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国网南网都在用 渐行渐近的飞轮储能技术

北极星储能网  来源:北极星储能网  作者:李文胜  2021/2/1 17:31:53  我要投稿  

北极星储能网讯:当前,风电光伏渗透率的快速提升对电力系统提出了严峻考验,现有灵活性资源已逐渐无力支持电网接纳如此高比例的波动性能源。储能作为更优质的灵活性资源,可以使得新能源成为电网友好型的优质电源,可以有效平滑新能源出力、提供调频调峰等辅助服务。

在众多储能技术中,飞轮储能系统以效率高、容量大、响应快和对环境友好等优点,越来越受到国内外学者的重视。飞轮储能是用物理的方法储能的技术,原理是利用高速旋转的飞轮所拥有的惯性来储存能量。从飞轮储存的能量公式(2)可以看出,能量与飞轮的质量成正比,与飞轮的转速二次方成正比。因此,一般采用增加飞轮的转速来提高储存的能量。

飞轮储能的基本结构

飞轮储能包括三个核心部分:飞轮、电动机-发电机和电力电子变换装置。其中,飞轮是整个产品的核心部件,直接决定着储存能量的多少;电力电子变换装置,决定了输入输出能量的大小。

图1 简易的飞轮示意图

图2 飞轮储能的系统架构简图

飞轮储能的工作原理

与电池一样,飞轮储能有三种工作状态,即充电、放电和浮充。飞轮储能的能量状态(0≤SOC≤1)可以用荷电状态(State of Charge,SOC)来描述:当SOC=0时,表示飞轮储能系统放电完全,当前可用的能量为0;当SOC=1时,表示飞轮储能系统完全充满,当前可用的能量为1。

在飞轮储能系统充电时,从外部输入的电能通过电力电子变换装置,驱动电动机带动飞轮旋转以储存动能。此时,飞轮从低转速向高转速加速运行,SOC上升;放电时,即当外部负载需要能量时,旋转的飞轮带动发电机发电,从而将动能转化为电能,再通过电力电子变换装置转化成负载所需的各种频率、电压等级的电能,以满足不同的用电需求。此时,飞轮从高转速向低转速减速,SOC下降;浮充时,飞轮处于充满电的待机状态,,此时飞轮处于(额定)最高转速,为了维持这一状态,外界需要给飞轮储能系统提供涓流充电,但这个涓流很小,在很多情况下可以忽略不计。

飞轮储能安全与可靠性、经济与环保性

众所周知,安全与可靠性紧密相关,安全的反面是风险。从“风险=失败概率*失败后果=(1-可靠性)*失败后果”可以看出,安全由两个因素决定,即可靠性和失败后果。根据IEEE标准的规定,可靠性是在一定的时间窗口内及一定的外界环境下,能够满足规定功能的能力,其度量指标包括可靠度、故障率、平均寿命、维修度和工作时间。

经研究证明,电池的可靠性会随着时间和使用程度而下降(图3),不能满足时间窗口的要求。同时,电池的可靠性受外界环境(温度和湿度等)的影响较大,也不能满足外界环境的要求,因此电池的可靠性并不能得到保障。

图3 电池的容量与温度和循环次数的关系

据了解,失效后果由所存储的能量决定,即存储的能量越大,失效后果则越严重。为了弥补电池可靠性的不足,UPS配置电池使用时通常搭载了冗余技术,使得其能量成倍增加。一般来说,电池的功率密度低,但为了达到一定的放电功率,电池的存储能量往往很大,一旦失效很容易引发起火爆炸等风险,非常不安全。

飞轮储能作为物理(或机械)的储能手段,在安全性和可靠性方面都比电池更具优势。经研究发现,飞轮储能不随时间窗口而退化,也不受外界环境的影响。因此,飞轮储能的可靠性能够得到保证(图4)。此外,飞轮储能作为一种功率性器件,在同样大小的放电功率下,存储的能量显著地低于电池,其失效后果也比电池要小得多(图5)。


图4 飞轮和电池在可靠性方面的对比

图5 飞轮和电池和柴油发电机的功率密度对比

飞轮储能是一项绿色环保的技术,不含有任何有害的化学物质,也不会产生任何化学反应;其从生产到使用,再到寿命终结后的处理,也不会产生任何污染环境和危害人体的物质。作为一种机械产品,它没有记忆效应,不会随着使用次数和时间而退化,使用寿命可达20年以上;对外界的温度并不敏感,在一般环境下不需要额外的设备进行制冷或加热;安全性、可靠性高,不需要为安全配置额外的冗余设备,并基本可以实现免维护,同时功率密度大、体积小,还可减少占地面积。

飞轮储能的应用

总体而言,飞轮储能具有安全可靠、经济环保的优点,是最有发展前景的储能技术之一。飞轮储能技术在发达国家已有几十年的发展历史,并在诸多领域获得了应用,如F1赛车能量回收、轨道牵引能量回收、微电网调压及并网,超低温余热回收利用、应急UPS电源、高速离心风机等。目前,飞轮储能技术正广泛应用于国内外的数据中心、精密制造生产线、UPS后备铅酸电池的替代、电网储能调频等领域。

在数据中心领域,飞轮储能主要是取代铅酸电池,并配合UPS电源使用。一些大型的重要的数据中心,如Yahoo著名的鸡窝型数据中心、HP的移动一站式CleanSource数据中心、Verizon的数据中心、佐治亚理工大学的超算中心、上海证券交易所、富士康华南数据中心、光大银行数据中心等都在应用飞轮储能技术进行能量的存储利用。

另外,国家电网公司和南方电网公司的高规格应急保电中也都在应用飞轮储能技术,这为奥运会、世博会、G20、春晚等大型重要活动提供了非常可靠的电源保障。

其实,飞轮储能技术与人们生活密切相关,如地铁列车进出站时的能量转换,列车进站刹车时将多余能量输入飞轮,列车出站提速时需要能量,飞轮将能量输出,这个系统可为地铁节省20%左右的能量消耗。

在飞轮储能技术持续发展的当下,我国工业和信息化部发布了《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》,特别将高效储能器作为解决新能源途径之一,作为高效储能技术的代表,未来飞轮储能在汽车领域也将有着巨大的应用潜力。

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