近年來,隨著可再生能源占比不斷提升。新能源發(fā)電的隨機性、間歇性、波動性等特點,嚴重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性,且其自身不具備調(diào)頻能力,成為制約其進一步擴大規(guī)模的主要障礙。
如何更安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟地利用這些綠色低碳新能源電力?
這一問題已成為新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。
今天,帶你了解儲能新星——“飛輪儲能”。
飛輪儲能
儲能分為物理儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能。飛輪儲能屬于物理儲能中的一種。
飛輪儲能的工作原理:在電力富余條件下,由電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能儲存;當系統(tǒng)需要時,飛輪減速,電動機作發(fā)電機運行,將飛輪動能轉(zhuǎn)換成電能,供用戶使用。飛輪儲能通過轉(zhuǎn)子的加速和減速,實現(xiàn)電能的存入和釋放。
充電時,轉(zhuǎn)速提高;放電時,轉(zhuǎn)速降低。
與其他儲能模式相比,飛輪儲能具有使用壽命長、充電次數(shù)多、能量密度高、安全環(huán)保性能佳的特點,非常適合電力系統(tǒng)一次調(diào)頻短時高頻大功率的應(yīng)用場景。
目前,正在建設(shè)的第一個飛輪儲能獨立調(diào)頻商用電站——山西長治鼎輪能源科技30兆瓦飛輪儲能項目,安裝120臺250千瓦飛輪儲能裝置,總功率約30兆瓦。該項目由中國能建山西院總承包建設(shè),建成投產(chǎn)后,將成為首個規(guī)模化飛輪儲能在電力系統(tǒng)獨立調(diào)頻應(yīng)用案例、首個大容量飛輪陣列工程示范工程,填補大容量飛輪儲能獨立調(diào)頻技術(shù)工程化應(yīng)用空白,對飛輪儲能電站作為市場主體參與一次調(diào)頻市場化輔助服務(wù)的商業(yè)模式進行驗證。
飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、電機、軸承、電力電子接口和外殼組成。
飛輪轉(zhuǎn)子
飛輪中儲存的能量由轉(zhuǎn)子的形狀和材料決定。能量與慣性矩及其角速度的平方成線性比例,因此可以通過提高轉(zhuǎn)速或增加慣性矩來優(yōu)化飛輪的存儲能量。
這就為飛輪儲能系統(tǒng)提供了兩種選擇:低速飛輪儲能系統(tǒng)(通常高達10,000rpm)和高速飛輪儲能系統(tǒng)(高達100,000rpm)。
低速飛輪通常由較重的金屬材料制成,由機械軸承或磁軸承支承。高速飛輪一般使用較輕但較強的復(fù)合材料,通常需要磁軸承。高速飛輪的成本通常可高達低速飛輪成本的5倍。
電機
電動/發(fā)電互逆式雙向電機與飛輪耦合,以實現(xiàn)飛輪的能量轉(zhuǎn)換和充電過程。這臺機器可為馬達,通過加速飛輪并從電源中汲取電能來給飛輪儲存動能。
飛輪上存儲的能量由作為發(fā)電機的的同一電機提取,因此,飛輪在將動能轉(zhuǎn)化為電能的過程中減速。飛輪儲能系統(tǒng)中常用的電機有感應(yīng)電機(IM)、永磁電機(PM)和可變磁阻電機(VRM)。
由于其堅固耐用、高扭矩和低成本,感應(yīng)電機被用于高功率應(yīng)用。速度限制、復(fù)雜的控制和更高的維護要求是感應(yīng)電機的主要問題。
雙饋感應(yīng)電機(DFIM)由于其靈活的控制和較低的功率轉(zhuǎn)換額定值,目前已在飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用中使用,從而減少了電力電子設(shè)備的尺寸。
可變磁阻電機具有性能穩(wěn)定、怠速損耗低、調(diào)速范圍寬等特點。對于高速操作,可變磁阻電機的控制機制比感應(yīng)電機更簡單。它的缺點是功率因數(shù)低,功率密度低,扭矩波動大。開關(guān)磁阻和同步磁阻兩種磁阻類型均適用于高速飛輪儲能系統(tǒng)。
永磁電機具有較高的效率、較高的功率密度和較低的轉(zhuǎn)子損耗,是飛輪儲能系統(tǒng)最常用的電機。它被廣泛應(yīng)用于高速應(yīng)用中。永磁電機的主要問題是定子渦流損耗導(dǎo)致的空轉(zhuǎn)損耗、高價格和低抗拉強度。
無刷直流電動機(BLDCM)、永磁同步電機(PMSM)和哈爾巴赫陣列機(HAM)是飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用中使用的主要永磁電機類型。
軸承
需要軸承以非常低的摩擦將轉(zhuǎn)子保持在適當位置,同時為飛輪提供支撐機構(gòu)。軸承系統(tǒng)可以是機械或磁性的,取決于重量、壽命和較低的損耗。
傳統(tǒng)上使用機械球軸承,但與磁性軸承相比,機械球軸承具有更高的摩擦,并且由于潤滑劑劣化,需要更高的維護成本。這些不足可以通過使用磁性和機械軸承的混合系統(tǒng)來緩解。磁性軸承沒有摩擦損失,不需要任何潤滑。
永久(被動)磁軸承(PMB)、主動磁軸承(AMB)和超導(dǎo)磁軸承(SMB)是磁軸承系統(tǒng)的主要類型。
PMB具有高剛度、低成本和低損耗。然而,PMB在提供穩(wěn)定性方面存在局限性,通常被視為輔助軸承系統(tǒng)。
AMB是由控制轉(zhuǎn)子位置的載流線圈產(chǎn)生的磁場驅(qū)動的。AMB成本高,控制系統(tǒng)復(fù)雜,運行時消耗能量,進而增加系統(tǒng)損耗。為了確保整個系統(tǒng)的良好效率,必須在速度和損耗之間進行折衷。
SMB提供高速、無摩擦、長壽命、緊湊和穩(wěn)定的操作。它是高速運行的最佳磁性軸承,因為它可以在沒有電力或定位系統(tǒng)的情況下穩(wěn)定飛輪。
然而,SMB需要低溫冷卻系統(tǒng),因為它在非常低的溫度下工作;但近些年,通過使用高溫超導(dǎo)體(HTS)對其進行了改進。SMB系統(tǒng)的主要缺點是成本非常高。
復(fù)合調(diào)頻:飛輪儲能+鋰電池儲能
通過飛輪和鋰電池儲能的“珠聯(lián)璧合”,將飛輪儲能瞬時功率大、毫秒級響應(yīng)、充放電次數(shù)多和鋰電池儲能容量大、調(diào)頻幅度高的優(yōu)點相結(jié)合,搭配火電機組協(xié)助調(diào)頻,可解決頻率擾動對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。
近日,中國能建山西院設(shè)計的我國首個飛輪儲能復(fù)合調(diào)頻項目——山西朔州熱電飛輪儲能復(fù)合調(diào)頻項目正式投運,填補了飛輪與電學(xué)復(fù)合儲能領(lǐng)域的空白。
該項目位于山西省朔州市,總?cè)萘?兆瓦,由4臺全球單體容量最大的飛輪裝置和10組鋰電池組成復(fù)合儲能系統(tǒng),配合現(xiàn)有的2臺火電機組,可
飛輪儲能復(fù)合調(diào)頻項目首次集合了飛輪儲能裝置“長壽命”和鋰電池“儲量大”的優(yōu)勢,既擴大了系統(tǒng)總?cè)萘?,又提高了電池的持久性。與現(xiàn)有火電機組聯(lián)合為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù),有效滿足電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定,同時可以有效平衡火電機組發(fā)電和電網(wǎng)調(diào)度需求用電之間的電量差的問題。
如此設(shè)計使可充放電次數(shù)比純鋰電池系統(tǒng)高出2000倍,同生命周期內(nèi)可節(jié)省3批鋰電池組的更換費用約2400萬元。
當前,電力系統(tǒng)形態(tài)由源網(wǎng)荷三要素向源網(wǎng)荷儲四要素轉(zhuǎn)變,儲能的作用日益凸顯,具有更廣泛的應(yīng)用前景。隨著飛輪儲能技術(shù)成熟和成本降低,更多的飛輪儲能應(yīng)用項目將落地實施,為城市用電更加綠色穩(wěn)定安全提供支撐。
飛輪儲能的應(yīng)用前景
UPS市場:主要用于有不間斷電源要求的場景,如數(shù)據(jù)中心、通訊基站等,利用其具有響應(yīng)速度快、瞬時功率大、占地面積小、使用壽命長等優(yōu)點。
電網(wǎng)調(diào)頻:電網(wǎng)中發(fā)電和用電不平衡會使電網(wǎng)頻率發(fā)生波動,為了平抑這種波動, 電網(wǎng)就需要配備總發(fā)電容量2%的調(diào)頻電站。隨著新能源的入網(wǎng),電網(wǎng)調(diào)頻的需求將更大。
軌道交通:主要利用飛輪儲能在列車進站時回收電能,列車出站時釋放電能,發(fā)揮節(jié)能和友好電網(wǎng)的作用,解決資源浪費和沖擊電網(wǎng)的問題。
儲能式電動汽車充電樁:儲能飛輪在電動汽車大功率、快速充電的場景下,不僅減小充電樁對電網(wǎng)增容的壓力,又可以規(guī)避電網(wǎng)增容的制約。同時,由于儲能飛輪功率密度高、體積小、布置靈活、綠色環(huán)保無污染,可布置于地下, 減小城建工作的壓力。
隨著關(guān)鍵技術(shù)的逐漸突破,飛輪儲能系統(tǒng)也將逐漸成為一種成熟的儲能技術(shù),未來會有更廣闊的應(yīng)用空間,成為儲能行業(yè)一支不可忽視的力量。
原標題:未來儲能新星:飛輪儲能技術(shù)