牧野区陆续报道飞轮储能在电力系统 工程应用

发布时间:2020-06-05 20:53:15 发表用户:wer12004 浏览量:291

核心提示:飞轮储能在电力系统 工程应用飞轮储能在电力系统的工程应用

飞轮储能在电力系统 工程应用

零零 年 月,国家能源局前身电监会印发了《发电厂并网运行管理规定》和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》(简称“两个细则”),两个细则开启了我国电力辅助服务补偿机制建设 前期探索。此后各地陆续制定了本区域 两个细则,对提供辅助服务 发电机组给予 定 经济补偿。 零 年 零月,山西能监办印发《山西电力调频辅助服务企业运营细则》,率先建立了以机组竞标调频里程、按调频性能高低补偿机组为特点 省级早期调频辅助服务企业,虽然调频里程 报价范围在不断变化,但细则 部分内容沿用至今,促成了新早 批电池储能调频项目 商运。前年 月,南方能监局印发《广东调频辅助服务企业贸易规则(试行)》,在调频里程补偿之外加入容量补偿并采用新 性能计算公式,该政策发布后广东成为目前电池储能调频项目新活跃 区域。去年 月,华北能监局印发《蒙西电力企业调频辅助服务贸易实施细则》征求意见稿,在筹建电力现货企业 同时兼顾调频辅助服务企业。前年 月西北能监局印发《西北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》,该细则将 次调频都作为有偿服务,以此克服发电机组调频性能参差不齐 问题。总体上看,通过建立辅助服务企业制度激励发电侧主动提高性能指标获取收益拉动了储能技术 进步,在政策 激励下,山西、广东和蒙西电网先后出现利用电池储能技术辅助燃煤机组联合调频 商业模式。但鉴于储能调频技术 普及度仍不够高,依然面临着政策缺乏递进性、技术水平不够高、质量体系滞后等风险,需要对飞轮储能在电力系统 应用现状进行系统 研究,揭示传统机组 性能局限及飞轮储能 应用价值,以便更好地发展储能技术,建成符合国情 智能坚强电网。

前年底 统计资料统计表明,新能源发电装机首超水电,跃居我国第 大发电形式,但新能源本身固有 随机性和波动性对电网 稳定带来了挑战,并且新能源机组对电网调峰、调频 贡献可以忽略不计。建设 定规模以飞轮储能为代表 电网级灵活调节资源是应对这 挑战 途径之 ,飞轮储能 工程价值则通过调频辅助服务企业等典型应用场景得以体现。本文通过对近年来飞轮储能工程项目进展情况 跟踪,介绍了飞轮储能技术 部分子系统及各大企业和研究机构 技术路线,归纳出飞轮储能在电力系统 工程应用部分包括电网调频、新能源消纳和微电网支撑等,应用于新能源消纳时飞轮储能有平滑出力和无功补偿等多种工作模式,可以弥补新能源发电 不确定性。但与功率型电池储能技术相比,制约飞轮储能技术大规模应用 瓶颈在于初始投资成本过高,电网级飞轮储能技术 发展方向应为更高 性价比,这样才能获得应有 企业份额。

.  转子

.  支承系统

.  真空与冷却

.  飞轮储能控制策略

飞轮储能系统基本结构

.  电网调频

.  新能源消纳

.  微电网支撑

.  初始投资成本比较

飞轮储能在电力系统 工程应用

结论

关键词,飞轮储能;工程应用; 次调频;无功补偿

KEMA企业曾对BeaconPower企业 零兆瓦飞轮调频电站进行性能评估。KEMA首先创建了 个模型,将飞轮与燃煤机组、燃气机组、抽水蓄能机组进行比较。火电机组 排放直接来自于它们 运行,而飞轮和抽水蓄能机组 排放则是因为它们利用电网 电能来补偿运行过程中 能量损失而间接产生 。研究发现,火电机组调频会降低零. %~ . % 整体效率。而飞轮调频 碳排放比上述 种传统机组都要低。

TUWeichao,LIWenyan,ZHANGQiang,etal.Engineeringapplicationofflywheelenergystorageinpowersystem[J].EnergyStorageScienceandTechnology, 零 零,零 (零 ): - .

次调频是指根据用电负荷频率响应特性,以及电源侧调速器 作用,来削弱电网频率波动 调节方式。

从 零世纪 零年代起,飞轮作为新型储能方式如何是与光伏发电配合就已经提上了议事日程。而目前欧洲仍然有测试中 示范项目,这些项目基于飞轮、燃气轮机和可再生能源 组合,探索该组合在关键时刻稳定电网,以及降低向未来零碳发电时代高质量电网 过渡成本 潜力。

以 阶巴特沃斯低通滤波器为例,其传递函数如式 所示,ωc为截至频率,T为采样时间。

以加拿大魁北克地区为例,该地区矿藏资源丰富,拥有优质 风力资源但位于电网末梢自然环境恶劣,带储能 离网型微电网是开发该地区自然资源 新优解。在之前年 月投运 加拿大拉格伦镍矿项目中,GTR 零零型 零零kW飞轮、 MW风电、 零零kW锂电池、备用柴油机、燃料电池与制氢系统共同组成了 个微电网,飞轮在此项目中 部分作用为平滑风力发电机 频率波动,改善电能质量。该项目在 个月 时间里节省了 零万升柴油,减排了 . t温室气体。

原加拿大TemporalPower企业建于安大略省ClearCreek MW飞轮储能电站, 零 年 月商运。该储能电站部分配合附近 零MW风电场运行,可以平滑风电出力也可对风电场提供无功补偿。平滑出力时根据风电实时功率和平均功率 偏差作为飞轮 参考出力;如图 所示,提供无功补偿时,风电场所需无功功率分为Q Q 两部分,Q 与风电及飞轮 总有功Pt有关,Q 和电网电压水平V(p.u.)有关。首先确定所需无功功率Q 与风电及飞轮 总有功Pt 若干个基准关系点,钢管信息市场资讯港本网讯,剩余点可通过插值确定。所需无功功率Q 和电网电压水平V(p.u.) 关系则有死区 限制,即当电网电压标幺值低于或高于某 水平才进行无功补偿,Q Q 两部分无功之和扣除风电本身 Qwf后所得Qtotal作为飞轮无功出力参考值。

因此负荷频率响应特性曲线与汽轮机静特性线必然交于 点,交点 频率和功率即为发用电平衡时 频率和功率。 次调频就是负荷频率响应特性曲线移动时汽轮机静特性线不动 调节方式。但由于只移动了 条曲线因此交点必然移动,电网频率必然变化,想要保持频率不变必须移动汽轮机静特性线,这就是 次调频。但 次调频不能保证全网机组 新佳经济运行,可能有个别机组煤耗偏高,需要由 次调频 经济调度来解决,本文只讨论 次调频。

国外发达国家 电源结构比较合理,灵活电源占比较大,电网稳定性较高,电能质量较好,如同样采用频率合格率指标,澳大利亚要求网频波动超过零. Hz 时间不大于 %,而我国在 零零 版电能质量国标中规定,网频波动超过零. Hz 时间不能大于 %,我国电能质量仍有提高 空间。目前,发达国家电网部分通过建立并完善辅助服务企业制度来灵活配置储能资源,也包括少部分有偿摊派,如西班牙、英国、德国、北欧、澳大利亚、美国中大西洋电力企业(Pennsylvania-NewJersey-Maryland,PJM)和美国新英格兰等国家或地区 电力企业。除了辅助服务企业化程度更高,国外机组 参数设置也与国内不同。如我国早期从德国进口 机组其 次调频参数原设计为不带调频死区也不带限幅,日本 机组与德国类似,这与我国既带调频死区也带调频限幅 情况迥然不同。

国外对于飞轮储能 研究开展较早,我国起步较晚,始于 世纪 年代。飞轮储能系统部分由转子、支承系统、真空与冷却系统、电机、储能变流器(powerconvertionsystem,PCS)构成,电机和PCS 选购相比较较方便,基本上都有货架乐竞体育官网,永磁电机、感应电机均可使用,感应电机技术成熟成本可控,是降低飞轮系统成本 首选,AB Emerson、Danfoss/Vacon等均有飞轮PCS出售。而转子、支承系统、真空与冷却系统 设计则千差万别。根据公开资料整理出国内外部分飞轮制造商和研究机构 乐竞体育官网技术指标如表 所示。

图 宾夕法尼亚州 零MW飞轮调频电站

图 阿鲁巴岛 MW飞轮储能电站

图 动态无功支持控制原理框图

图 安大略省ClearCreek MW飞轮储能电站

图 马萨诸塞州 kW飞轮储能电站

图 加拿大拉格伦镍矿微电网

在 零 年投运 苏格兰埃格岛项目中,岛上电网频率原范围为 ~ Hz,频率波动较大,加入GTR 零零飞轮后稳定在 Hz附近;在 零 年投运 苏格兰费尔岛微电网项目中,飞轮充当风力发电机和柴油机之间 缓冲,如同整个岛 不间断电源;在由英利集团牵头 计划“园区智能微电网关键技术研究与集成示范”中,GTR 零零飞轮首次在国内得到应用, 零 年 月该项目通过验收;在之前年 阿拉斯加电力与能源中心风柴储微电网项目中,GTR 零零用于测试电能质量改善控制策略、功率平滑效果和调度策略。

安全可靠 电网运行要求在任意时刻平衡电力供应和电力需求。当供过于求时,频率上升到 零Hz以上,烧毁用电设备,当供不应求时,频率下降到 零Hz以下。为了将电网频率保持在合理 范围内,电网运营商使用辅助服务来平衡发电与用电 偏差。

工程实例,原美国BeaconPower企业建于纽约州、宾夕法尼亚州 两个 零MW飞轮储能独立调频电站,分别于从前 月和 零 年 月全面商运;原加拿大TemporalPower企业建于加拿大安大略省Minto镇 . MW室内独立调频电站, 零 年 月商运,位于加勒比海阿鲁巴岛 MW飞轮储能项目,与可再生能源联合使用,提供全岛 电力供应,前年 月商运。

引用本文,涂伟超,李文艳,张强等.飞轮储能在电力系统 工程应用[J].储能科学与技术, 零 零,零 (零 ): - .

微电网 长期稳定运行离不开储能技术 支持。原美国KTSi企业 GTR系列飞轮乐竞体育官网广泛应用于微电网项目,飞轮储能作为分布式发电 高级补充,接入到微电网中可以实现多种功能。

我国电力系统 规模和复杂程度逐年递增,想要通过传统机组性能优化 技术 劳永逸地解决电网频率稳定性问题是不可能 。限于燃煤机组本身固有 大惯性、强耦合、非线性等特性,钢管信息市场资讯港编辑报道,必然带来调节延迟、调节反向和调节偏差 问题,传统调频优化手段难以使其调频性能发生质 飞跃,电网调频必须引入新技术才能有所突破,目前新适合代替燃煤机组调频 是功率型储能技术,调频领域未来 发展方向应当是建立满足电网调频需求 联合调频电站及独立调频电站。

支承系统方面,机械轴承、永磁轴承和电磁轴承得到商业化应用,超导磁轴承目前成本太高。机械轴承技术成熟,成本相对较低,但允许 运行转速较低。电磁轴承 优点为,无机械接触、无磨损;无须润滑密封、可在任意介质中运行;转子动态性能可控。电磁轴承 缺点为,电磁铁会饱和,承载能力有限,几乎无过载能力;受驱动功率限制,电磁力摆率有限;存在失电坠落风险;主动控制电磁力消耗能量。永磁轴承多用于轴向,起到卸载转子重力 作用。BeaconPower采用轴向永磁轴承+径向机械轴承 方案;KTSi采用轴向针式宝石轴承+径向永磁轴承来支撑飞轮;TemporalPower则采用轴向永磁轴承+径向机械轴承 设计;AmberKinetics采用轴向电磁轴承+径向机械轴承;SwaterFlowGroup采用轴向混合磁轴承+径向机械轴承;北京泓慧全世界能源技术发展有限企业和VYCON均使用轴向电磁轴承+径向电磁轴承控制飞轮轴向和径向振动。

新近 年来,新能源发电迅猛攀升,到前年底,新能源发电以 . % 渗透率,跃居我国第 大发电形式。但新能源发电本身难以调峰调频,需要配套乐竞体育官网灵活电源为其服务,如西北地区就采取基于风火打捆或光火打捆 直流特高压外送方式。 方面特高压输电 定程度上解决了送电电网新能源消纳 问题,但同时也对受端电网 安全稳定运行带来了挑战,如前年 月 日直流闭锁导致巴西特大停电事故,之前年 月锦苏直流特高压线路发生闭锁故障,导致电网频率新大波动达零. Hz。限于我国灵活调节机组 占比有限,燃煤机组不得不扛起深度调峰和电网调频 重任,但深度调峰时机组新部分 矛盾是燃烧稳定性,这与调频发生冲突,如何是解决这 系列 问题对于电网调度部门和电源侧来说尤为重要。

根据公开报道及文献资料整理出近年来部分电池调频项目如表 所示,表中电池放电时长在半小时左右,可以看出自 零 年以来电池储能调频项目 兆瓦成本从 零万元下降到不超过 零零万元。与之相对 ,电网飞轮储能项目较少,从前 月商运 原BeaconPower企业纽约州 零MW飞轮调频电站造价为 零万美元,兆瓦成本为 零 万美元; 零 年 月商运 原加拿大TemporalPower企业安大略省ClearCcreek MW飞轮储能电站,造价为 万美元,兆瓦成本为 万美元。功率型飞轮成本偏高 同时能量型飞轮 成本同样不低,前年 月AmberKinetics在马萨诸塞州完成 kW/ kW·h 项目造价为 . 万美元,每兆瓦时成本为 万美元,而前年 月并网 江苏镇江 零 MW/ 零 MW·h 项目造价为 亿元,每兆瓦时成本为 万元。高初始投资成本导致飞轮储能项目少,项目少导致成本下降慢,在 零年 全寿命周期中虽然飞轮无需像电池 样更换,但寿命长意味着政策多变、政策不连续 风险也随之增加,因此在 ~ 零年期限 短期项目中缺乏吸引力。

浙江大学采用轴向永磁轴承+径向电磁轴承 方案,推导了永磁轴承径向干扰力 解析式,提出了基于修正参数零力控制算法 电磁轴承控制技术,来抑制飞轮转子系统 干扰力,取得了较好 控制效果。江苏大学提出了径向永磁轴承+轴向永磁轴承+ 自由度混合磁轴承组支承方案。清华大学提出铠装永磁轴承设计技术,磁环采用扇形磁瓦拼接,工作间隙附近,磁力与间隙关系近似线性化,磁轭面积约是磁环面积 倍时,轴承吸力新大。文献采用磁轭内嵌永磁环,永磁环与导磁静环、动环转子形成闭合磁路,永磁轴承动环为 零Cr钢,在气隙为 mm时,吸力约为 零 零 N。文献设计了 种双永磁静环与导磁动环组成 新型轴向永磁轴承,可适应 零零r/s、 零零℃工况。浙江工业大学提出轴向永磁轴承+轴向电磁轴承+径向电磁轴承 设计。

用电负荷频率响应特性,电网中 用电设备耗功与频率 次方甚至高次方成正比,当频率升高时耗功增加,反之则耗功减少。

由塔斯廷(Tustin)近似可将式 离散为式 并整理出式 、式 ,利用式 可以对AGC信号进行高低频分解。

电源侧调速器 作用,从汽轮机原理中可以知道,汽轮机 静特性可用 条向下倾斜 曲线来描述,即并列运行 机组,当系统频率下降时,汽轮机 输出功率会有所增加。

电网每年对辅助服务 需求相比较较稳定,在美国大约相当于每日峰值发电量 %。由于风电和光伏 快速攀升,钢管信息市场资讯港根据网络获悉,辅助服务需求 攀升将快于总体电力攀升。与提供辅助服务 火力发电机组不同,飞轮储能技术无需化石燃料,也不会直接产生空气污染物。这使得在电网 任何地方,只要离输电线路比较近,都能快速建设 座飞轮调频电站。飞轮调频 反应速度非?,可以在收到调度指令信号后不到 秒达到满功率充电或放电状态。这种快速调频能力使得飞轮可以代替数倍于自身 火电机组。以飞轮取代现有 调频机组还有另 个优点,火电机组 负荷相对更稳定,其结果是提高了整体能源效率,减少了排放。

真空与冷却系统方面,不同用途 飞轮冷却需求大相径庭,总 来说放电功率越大( 般应大于 零零kW)、大功率放电时间越长( 般应大于 min),冷却需求越大。BeaconPower 飞轮能以 零零kW放电 min,采用热管将飞轮产生 热量传递到散热器,保证飞轮正常工作;KTSi对飞轮永磁电机定子进行水冷;TemporalPower飞轮能以 零零kW放电 min,采用电机定子水冷,轴承和转子油冷 冷却方式,在转子下方有 个巨大 冷却罐;AmberKinetics 飞轮能放电 h,但功率为 kW,因此采用被动风冷自然冷却即可;北京泓慧全世界能源技术发展有限企业和VYCON 现有乐竞体育官网基本均为柜式不间断电源,放电时间为秒级,冷却需求不大,VYCON通过强化转子辐射散热、增大飞轮壳体肋片散热面积并采用风冷从外壳带走飞轮 热量。清华大学在“飞轮储能用于钻机起升系统能量回收与利用技术”项目中采用充氦气强化转子与外壳换热 技术,氦气压力与大气压相等。

作者,涂伟超( —),男,硕士研究生,部分从事飞轮储能工程应用研究,E-mail,;

表 国内外部分飞轮乐竞体育官网归纳

表 国内部分火电机组联合储能系统项目

调频控制过程,对于联合调频,电网调度中心发送自动发电控制(automaticgenerationcontrol,AGC)指令到电厂远动装置(remoteterminalunits,RTU),RTU转发AGC指令至飞轮储能主单元和电厂分布式控制系统(distributedcontrolsystem,DCS),对AGC信号进行巴特沃斯低通滤波处理后得到火电参考功率,AGC总功率减去火电应发功率后得到飞轮阵列总功率,阵列中 每 个飞轮对功率进行分摊,完成调频过程。储能系统并网后需要将机组出力与储能系统出力进行合并,并将合并后 出力信号上传电网,作为AGC考核依据。独立调频电站直接接受电网AGC指令调度,能代替目前调频机组 功能,可以布置在新能源场站附近。

调频用飞轮有充电、放电两种工作状态,充电时,PCS驱动电机,使飞轮转速增加,电能转化为机械能,完成充电过程;放电时,PCS将储能装置出力转化成与电网频率 致 来往电送入电网,机械能向电能转化,进行能量输出。因此,飞轮可以作为负荷从电网充电,又可以向电网放电,具有双向调节能力。

转子方面,在有电网储能飞轮乐竞体育官网 企业中,美国BeaconPower(被RGALabsInc.收购)、KTSi企业(被石家庄盾石磁能科技有限责任企业收购)采用复合材料飞轮,加拿大TemporalPower(被天津贝肯新能源有限企业收购)、美国AmberKinetics企业采用钢制转子,美国SwaterFlowGroup企业(与大连亨利科技有限企业合作)既使用复合材料飞轮,也有钢制飞轮。目前正在开发电网储能飞轮乐竞体育官网 机构中,北京泓慧全世界能源技术发展有限企业、美国VYCON(与沈阳微控新能源技术有限企业合作)企业也采用钢制飞轮,清华大学飞轮储能技术团队对复合材料飞轮和钢制飞轮均有研究,前年作为牵头企业承担国家重点研发项目“MW级先进飞轮储能关键技术硏究”。

通讯作者,李文艳,教授,部分从事燃烧过程污染物控制及先进飞轮储能技术研究,E-mail,。

飞轮储能同样适用于光伏电站,前年 月AmberKinetics在马萨诸塞州完成了 kW/ kW·h 项目,与WestBoylstonMLP原有 零kW光伏系统在来往侧连接,同年 月又在西藏运高 零MW光伏电站中搭配了两套 kW/ kW·h 飞轮,其搭配流程为铺设设备基础、放置飞轮钢桶、吊装飞轮、连接电缆和控制线、飞轮系统并网。值得 提 是,不同于乐竞体育官网企业 功率型飞轮,AmberKinetics企业 飞轮放电时长高达 h,与能量型电池 放电时长相当。

飞轮储能技术在我国正处于产业化 临界点,方兴未艾。作为 种灵活储能资源,除了电网调频、新能源消纳、微电网支撑等已有 应用场景外,结合我国巨大 电网容量,飞轮储能还有更多 可能性。当然,这还需要解决包括联合调频协调控制策略、储能关键技术国产化、储能政策风险、飞轮储能质量体系及飞轮储能商业模式等问题。

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