飞轮储能技术在一次调频系统中的应用研究

广西国能能源发展有限公司 唐细致

1 引言

飞轮储能技术作为一种新型电能储存技术，多年前曾被提出，但由于受到多方面技术壁垒的约束，直到20世纪90年代，该技术出现新的突破。新突破大致可分为三类。一是材料上的突破，伴随高强度碳素纤维复合材料（抗拉强度高达8.27GPa）的研发，飞轮储能能源存储量因此得到显著提升。二是磁悬浮的技术研究和发展使飞轮转子能够在真空状态下运行，显著降低摩擦损耗和风损耗，从而提升飞轮转子的使用效率，延长装置的使用寿命。三是随着电力电子技术的飞速发展，IGBT等电子器件对电能进行控制和变换技术的研究及电动/发电机及电力相互转换技术的突破，为飞轮储能技术在能源相互转换方面的发展提供了技术支撑。飞轮储能技术加入新能源机组一次调频系统，将调频期间的有功通过能量的存储和释放实现有功控制，通过调节有功输出实现稳定电网频率变化。

2 一次调频的原理及性能要求

2.1 一次调频原理

新能源（风电场、光伏发电站）场站利用有功控制系统或其他独立能量控制装置完成有功—运行频率下垂特性控制，使控制系统在各个并网点上具备能够主动进行支撑作用的功能，从而提升电网运行效率，改善设备运行质量。设备检测到电网运行频率存在偏差信号发生，利用能量控制系统改变实现对电网运行频率的控制。其目的是作为消除电网的扰动，需遵循安全与快速的原则。运行频率与有空之间的相互转换关系[1]为:

式中：fd为指快速运行频率响应死区；fN为指系统额定运行频率；PN为系统的额定功率；δ快速运行频率响应调差率；P0为系统有用做功功率初值。风电场快速运行频率响应有用做功-运行频率下垂特性曲线如图1所示。

图1 有用做功-运行频率下垂特性曲线

由公式（1）可知，当运行频率降低时，需要增加有用做功输出，使系统运行频率恢复标准值；当运行频率增高时，需要降低有用做功输出，使系统运行频率恢复标准值。

2.2 一次调频性能指标

对于调节目标变化量不低于额定出力10%的运行频率阶跃的扰动，响应的滞后时间作为自运行频率达到死区至调试开始时间≤2s，响应时间作为自运行频率达到死区至运行频率调节达到设定值≥12s，调节时间作为自运行频率达到死区至有用做功功率稳定≤15s。调频控制偏差风电场应控制在额定出力的±2%以内，运行频率测量的分辨率≤0.003Hz，运行频率采样周期≤100ms。新能源快速运行频率响应有用做功控制周期≤1s。

2.3 惯量响应性能及测试要求

当风电机设备能够正确运转时有功效率高于20%Pn（Pn 为额定功率），且测试点运行频率变化较大并大于最大运转运行频率（推荐0.3Hz/s）时,风机设备能够及时相应系统的指令，使设备实现高速运转。设备有功时间不高于500ms,可用功调节的比例不小于10%Pn 时，设备有功效率恢复正常值，若风速条件允许，有功效率的运行频率变化范围不得大于3%Pn，同时惯量响应期间有功效率误差不得大于±2%Pn。

2.4 一次调频参数设置方案

一次调频的参数设置主要包括快速运行频率的响应死区、快速运行频率的响应限幅、调差率、高频燃动下有功功率的下限、低频扰动下的调节和快速调频需响应AGC的协调控制。

响应死区设置±0.01Hz，可以根据电网实际要求做调整；运行频率响应的限幅需要按照不小于10%Pn进行限幅，同时在调整期间不得导致机组脱网或停机；调差率可根据场站实际情况调整，原则上为2%。高频扰动状态下，有功功率低于10%Pn时可不再调节。

新能源发电场站，调频功能需要与AGC控制设备相互配合，将AGC指令值与快速运行频率相互统一，以实现代数和的相加。同时当电力网络运行频率大于50±0.1Hz 时，新能源设备可以快速实现功能响应，并下达关闭AGC反向调节的指令作用。

3 飞轮储能系统的原理与构成

3.1 系统原理

飞轮储能系统作为可以进行能量相互转换的一种现代化装置设备，即储能时将电能转换成在真空状态下的动能，释能时，将动能转换为电能，完成动能与电能的相互转化，通过物理的转化方式达到对能源储备的目的，通过发电与电动可逆式双向电机的使用，使飞轮实现高速运转做功，作为能源实现转化，为设备提供源源不断的电能，通过其他装置设备将能源进行调频或者整流，使其接入其他设备接口，完成能源输送的动作。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

3.2 系统的构成

飞轮储能系统从结构上主要分为转子系统、轴承系统和相互转换能量系统三个部分。

一是转子系统，转子为飞轮的旋转部分，其转动的动能与转动的惯量成正比关系，同时转动惯量与飞轮的直径的平方和质量成正比关系，即得到公式（2），即：

式中：J为动能；M为飞轮的惯量；R为飞轮的直径；K的取值取决于飞轮质量的分布情况，从均匀分布到边缘分布，在0.5～1 间取值。飞轮质量分布均匀时取0.5，质量完全集中在边缘时取1。

二是轴承系统，轴承与转子的关系密切相关，用于支撑转子的运动，轴承的摩擦阻力决定整个系统装置的损耗情况，飞轮储能中磁悬浮技术和利用真空技术降低了摩擦阻力，使系统接近于零损耗情况下运行。

三是相互转换能量系统，飞轮储能设备中安装一个内置电机，具备发电机和电动机双向功能。充电时作为电动机给飞轮装置加速，达到储能能量的作用；放电时释放动能，作为发电机给外部设备进行供电；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。飞轮储能器中没有化学活性物质的相互转换与损耗，旋转时的飞轮只作为纯粹的机械运动，飞轮在转动时的动能关系如公式（3）所示，即：

式中：J为飞轮的转动惯量；ω为飞轮旋转的角速度。

4 飞轮技术在调频系统中的应用

传统的调频技术作为通过调节机组有用功率的增减，限制电网运行频率的变化，实现电网的稳定运行。其缺点为作为有功功率输出的浪费及系统响应相对比较慢。而飞轮储能系统的加入，可实现快速调频及有功功率输出利益最大化。飞轮技术应用于调频系统示意图如图2所示。

图2 飞轮技术应用于调频系统示意图

整体结构为整个调频系统中加入飞轮储能设备，能量管理系统、风电机组和飞轮储能系统与单机侧储能系统核心交换机进行连接，实现数据交互。

4.1 系统控制原理

当电网运行频率超出死区后，场级控制器通过计算将有用做功功率运行频率响应调节量发送给主控。当场级控制器检测到电网运行频率偏高时，PLC 给飞轮储能系统发送储能指令，飞轮储能系统通过AC/DC 双向逆变器从风机有用做功输出端吸收有用做功，调节电网运行频率降低。当场级控制器检测到电网运行频率偏低时，PLC 给飞轮储能系统发送释放指令，飞轮储能系统通过AC/DC 双向逆变器向电网进行馈电，调节电网运行频率升高。

4.2 整体算法

触发一次设备具有可使设备调频数值得以改变的功能，被称为指风机功率初始值和储能功率初始值设置功能。此时依照电网运行频率的变化，借助计算公式，得出有用做功功率的变化量数值，这个数值也被称为功率变化量。功率变化量通过传达指令送至主控模块中，使主控模块和储能模块的数值得以相应改变，最终通过阈值变化得出，风机功率初始值和储能功率初始值，将二者进行公式运算，得出总和，即得出风机功率给定和储能功率给定值。

4.3 系统模块的作用

一是智能电表，用于新能源发电厂并网点电压、电流、有用做功、无功、功率因素及运行频率等信息的采集，同时配备完善的故障诊断功能和调试工具，具有高度的稳定性、灵活性、可维护性以及较强的适应性。

二是场级控制器，采用支持能与机组主控建立的毫秒级高速通信私有协议的控制器，能够实现控制程序计算的毫秒级周期，作为场级能量调度控制和快速运行频率响应功能实现的核心模块，承担核心算法的计算和机组主控高速通信的作用，可以快速计算出全场有用做功功率运行频率响应调整量传递给PLC控制器。

三是PLC控制模块：用于机组整体控制、运算，通过增加储能控制逻辑及获取储能系统AC/DC双向逆变器信息与飞轮储能设备能量信息，实现飞轮储能设备的充电、放电功能。

4.4 飞轮储能的优缺点

一是优点，与传统储能技术相比，飞轮储能技术具有寿命长、效率高、稳定性好、较高的功率密度、工作效率高、响应速度快、充放电次数无上限和无污染等优点。

二是缺点，存在能量密度低、可持续时间短，由于轴承的磨损和空气的阻力，存在一定的自放电等缺点。

三是难点，转子的设计、磁轴承的设计、功率电子电路需要具备高相互转换率和高可靠性以及高安全性等特性、需要开发质量轻且安全系数高的设备、机械轴承的备份能够在轴承失效时具备支撑转子继续运行的功能等。

5 结语

飞轮储能系统应用于一次调频系统具有重要的作用，降低了电网高频时的有用做功输出损失，提高电网运行频率波动时风机运行的稳定性，减少有用做功输出在恢复时可能会出现的二次振荡，同时避免了高频扰动下，新能源场站有用做功功率低于额定功率10%时无法调节等问题。飞轮储能系统在新能源领域应用前景也十分广泛，不仅适用于风电机组调频系统，同时可应用于新能源机组高低压穿越中的电压调节和其他方面。可以加入储能系统进行研究开发，储能系统针对分布式电源，在改善电网运行经济性、优化电力系统运行方式和构建环境友好型电力系统等方面具有参考价值。