才，非常重转速非常高，比如我们现在可以做到37000转每分钟，通过这么高转速的储存体可以达到一个很好的存储过程。

本身我们是一个高速的所以我们需要一个轴承支撑，最先进的叫磁悬浮的轴承，所以在运行过程中在一个巡抚过程中高速旋转，同时看到外面是一个真空腔体，在真空环境高速旋转所以损耗非常低，这是我们的一个飞轮产品的主要部件。当然我们需要一个功率变换器把我们电机输出的交流变频作为指出，所以它的应用跟我们的非常像都是在直流侧进行相关接入。

给大家说微控新能源公司，我们是国家高新企业，在中德（沈阳）高端装备园在2018年收购美国VYCON公司，包括一系列核心技术，另外我们现在全球唯一一条生产线，因为大家原来对他的理解都是非常有特点，技术很先进，但是造价非常贵用起来很困难，但是现在随着国产化逐步推荐，现在整个飞轮产品造价应该降到非常有竞争力的区间了。现在在全球部署量也超过2000台，在轨道交通、电力、工业、医疗各个领域都有很成熟的业务。

这个是我们一个产品的基本形态，右边就是我们产品的一个图，标准柜体方式，这一台飞轮最高可以做到4500千瓦输出功率，长宽高大概是56×56×180，占地面积0.5的平方，所以大家可以看到这是一个跟我们家冰箱差不多的，是一个集成度非常高的产品，这个可能跟大家传统对于飞轮比较笨重、庞大的认知还是有一些不一样的地方。我们的这个转速非常高，37000（），另外一个本身飞轮是一个纯物理储能方式，也不存在任何火灾、爆炸的安全风险，所以安全性比传统的化学储能有自己的优势，我们也提供了很多CNAS、UL、CR等第三方认证，里面有多少能量、能存多少电放多少电我们可以精确到秒，这个是我们传统的化学电池不具备的，所以这点也是对我们控制来说更优势的一点。

这是我们在今年去做的一个我们储能系统用于新能源一次调频的示范项目，这是国网的规模化风机调频性能关键技术研究的一个项目，在国电龙源风电发力有限迥四右玉老千杀风电厂，混合储能的技术，应用于整个新能源场站调频的项目，这个项目我们一期使用1兆瓦的飞轮加4兆瓦锂电池，同时解决一次调频输出的问题，这个还是采用集中式的储能部署方式。我们想如果说我们跟风机的结合这种储能加风机的分布式部署，因为它可以更好的发挥整个我们机组已有的动能条件，这样其实我们的储能的配置的比例就可以大幅下降，这个来说对于整个从我们不管是对于风电场还是对于风机厂商来说，从产品的竞争力，从他的成本可接受程度上来说都是可以符合大家的要求的。

今天我要跟大家交流的就是这些内容，我们在E2-C21有设备模型，各位专家朋友如果有兴趣的话欢迎大家参观考察，谢谢大家。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）

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