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沈阳微控新能源技术有限公司物理储能技术研究院院长江卫良:
大家好!我准备分三个部分介绍。
第一部分:飞轮储能技术概况
飞轮储能作为一种物理储能的方式,在国外研究应用比较早,已经有五六十年的发展历史,直到上世纪90年代,随着轴承、飞轮材料、电力电子等技术的突破,飞轮储能进入一个快速的发展时期。近年来,我国飞轮储能产业也进入了快速发展期,很多的企业、高校和研究机构开展飞轮储能的研发和推广应用工作。飞轮储能主要用于电力系统、航空航天、能量回收利用、电能质量保障等各个领域,用途非常广泛。
飞轮储能核心部分包括电机、飞轮及轴承等部件,是一个圆柱体,这个图是一个剖面图,用于展示内部结构。主要包括几个部分:第一是永磁同步电机,既可以作为电动机,也可以作为发动机,作用是实现电能和动能的双向转换。第二部分是飞轮,作为动能的存储载体。第三部分是轴承系统,对飞轮转子起支撑和保护的作用。
电机的机端是三相的交流电,其频率是变化的。通过电力电子功率变换模块实现交流和直流的双向变换。
充电的原理:电机工作在电动机状态,外部电能输入之后,驱动电机的转子加速旋转,这样就把电能变成飞轮的动能存储起来。
放电的原理:这时电机处于发电机状态,利用高速旋转的飞轮惯性带动转子旋转,通过发电机把动能变成电能对外输出。
这是飞轮储存能量的计算公式,飞轮的能量和飞轮转动惯量成正比,和转速的平方成正比,所以可以通过提高转动惯量和提高转速来提高飞轮的储能量。飞轮储能技术朝着不断提高功率密度、提高能量密度、减小自身损耗的发展方向。现代飞轮储能技术是一门多学科融合的综合性技术,包括飞轮材料、轴承、高速电机、转子动力学、电力电子、散热等核心技术。
飞轮轴承技术是最核心的技术之一,其发展经历了几个阶段。早期的飞轮储能采用纯机械轴承,以脉冲发电机这种产品形态为主,其转速通常比较低,从一千多转到几千转,主要靠增大飞轮的质量来提高储能量,相对来讲,其能量密度和能量转换效率比较低,而且这种机械轴承维护起来比较复杂,成本比较高。第二个阶段是磁力卸载轴承,也就是机械轴承和磁轴承的混合轴承,通过永磁体减轻机械轴承的承载力,卸载一部分承重力,转速可以得到提升,通常转速可以达到1万转左右,它的能量密度和能量效率都可以得到提升,这种飞轮运行过程中机械轴承还是在旋转,其寿命比较短,有的产品连续运行三、四年左右就要更换轴承,更换成本较高。第三个阶段就是最新的完全磁悬浮轴承技术,运行时飞轮转子和轴承之间没有任何的机械摩擦,在真空环境下运行,转速可以达到3万转以上,其能量密度和效率都得到了很大的提升。更重要的是轴承系统没有磨损,可以达到20年免维护。
第二部分:微控磁悬浮飞轮储能技术介绍
首先介绍一下VYCON公司。VYCON公司位于美国加州洛杉矶,是专业从事磁悬浮飞轮储能的厂家,掌握全球领先的磁悬浮飞轮储能技术,拥有飞轮领域24项发明专利,具有成熟的商业化应用。
微控公司和VYCON公司在全球达成了全面排他性战略合作关系,并拥有全部技术能力和VYCON品牌使用权。微控新能源总部在沈阳中德产业园,占地面积100亩。在深圳设有研发中心。具备独立的研发和生产能力。这是在沈阳工厂已经建成投产的磁悬浮飞轮生产线,年产能大于1000台。包括从高精度机加工、部件的生产组装,到整机的组装调试,出厂检验,已经建成了完整的生产线,可以批量生产。
下面介绍飞轮储能的关键技术。这个图是我们磁悬浮飞轮的动态效果图,其核心技术主要包括以下几个方面:
第一个是五轴主动磁悬浮轴承及控制技术,通过上下两个端部的磁悬浮轴承,可以使得整个飞轮转子处于完全悬浮状态,没有任何机械摩擦,适合高速运行。轴承的寿命可以大于20年。
第二个是飞轮的材料和工艺技术,我们采用的是合金钢的飞轮材料,对这种材料已经有几十年的研究基础,具有成熟的理论基础和应用经验,在机械强度和疲劳寿命方面具有很好的综合性能,并且容易探伤,我们每一台飞轮都要经过超声无损探伤,严格保证材料的一致性。
第三个是高速永磁同步电机技术。采用无刷设计,适合高速旋转。转子采用稀土永磁材料,不易退磁。电机的体积小、功率密度高、效率高。
第四个是双向功率变换及变频驱动技术,我们采用的是高性能的IGBT功率器件,可以实时的控制交流侧和直流侧双向的功率变换,对电机进行变频驱动。
这是我们飞轮核心部件封装之后的外观效果图。我们采用的是全封闭的金属外壳封装,外壳上有很多散热片,起到密封、散热、电磁屏蔽的作用。采用真空泵来维持所需的真空度。
我们采用了多重化的安全保障技术,包括采用备用的机械保护轴承。在磁悬浮轴承失电或者剧烈振动的情况下,我们可以通过机械轴承进行保护,在最高转速下可以保障安全平稳地停机。我们每一台飞轮储能装置在出厂之前会做这种高速跌落实验,保证其安全性。
飞轮储能的运行状态非常容易监测,包括电气量、转速、位置、真空度、温度、各个部件的运行状态等,都可以进行全方位的监测,其状态是透明的,一旦检测到异常状况会自动进行保护停机,保障系统的安全。
这是我们飞轮储能产品标准柜的布局,包括人机界面、飞轮模块、电力电子模块、控制板、真空泵等主要部件。
这是我们几个系列的飞轮储能产品,包括VDC系列飞轮储能产品和REGEN系列飞轮储能产品。我们的飞轮储能产品通过了UL认证,CE认证,OSPHD抗震认证。
飞轮储能的主要特点和优势,包括高安全性,绿色环保,全生命周期是没有污染的,非常容易回收,长寿命,核心部件长达20年的寿命,功率密度非常高,充放电速度响应快,运行温度范围宽,模块化设计,容易部署。根据磁悬浮飞轮储能的特点,特别适合需要高安全、大功率、短时间、频繁充放电的应用场景。
我们的飞轮储能装置在全球已经规模化应用,超过1900台的应用业绩,其应用领域包括城市轨道交通可再生能源能量回收,港口能量回收,关键电力保障UPS,电压暂降治理,电网调频,新能源并网,微电网,还有解决冲击性负荷的大功率脉冲电源等。这些是我们飞轮储能产品在数据中心、电子工厂、机场、医院、赌场、地铁、港口的部分应用案例。
第三部分:飞轮储能在电力调频领域的应用
下面重点讲一下飞轮储能技术在电力系统中的应用。电力系统的有功功率是要保持平衡的,用电侧和发电侧保持平衡。从时间尺度上来讲,电力系统有功功率的波动可以分解为几个层级,针对幅度小、周期短的波动,通常几十秒数量级,通过发电侧调速器进行调节,这种称之为一次调频。针对幅度较大,周期较长,分钟级的波动,通过AGC系统进行调节,称之为二次调频。针对幅度最大,周期最长,由生活、气象等引起的波动,由调度中心进行优化经济调度,通过计划曲线进行调节,这种称之为三次调频。
电力系统对火电机组AGC调频的要求,包括响应速度要快,调节精度高,调节速率快。火电机组由于其固有的特性,在AGC调频上存在的主要问题包括调节延迟、调节速率慢、调节偏差,甚至有反向调节等。
为了提高火电机组的AGC调频性能,获得更多的补偿收益,现在有很多项目采用“火电+锂电”进行联合调频的方案,现在的主要方案是采用锂电池储能系统,包括磷酸铁锂和三元锂,最主流的还是磷酸铁锂,典型的配置是根据系统容量3%来配置储能系统功率,充放电的时间按照30分钟来设计。通过配置锂电储能系统,用储能系统的快速充放电响应能力和火电机组协同配合,共同提高AGC响应能力。
关于火电机组AGC调频的特点,我们也分析了一些电厂的调频的指令和机组响应的数据。有的机组收到的AGC指令非常频繁,一天高达几百次,储能系统为了协助机组进行调频,需要非常频繁的进行充放电。对于现有的锂离子电池技术而言,在2C倍率的充放电条件下,在循环寿命和安全性方面,普遍存在着短板。另外,储能系统的功率按机组容量3%配置,储能系统能够完全响应AGC指令的覆盖率通常不足。
针对这些问题,我们提出了一种“飞轮+锂电”混合储能系统方案,由飞轮储能和锂电储能按照一定的比例组成混合储能系统,通过混合储能的总控系统进行协同控制,可以发挥飞轮储能高倍率、长寿命的优势,发挥锂电储能能量密度高、储能量大的优势。飞轮储能和锂电储能的部署相对独立,在交流侧进行并联,可以根据控制策略分别进行控制,电厂侧接入点还是在高厂变低压侧进行接入,和现有方式一致。
飞轮储能阵列系统采用集装箱式布局,相对来讲系统集成比较简单,一台就是几百千瓦数量级,很容易组成兆瓦级的系统。另外是SOC比较好计算,因为飞轮的能量和转速是直接对应的,不存在SOC算不准的问题,这个方面比锂电好监测,好控制。
飞轮和锂电组成混合储能的优势,一方面可以提高调节精度,进一步提高综合的K值。另一方面,可以提高响应指令的覆盖率。第三个是可以充分利用飞轮储能的长寿命优势,通过协同控制,尽可能调用飞轮进行充放电,减少锂电的充放电次数,削减锂电的尖峰出力,从而延长锂离子电池的使用寿命,提高其安全性。
下面介绍混合储能在新能源场站的应用。西北新能源装机容量非常大,风电+光伏已经超过33%了,青海已经超过40%了。大规模新能源并网带来的波动性和间歇性,对电力系统的安全稳定运行带来了挑战。新能源发电会挤占常规的火电、水电的空间,导致优质的快速频率响应资源在减少,因此西北电网对新能源场站提出了更高的要求,要求新能源场站具备调频的能力。西北新版的《两个细则》,也要求地调直调的风电、光伏电站要参加调频辅助服务,包括一次调频、AGC,并且进行考核。西北电网也在推进新能源场站的快速频率响应工作,要求风电、光伏要像火电、水电一样,采用频率-功率下垂控制,快速响应电网频率的变化。功率快速往下调肯定没有问题,但是快速往上调就需要有能量的储备。如果光伏按最大功率跟踪来发电,就没有储备的能量用来上调功率,一种解决方案是采用储能来解决调频的问题。
我们的解决方案也是通过飞轮混合储能来和新能源场站进行配套,飞轮储能作为功率型的储能技术,可以和锂电、压缩空气、液流等能量型储能技术进行协同配合。因为作为新能源场站配套的储能系统,既有短时间(分秒级)频繁的充放电需求,也有长时间(小时级)的充放电需求,单一的储能技术很难同时满足在快速响应、使用寿命、成本等方面的综合要求。通过飞轮储能技术和其他能量型储能技术构成混合储能系统,分秒级的充放电调用飞轮储能系统,长时间的充放电调用能量型储能系统,可以实现优势互补,提高系统的综合性能和经济性。
我们的磁悬浮飞轮储能技术上非常成熟,已经有非常多的应用案例,希望和各位业内朋友一起努力,共同推动飞轮储能在电力行业的应用。
谢谢大家!
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