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直击储能大会|清华能研院姜新建:参与电网惯性响应和调频控制的飞轮储能阵列关键技术研究

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2022-10-18 浏览:

中国储能网讯:9月7—9日,由工业和信息化部节能与综合利用司、国家能源局能源节约和科技装备司、浙江省能源局联合指导,中国化学与物理电源行业协会联合232余家机构共同支持的第十二届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。本次大会由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国科学院电工研究所储能技术组和中国储能网联合承办。

大会以"共创储能新价值,共建市场新格局"为主题,聚焦新型储能安全持续发展,针对储能产业面临的机遇与挑战等重点、热点、难点问题展开充分探讨,分享可持续政策机制、资本市场、新型储能系统集成技术、供应链体系、商业模式、标准、示范项目应用案例、新产品以及解决方案的普及和深化应用。

来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的913家产业链企业,3317位嘉宾参加了本届大会,其中154家企业展示了储能产品,可谓盛装出席,涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证等新型储能全产业链。

大会组委会邀请清华大学能源互联网创新研究院高速飞轮与复合储能研究室主任姜新建做《参与电网惯性响应和调频控制的飞轮储能阵列关键技术研究》主题报告。以下为发言主要内容:

姜新建:各位同仁,各位专家,下午好!我介绍的是参与电网惯性响应和调频控制的飞轮储能阵列关键技术研究,来自清华大学电机系。

我们国家从前年开始提出了双碳目标,针对这个目标提出了建设以新能源为主体的新型电力系统。按照2030和2060达标的预测,到2030年新能源占比可能要达到22%,到2060年新能源占比为58%。这样的新型电力系统将形成新的发展趋势:电力电子化、交直流联合灵活组网、分布式、数字化、智能化、开放式,当然这也带来很多的挑战,我们下面重点讨论新型电力系统频率稳定面临的挑战。

以新能源为主的新型电力系统标志着火电机组发展受限、新能源比例越来越高。新能源发电具有波动性和随机性的特点,导致电力系统的转动惯量极大降低,另外,含高比例新能源电网的一次调频死区的动作次数显著增加,使得电网的频率稳定和安全运行面临挑战。2019年英国的大停电,原因之一也是调频能力不足导致的连锁反应。

对于电网频率稳定,传统电力系统主要由火电机组来承担,原来的国标GB/T 30370-2013《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》有明确要求,即火电机组的调频功率占总功率的6%-10%,因此,以火电机组为主的电网的频率稳定是没有问题的。但以新能源为主后怎么办?为此出台了新的国标GB/T 40595-2021《并网电源一次调频技术规定及试验导则》,从2021年5月开始实施,要求新能源发电和火电一样,都具备一次调频能力。

储能被公认为能解决上述新型电力系统面临的调频问题,这里主要介绍物理储能—飞轮。飞轮的基本原理是电能通过电机驱动飞轮升速,电能转换为高速旋转飞轮的动能;反之,高速旋转飞轮驱动电机发电,通过变流器馈电给电网,高速旋转飞轮动能转换成电能;通过飞轮转速的上升和下降来实现电能的储存和释放。飞轮系统包括本体和变流器等。

从飞轮的特点来说,它应该是目前解决电网惯性支撑和调频控制的最有效和最先进的技术之一,也是飞轮储能的一个最佳应用场景。实际上飞轮储能应用的特点是短时高频次场景,正好与电网惯性支撑和一次调频是合拍的。飞轮储能具有如下优点:物理储能,大转动惯量,效率高(> 85%),寿命长(> 20年),快响应(20ms级),低循环成本,高频次(30次/小时、百万次),安全性高,无污染。

下面介绍飞轮储能如何实现电网的惯性响应和调频控制。电网受扰频率响应及调节过程分为三个阶段:第一个阶段为惯性响应,对应的飞轮称为惯量飞轮,它类似于传统的有转动惯量的调相机,其电机是直接并网的;第二个阶段为一次调频,对应的飞轮为传统意义上的飞轮储能,它通过变流器并网,主要承担一次调频功能,但这飞轮也有转动惯量,它的惯量响应是一个虚拟惯量响应;第三阶段是二次调频,对应的飞轮为传统意义上的飞轮储能,主要承担二次调频(AGC)功能;这三个阶段里都有交叉的地方。下面具体介绍。

(图示)这是一个惯量飞轮,包括基于磁悬浮轴承的大惯量飞轮技术、高效率和大容量电机技术。惯量飞轮有什么特点?它具有传统的同步调相机功能,同时具有高转动惯量。由于其电机定子绕组是直接并网,所以它的转速是固定的。惯量飞轮首先解决启动问题,其次实现软并网,然后通过电励磁进行调节。

这一种飞轮就是传统意义上的飞轮储能,这飞轮电机需要通过变流器实现并网,不能直接并网,该飞轮具有调频功能,也可以实现虚拟惯性控制。

这是飞轮储能如何实现虚拟惯性响应,因为一次调频控制和惯性响应都是自动调节的,一般来说采用下垂控制。因为飞轮本身具有机械惯量,那么飞轮储能的虚拟惯量是通过一个算法控制实现的,是一个等效的机械惯量。在这个公式里,包含着原来传统的机械惯量,加上另外一个虚拟惯量,它通过电力电子控制,它比原来的机械惯量大得多,这样提供电网的短时支撑。

飞轮储能除了提供虚拟惯量外,还有具备一次调频功能。在这里提出如何实现优化调节,通过考虑这些优化因子后,提高它的调节能力。

飞轮储能既可以实现一次调频,也可以实现二次调频,同样电池也可以实现二次调频,所以交叉的地方我们既可以独立、也可以混合使用。以混合二次调频为例,其拓扑有一种是直流并联,还有一种是交流并联,实际使用时是直流并联和交流并联都有,从而提高整个飞轮阵列容量等级。

这是一个经典的飞轮储能控制策略,不细说了。

我们前面讲的都是飞轮单机,实际上飞轮阵列控制是将来大规模使用需要面临的问题。例如美国的20MW级飞轮储能调频电站,支撑飞轮最长到15分钟;国内前期都是1MW级飞轮阵列示范应用,还缺乏更大容量的飞轮阵列应用。

飞轮阵列控制有几种模式,假如并网或者孤岛下运行,调频调压怎么控制?还有飞轮SOC如何实现?提出一种并网模式下阵列控制方式:上层是电网调度控制;中层是改进下垂控制,基于等转矩的功率控制;下层是最大转矩电流比控制。

在这方面,提出了改进下垂控制的办法。

前面主要是介绍飞轮储能在电网中实现惯性响应和调频控制技术,飞轮储能本身还有一些关键技术需要研究,其关键技术有哪些?我们结合“十三五”国重飞轮储能项目,介绍飞轮储能的一些关键技术。

这是一个飞轮,400KW、25MJ、18000rpm复合材料飞轮,三电平充放电控制器(变流器)。

飞轮转子和转子轴系,一个是材料问题,一个是平衡问题。平衡问题是解决整个轴系动平衡,高强钢/复合材料飞轮要解决强度和工艺问题,从技术角度提出了一些解决办法。研制了30MJ大型复合材料飞轮,实现了750m/s高速运转;除了磁悬浮以外,解决了飞轮转子轴系超越挠曲临界的技术难题,国际上还没有见到强陀螺效应挠性轴系飞轮转子成功先例。

磁悬浮轴承,一种是小功率的,还有一种是大功率、大储能量的。大储能量的磁悬浮轴承面临大承载力问题,这是一个难点。已实现了30MJ、400KW、18000rpm飞轮的磁悬浮轴承控制,这是一些控制和实验测试结果。

大容量高速电机,高速电机国内有很多,但是飞轮的电机和传统的高速电机差别是在真空环境下,真空下的电机转子散热很难,这是卡脖子的问题,很多飞轮型式都是围绕它展开的。为了解决真空下电机转子散热难题,我们采用了12相电机,主要是解决电机转子的发热问题,并为将来的更大容量电机提供技术支撑。还有,提出了电机低损耗技术,除了对电机本身采取措施外,对电流器提出了电能质量要求,共同解决飞轮本体中电机难题。已研制了400KW、18000rpm、98%的12相永磁同步电机。

飞轮充放电控制技术,由于采用高速电机方案,带来一个高基频问题,所以需要解决变流器的高基频难题。例如800赫兹的高基频变流器,采用模型预测控制策略来解决控制策略难题,另外,在容错控制方面采取了一些措施,提高系统可靠性。

为了解决前面的电机损耗问题,充放电控制器(变流器)采用了三电平拓扑,一是提高效率,二是降低谐波,从而使得电机的发热减少。在功率器件有两种方案,一种是碳化硅,一种是IGBT,都达到了很好的效果,碳化硅的效果更好,只是成本高了一些。

这是控制策略框图,这是实验结果,除了网侧以外,机侧的电压电流也都基本正弦。

飞轮储能阵列控制技术,阵列控制问题有SOC、并联环流抑制、协调优化、应用场景等。前面提到的惯性响应、调频控制,实际上要和应用场景结合起来才能解决,这方面也是做了一些研究,解决多台飞轮并联问题。

(图示)这是飞轮储能系统实验测试,包括最高转速、效率、功率、谐波、电流和电压等,充放电频次达到1小时30次,充放电响应时间20毫秒,充放电转换时间是21毫秒,所以满足电网的惯性响应和一次调频要求。

下面,说一下一些典型的应用。

这是一个国重项目,主要是4台400KW/30MJ的调频,这是一个应用。

这是地方科技项目,应用于风电场站,3台1MW/33KWh飞轮,这个系统也是和3MWh电池系统混合,解决一次调频和惯量响应问题。

这是一个飞轮项目投资收益计算案例,在这方面参考了山西省落实的一次调频市场交易实施细则。假如以10MW飞轮为准,按2000小时/年计算,每小时16次调频服务,平均调频时间30秒。以山西公布的收益核算指标来计算,飞轮初始投资和运维成本是6500万,辅助调频收益为1亿2千500多万,所以收益投资比约是1.9。

从长远来看,面对电网侧的频率稳定和安全运行问题,技术上需要飞轮储能来解决电网惯性响应和调频控制,政策面需要进一步落实新国标实施细则,飞轮储能大有作为、前景广阔。

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关键字:飞轮储能

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