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微控新能源江卫良:飞轮+锂电混合储能辅助调频可进一步提高综合效果

北极星储能网  来源:北极星储能网    2019/9/27 14:35:02  我要投稿  

北极星储能网讯:飞轮储能安全绿色环保,全生命周期是没有污染的,非常容易回收利用,使用寿命长,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,容易部署。这些特点和优势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。

——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

2019年9月25日,第二届中国储能西部论坛在青海隆重召开。本次会议由中国能源研究会储能专委会,青海大学,黄河上游水电开发有限责任公司,国网青海省电力公司,青海能高新能源有限公司,华能清洁能源技术研究院,中关村产业技术联盟联合会,中关村海东科技园等联合主办,青海省清洁能源高效利用重点实验室、中关村储能产业技术联盟承办。北极星储能网对论坛进行全程直播。

在“可再生能源配置储能的市场与商业模式探讨”分论坛上,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发表了题为“飞轮储能在电力调频领域的应用”的精彩演讲。

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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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