飛輪儲能的技術及經濟性分析

劉旭澤

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司， 山西 太原 030000）

0 引言

風電、光伏等新能源電源因其難以調控，導致電網調頻需求日益增加。目前，電網調頻主要依托火力發電，而由于火電機組本身局限性，其調頻效果較差。

目前，抽水蓄能是電力系統中技術最為成熟、容量最大的儲能方式。但是，抽水蓄能對建設廠址的地理位置及條件的要求比較高，并且建設周期長[1]。飛輪儲能系統具有響應速度快、使用壽命長等優點，并在大功率化、規?；?、轉換效率和經濟性等方面具有突出優勢[2]，其調頻效果是常規火電機組的30 倍。因此，飛輪儲能可以作為電網系統的優勢調頻電源。利用大規模飛輪儲能系統對電網頻率調節，能夠彌補火電調頻效率低，解決電網調頻資源不足等問題。

1 飛輪儲能與其他儲能的對比

目前，儲能主要類型有機械儲能和電化學儲能等多種類型。其中，物理儲能分為抽水蓄能、飛輪儲能等。電化學儲能分為鉛蓄電池、鋰電池等。不同儲能形式的特點及性能如表1 所示。

表1 不同儲能方式的特點

從表1 可以看出，目前，投運最多的鉛酸電池儲能，具有功率密度高、成本低等優點，缺點是效率低。鈉硫電池容量高、效率高，但是，成本也高。鋰電池響應快，但有熱失控風險。液流電池能量容量高，壽命長，但效率低。抽水蓄能具有技術成熟、響應快等優點，但是，也有投資大、地理位置受限等劣勢。壓縮空氣儲能壽命長、投資低，但效率低、響應慢。

相比其他儲能方式，飛輪儲能具有以下優勢：

1）瞬時功率較大，可以在很短的時間內快速充放電，快速響應電網調頻要求。

2）壽命周期長，使用壽命可達100 萬次以上。

3）能量轉化效率高。磁懸浮支承以及在真空中高速旋轉的飛輪，可以一定程度上減少機械和空氣摩擦。因此，飛輪儲能的效率可以達到85%～95%。

4）無污染。飛輪為機械結構，不會有化學污染和排氣污染，也沒有電池廢料的回收污染問題。

飛輪儲能具有高能量密度、高功率密度以及響應時間快、效率高等優點，適用于電網服務調頻。

2 飛輪儲能的原理及技術方案

2.1 飛輪儲能的工作原理

飛輪儲能系統屬于機械儲能，充電時，電能轉換為機械能。放電時，機械能轉換為電能。飛輪儲能設備剖面圖如圖1 所示。飛輪儲能主要由機械飛輪、電機、軸承、真空室、雙向換流器以及控制、真空和冷卻系統組成。雙向變流器采用交流—直流—交流的配置，實現直流到交流的逆變過程和交流到直流的整流過程。控制系統可以實現控制并監測溫度、冷卻系統狀態和真空度等系統參數。真空系統由真空泵提供真空狀態，以保障飛輪損耗較小。冷卻系統主要是防止飛輪儲能溫度過高。

圖1 飛輪儲能設備剖面

飛輪儲能的工作原理是電能和機械能的轉化，如圖2 所示。

圖2 飛輪儲能系統

當飛輪儲能參與電網調頻時，飛輪儲能實質是通過調節電網的有功功率，進而調節電網系統頻率，調節過程也是飛輪儲能充放電的過程，電能與機械能互相轉換的過程。

將儲能系統接入變電站，通過變電站的電源進行充放電，儲能站內設置獨立的RTU 和DCS 系統通訊接口，接受電網AGC 指令。參與調頻的飛輪儲能系統主要包括儲能單元、PCS 裝置和儲能系統總控單元。飛輪儲存能量的計算公式為：

式中：J為飛輪轉子的轉動慣量，ω 為飛輪轉子旋轉角速度。當飛輪從最高轉速ωmax減速到最低轉速ωmin，飛輪儲能釋放的最大能量為：

飛輪儲能裝置的電機具有電動機和發電機的雙重作用。當飛輪儲能充電時，通過電能帶動電動機給飛輪加速。當放電時，飛輪帶動發電機將機械能轉化為電能，此時飛輪的轉速開始下降。

2.2 飛輪儲能的常規配置方案

飛輪儲能系統由儲能單元、升壓單元和并網單元構成。飛輪儲能一般由儲能子單元構成，儲能子單元又由儲能飛輪組成。升壓單元由升壓子單元構成，升壓子單元由雙向PCS 構成的儲能子單元和升壓變壓器組成。并網單元由并網子單元構成，并網子單元主要由高壓開關柜構成。

每個儲能子單元接1 臺升壓變壓器，升壓后，接入并網單元進線斷路器柜，再由并網出線柜送出至附近變電站。

3 飛輪儲能成本及經濟性分析

3.1 飛輪儲能成本分析

飛輪儲能的投資成本主要包括設備購置費、建筑工程費、安裝工程費及其他費用。其中，設備購置費占總投資的83%，如圖3 所示。

圖3 飛輪儲能的投資成本占比

3.2 飛輪儲能經濟性

飛輪儲能主要通過參與電力輔助服務市場中的調頻服務，以獲得調頻收益。

目前，國家能源局、國家各級地方政府均出臺了大量鼓勵電力市場輔助服務的相關政策。國家能源局出臺了《電力輔助服務管理辦法》，廣東省發布了《廣東調頻輔助服務市場建設試點方案》《廣東調頻輔助服務市場交易規則（試行）》，山東省發布了《山東電力輔助服務市場運營規則（試行）》修訂稿，江蘇省發布了《江蘇電力輔助服務（調頻）市場交易規則（征求意見稿）》，山西省發布了《山西電力調頻輔助服務市場運營細則》。

以山西省為例，進行飛輪儲能經濟性測算。山西省調頻服務采取競價方式，目前，申報價格為5 元/MW。

參與電網調頻的年度補償收益公式為：

式中：F為全年收益；D為全年調節深度（調頻里程），MW；K為機組全年平均調節性能指標；C為調頻服務結算價格。

飛輪儲能系統的調頻性能指標優異，K值遠好于火電機組，因此，K值取5.5。

對于30 MW 容量的獨立調頻電站，如果每5 min捕獲一次調頻指令，每天完成的調頻里程D=24 h×60 min/h÷5 min×30 MW=8 640 MW，全年調頻暫按300d 計算。全年的調頻里程（調節深度）D=8640MW/d×300 d=2 592 000 MW。

按照C取5 元/MW 計算，全年收益值為7 128萬元。計算可知，飛輪儲能的收益十分可觀，具有較好的經濟性。

4 結語

飛輪儲能系統具有瞬時大功率、毫秒級響應、全壽命周期無衰減、百萬次循環充放電和超長使用壽命等特性，可完美匹配一次調頻的充放電工況。伴隨著全球可再生能源的應用提升，飛輪儲能系統將在可再生能源集成中扮演關鍵角色，幫助平衡電力供應，確保電網穩定運行。由于飛輪轉速可達40000～50000r/min，飛輪一般采用碳纖維材質，成本較高。但是，隨著飛輪儲能技術進一步成熟，成本逐漸降低，飛輪儲能將迎來廣闊的發展空間。