飛輪儲能在電力系統的應用和發展前景

本刊記者 王睿佳

近日，本刊記者就飛輪儲能在電力系統的應用和發展前景，采訪了華北電力大學先進飛輪儲能技術研究中心教授柳亦兵、秦立軍、梁雙印、馮彥杰、李曉輝。

《中國電業》：飛輪儲能在我國尚屬新行業領域，請簡單介紹一下飛輪儲能。

答：飛輪儲能是一種物理儲能方式，原理很簡單，是利用旋轉體旋轉時的動能實現能量存儲和釋放。旋轉體由同軸的飛輪轉子和雙向電機轉子組成。雙向電機工作在電動機狀態時，使飛輪加速旋轉，將電能轉換成動能存儲；雙向電機工作在發電機狀態時，使飛輪減速旋轉，將動能轉換成電能輸出。

在目前適合規模化商業運行的儲能技術中，飛輪儲能具有功率密度高、充放電響應速度快、使用壽命長、放電深度大、無環境污染、運營成本低、安全風險小等的綜合優勢，非常適合快速大功率充放電應用場合。飛輪儲能技術的研究可以追溯上百年，過去幾十年在通信、石油、交通、航天和軍事等領域得到廣泛應用。目前國內外已有多家生產飛輪儲能產品的公司，國外有BeaconPower、TemporalPower、Active Power，AmberKinetics、VYCON、Boeing、QuantumEnergy等，國內有沈陽微控公司、泓慧公司、華陽科技、貝肯新能源公司等。今年舉辦的國際儲能高峰論壇及產品展覽會上，從展出的飛輪儲能系統產品看，多數公司主要生產容量較小的飛輪儲能設備產品，存電量少，充放電時間較短，主要用于傳統的通信、石油、交通、艦船、航天等領域作為應急供電或穩壓電源等。只有少數公司展出了大容量功率型飛輪儲能系統的實際產品。

《中國電業》：請具體談談飛輪儲能的特點和優勢。

答：與其他儲能形式比，飛輪儲能有以下幾點突出優勢：

（1）大功率快速響應和快速充放能力：可以達到很高功率密度和很快響應時間。額定功率響應時間低于0.1秒。可以配置大功率電機，實現能量快速深度充放。而且飛輪儲能類似傳統發電機組可以為電網提供旋轉慣性。

（2）超高的循環充放次數和超長使用壽命：滿功率充放電循環次數可以超過10萬次，儲能部件設計壽命超過25年。

（3）飛輪儲能系統荷電狀態精確可測可控：飛輪轉子轉速和儲能量成精確關系，可以通過精確測量飛輪轉子轉速，實現儲能量的精確監測和控制。

（4）高安全可靠性和環保性能：飛輪儲能是物理儲能方式，通過高速旋轉的飛輪轉子實現能量存儲，沒有燃燒和爆炸的風險，沒有危險化學物的處理與回收問題，不產生任何環境污染。飛輪轉子的主要失效模式是超速旋轉造成轉子內部應力超過材料強度極限，可能導致轉子部件內部產生裂紋損傷，嚴重時轉子發生爆裂。飛輪儲能系統通過先進設計制造技術，使得發生轉子爆裂事故的風險極低，并且通過配置的監測和安全保護系統對轉子裂紋故障進行預警和保護，極端情況下，飛輪儲能轉子外殼和基礎也可以對轉子爆裂故障發揮安全防護作用，就地消納能量，有效避免發生嚴重安全事故。

（5）強環境適應性和低運維成本：飛輪儲能系統的運行環境條件要求低，工作溫度范圍寬；日常運行維護工作量少，儲能系統核心部件全壽命不需要更換。

《中國電業》：飛輪儲能在構建新型電力系統中扮演怎樣的角色？

答：到2030年，我國以風電、太陽能為主的新能源發電裝機要達到12億千瓦以上。風電和太陽能發電的突出特點是發電出力具有隨機波動性和間歇性，大規模接入電網后，帶來了電力平衡、電量消納、電網安全穩定控制等諸多新挑戰，對電力系統快速靈活調節提出更高要求。隨著新能源在電力系統中的占比不斷提高，由輔助電源逐漸成為主要電源，這些問題更加突出。2021年1月27日，國家電網有限公司董事長辛保安在世界經濟論壇“達沃斯議程”視頻對話會上的“加速清潔能源轉型”專題發言指出，國家電網公司將深入貫徹習近平總書記重要講話和指示精神，落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰略，加快建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業，助力實現“雙碳”目標，為能源清潔低碳轉型、實現綠色發展貢獻力量。未來5年，國家電網公司將年均投入超過700億美元，推動電網向能源互聯網升級，以堅強智能電網為基礎，將先進信息通信技術、控制技術與能源技術深度融合應用，具有清潔低碳、安全可靠、泛在互聯、高效互動、智能開放特征的智慧能源系統，可從多方面促進能源清潔低碳轉型，助力實現“雙碳”目標。

電網獨立調頻用飛輪儲能電站示例（左圖：美國Stephentown；右圖：加拿大Guelph）。

國家電網公司為了給新能源大規模開發利用提供配置平臺，增加大規模新能源的消納能力，采取了許多重大舉措，包括發展大規模能源互聯網及智能電網、建設特高壓輸電線路、大力推進各種儲能調節資源建設等，同時也對各種發電機組的靈活調節能力提出更高要求。由于新能源出力的隨機波動性和間歇性，高比例接入電網將導致電網有功負荷快速小幅波動增加。根據國內電網的近期統計情況：從華北電網某火電廠60萬機組AGC統計數據和廣東電網某火電廠30萬機組AGC統計數據看，絕大部分AGC信號持續時間不超過10分鐘，90%的AGC信號持續時間小于6分鐘，其中74%的AGC信號持續時間小于3分鐘。這些數據表明，未來在新型電力系統中，快速頻繁小幅有功功率調節（調頻）的任務越來越多，對快速小幅度調頻資源的需求也必將越來越大。

在目前大規模應用的各種儲能形式中，飛輪儲能具有可以實現大功率快速充放電的特點，可以彌補新能源發電的隨機性、波動性，并實現新能源發電的平滑輸出，使大規模風電及太陽能發電更安全更可靠地并入常規電網，在電力系統快速負荷調節方面具有獨特優勢，可以廣泛應用于電網獨立調頻、輔助火電和新能源（風光）調頻、微電網及綜合能源等場景。隨著智能電網、分布式供電等新技術的推廣應用，飛輪儲能的作用進一步突現出來，其發展和應用將對新能源乃至整個電力系統帶來革命性的影響。

《中國電業》：飛輪儲能的應用領域有哪些？其發展前景如何？

答：目前飛輪儲能在航空航天、艦船、交通、石油開采、通信等領域有廣泛應用，這些應用場景以儲能容量較小的飛輪儲能系統產品為主，主要發揮飛輪儲能的電能快充快放特點和優勢，用作應急電源、穩壓電源等，凡是在需要電能瞬時快充快放的場合，飛輪儲能都可以發揮更大作用。進入21世紀以來，隨著全球范圍新能源的快速發展，電力系統瞬時有功負荷波動問題加大，飛輪儲能的快速負荷響應和充放電特點開始受到重視，并開始在電網調頻方面得到應用。飛輪儲能可以應用于電力系統中的多種場景，包括作為獨立調頻電源、輔助傳統發電機組（火電機組、水電機組等）和新能源電站調頻、微網和綜合能源系統等。為了適應電力系統快速負荷波動的調節特性，充分發揮飛輪儲能的優勢，應選用大容量、大功率的飛輪儲能單元設備，將多個飛輪儲能單元組成飛輪儲能陣列，構建額定功率10MW/儲能量MW級別以上的大容量飛輪儲能電站，具備數分鐘的充放電持續時間，以滿足電力系統中對快速有功負荷調節的不同應用需求。

資料圖

在“雙碳”目標背景下，我國未來將發展以新能源發電為主要發電支撐的新型電力系統。為了解決新能源發電存在的強隨機波動性和間歇性問題，保障電力系統的安全穩定運行，需要大力發展各種儲能資源，提升電力系統的負荷調控能力，同時也對發電企業的靈活調節能力提出更高要求。在目前大規模應用的各種儲能形式中，只有飛輪儲能具有可以實現大功率快速充放電、無限循環壽命的獨特優勢，非常適合電力系統調節指令快速變化的調頻任務，可以廣泛應用于電網獨立調頻、輔助火電、新能源（風光）進行調頻、微電網及綜合能源系統快速負荷平衡等場景，具有廣闊發展前景。

《中國電業》：當前，飛輪儲能乃至整個儲能領域還沒有形成獨立產業鏈，儲能行業的商業化模式尚未完全成形。請談談飛輪儲能的發展現狀，未來需要哪些政策支持？

答：根據我國儲能產業技術聯盟（CNESA）2019年的研究報告，世界范圍規劃、在建和已經投運的飛輪儲能電站項目共有14個，共計81兆瓦。其中只有美國BeaconPower公司和加拿大TemporalPower公司有大容量飛輪儲能獨立調頻電站的成功應用業績。美國BeaconPower于2011年在美國投運了2個20兆瓦飛輪儲能電站，每個電站采用200個單體功率100千瓦/30千瓦時的飛輪儲能單元組成飛輪儲能陣列，通過集中能量管理系統進行控制，參與電網獨立調頻；加拿大TemporalPower從2014年以后陸續在加拿大安大略省及加勒比海投運了三個飛輪儲能電站項目，裝機容量分別為2兆瓦、5兆瓦和10兆瓦，分別采用單體功率250千瓦/50千瓦時和500千瓦/50千瓦時的兩種飛輪儲能單元產品組成飛輪儲能陣列，提供電力系統調頻和輔助服務。繼北美電力市場之后，歐洲電力市場也開始呈現出對調頻資源的需求，而飛輪作為快速調節資源已經開始獲得歐洲電網運營商的認可。據報道，愛爾蘭EirGrid公司規劃了歐洲首個飛輪儲能項目，規模達到20兆瓦，但是未見后續進展的報道。

2010年前后，我國出現了一批飛輪儲能系統商業推廣示范應用的技術開發企業，但我國在飛輪儲能理論和應用方面仍不成熟。我國飛輪儲能行業處在發展初期，根據中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會產業政策研究中心統計顯示，截至2018年12月31日，中國儲能裝機31.3吉瓦。其中，飛輪儲能1.1兆瓦。

從目前飛輪儲能技術的發展來看，目前中國市場上飛輪儲能應用大部分為試點產品，成熟運行產品較少，運行功率較低，后備時間極短，部分技術性能需要進一步完善。在系統容量、轉換率、使用壽命、安全性等方面亟須創新和突破。同時，飛輪儲能商業化還存在成本偏高、缺少價格激勵政策、技術路線不夠成熟、欠缺技術規范和接入標準等問題。■