曾幾何時(shí)，我們家里用的還是小小的電燈泡，燈泡時(shí)常忽明忽暗，甚至突然停電。家里的老人告訴我們，那是電壓不穩(wěn)定造成的。后來，我們用上了燈管、節(jié)能燈、led，忽明忽暗的情況也沒有了，突然停電更是很難遇到。那是因?yàn)橥ㄟ^調(diào)頻，用戶需要多少電，就能通過電網(wǎng)向用戶輸送多少電。如今，新能源進(jìn)入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的穩(wěn)定性再次受到了挑戰(zhàn)。在完成這次挑戰(zhàn)的過程中，國(guó)網(wǎng)山西電力公司電力科學(xué)研究院電源技術(shù)中心新能源技術(shù)室研發(fā)出了飛輪+鋰電混合儲(chǔ)能配合調(diào)頻的方法。

原有調(diào)頻資源難承新能源入網(wǎng)之“重”

電網(wǎng)為什么要調(diào)頻？調(diào)頻到底是什么？國(guó)網(wǎng)山西電力（電科院）太行黎明共產(chǎn)黨員服務(wù)隊(duì)隊(duì)員郭強(qiáng)為大家解惑。

頻率是衡量電能質(zhì)量的基本指標(biāo)之一，是反映電力系統(tǒng)供需平衡的標(biāo)志。也就是說，要想電網(wǎng)保持穩(wěn)定，發(fā)電和用電要相對(duì)（動(dòng)態(tài)）平衡。而調(diào)頻就是調(diào)整電力系統(tǒng)的頻率，使其變化不超過規(guī)定的允許范圍，以保證電能質(zhì)量。電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)主要是由一次調(diào)頻和二次調(diào)頻來完成。一次調(diào)頻是機(jī)器（發(fā)電單元）的自身調(diào)節(jié)，其調(diào)整幅度較小（調(diào)節(jié)速率快），周期較短，調(diào)節(jié)時(shí)間往往不到1分鐘。二次調(diào)頻就是AGC（調(diào)節(jié)不同發(fā)電廠的多個(gè)發(fā)電機(jī)有功輸出以響應(yīng)負(fù)荷的變化的系統(tǒng)）控制調(diào)頻機(jī)組響應(yīng)調(diào)頻指令。二次調(diào)頻主要應(yīng)對(duì)幅度較大的負(fù)荷波動(dòng)，調(diào)節(jié)的時(shí)間往往在1分鐘以上。

近年來，風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電占比增加。電力市場(chǎng)上還是主要依靠傳統(tǒng)的火電和水電調(diào)頻。火電調(diào)頻，需要首先改變進(jìn)入鍋爐的燃料，然后逐步改變鍋爐蒸發(fā)量，最后才能改變汽輪發(fā)電機(jī)組的出力。由于鍋爐及汽輪機(jī)都是在熱狀態(tài)運(yùn)行，因此發(fā)電機(jī)組的電力輸出不能變化太快，否則金屬部件會(huì)由于溫度變化太快發(fā)生變形。水電調(diào)頻則是通過調(diào)整水電站進(jìn)水閥門以增減進(jìn)水量，從而改變電力輸出，整個(gè)過程基本都是冷態(tài)運(yùn)行，一般不會(huì)產(chǎn)生不良后果。不過，由于水電站受到地理位置的限制，一般只能建在西南水利資源豐富的地區(qū)，其他地區(qū)還主要依靠火電調(diào)頻。

在我省，大量的火電機(jī)組，長(zhǎng)期承擔(dān)繁重的AGC?調(diào)節(jié)任務(wù)，造成了發(fā)電煤耗增高、設(shè)備磨損嚴(yán)重等一系列負(fù)面影響。當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，就經(jīng)常會(huì)發(fā)生發(fā)電量突然大幅下降或消失的情況，可能導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不平衡，造成系統(tǒng)頻率偏差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率超過上下限，進(jìn)而危及電網(wǎng)安全運(yùn)行。說到底就是原有電力調(diào)頻資源已難以滿足新能源的入網(wǎng)需求。

飛輪儲(chǔ)能設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)無人看守自動(dòng)運(yùn)行

“儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速精確的功率響應(yīng)能力，能夠提高火電廠的調(diào)頻能力，保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。”郭強(qiáng)說，在發(fā)電側(cè)配置儲(chǔ)能，對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域而言，主要意義在于輔助動(dòng)態(tài)運(yùn)行、提升調(diào)節(jié)品質(zhì)；對(duì)新能源電站而言，主要有改善新能源電源特性，平抑新能源發(fā)電功率波動(dòng)，減少棄風(fēng)棄光、跟蹤計(jì)劃出力、提高電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平等意義。所以，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以作為電網(wǎng)的調(diào)頻設(shè)備。應(yīng)用于輔助電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能設(shè)備，應(yīng)具有較大的功率輸出且能快速、精確地跟蹤電網(wǎng)調(diào)頻指令完成充放電動(dòng)作。其成本、轉(zhuǎn)換效率、循環(huán)使用壽命及安全性等也是選擇儲(chǔ)能類型的重要因素。

考慮到山西電網(wǎng)實(shí)際調(diào)頻動(dòng)作頻率和各種儲(chǔ)能的特性，他們創(chuàng)新性地提出一種混合儲(chǔ)能調(diào)頻的方案——飛輪+鋰電混合儲(chǔ)能調(diào)頻。

方法找到了，可是儲(chǔ)能設(shè)備還沒有找到。“用電池儲(chǔ)能，電池得做得很大。”郭強(qiáng)說，這很難實(shí)現(xiàn)，做得太大，對(duì)空間要求大，最關(guān)鍵的是要避免過度頻繁地充放電帶來的安全隱患。

飛輪儲(chǔ)能是一種物理儲(chǔ)能方式，利用旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)能存儲(chǔ)和釋放電能。當(dāng)充電時(shí)，采用電動(dòng)機(jī)工作模式，利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲(chǔ)存，完成充電過程；當(dāng)放電時(shí)，則采用發(fā)電機(jī)工作模式，利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)的慣性帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過發(fā)電機(jī)將飛輪存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能輸出。飛輪儲(chǔ)能能夠在毫秒級(jí)達(dá)到指令響應(yīng)的功率。同時(shí)，在頻繁充放電的過程中，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)免維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)無人看守自動(dòng)運(yùn)行。

再輔以鋰電儲(chǔ)能設(shè)備，相互配合起來參與調(diào)頻。“也就是要充分利用飛輪儲(chǔ)能瞬時(shí)功率大、充放電次數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)，并發(fā)揮電池儲(chǔ)能容量大，不用過度頻繁充放電的特點(diǎn)（充放電時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)）。”郭強(qiáng)說。

飛輪+鋰電混合儲(chǔ)能，減少了對(duì)多余風(fēng)能的浪費(fèi)

2020年7月，國(guó)網(wǎng)山西電力公司電力科學(xué)研究院電源技術(shù)中心新能源技術(shù)室在我省龍?jiān)措娏ι轿骼锨斤L(fēng)電場(chǎng)，首次采用飛輪+鋰電混合儲(chǔ)能的方式參與調(diào)頻。“這個(gè)電場(chǎng)的調(diào)頻設(shè)備是由一個(gè)1MW的飛輪加一個(gè)4MW的鋰電池組成的。”郭強(qiáng)說，其飛輪系統(tǒng)采用8臺(tái)125kW功率型高速磁懸浮儲(chǔ)能飛輪，組合成1MW的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備。鋰電池系統(tǒng)采用了4組1MW/1MWh磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)變壓器升壓接入電場(chǎng)的35kV集電線上，后經(jīng)電場(chǎng)的升壓站，將電接入電網(wǎng)。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化風(fēng)電場(chǎng)配合飛輪+鋰電池混合儲(chǔ)能裝置參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻。飛輪+鋰電混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)在高頻次充放電應(yīng)用場(chǎng)景下的安全性和經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)控制，在提高電場(chǎng)一次調(diào)頻性能的前提下，最大限度減少對(duì)多余風(fēng)能的浪費(fèi)，提高了電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

該項(xiàng)目是全國(guó)首個(gè)完成35kV并網(wǎng)試驗(yàn)的兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，也是全國(guó)首個(gè)飛輪+鋰電池混合儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)首次混合儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻領(lǐng)域的應(yīng)用，驗(yàn)證了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)應(yīng)用的可行性及可靠性。在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，對(duì)解決新能源一次調(diào)頻/慣量響應(yīng)等暫態(tài)頻率主動(dòng)支撐問題具有現(xiàn)實(shí)意義，為功率型+能量（容量）型混合儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模部署提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展具有借鑒作用。

項(xiàng)目總體成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中在MW級(jí)飛輪+鋰電池混合儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。項(xiàng)目引領(lǐng)了全國(guó)混合儲(chǔ)能一次調(diào)頻的潮流。“近兩年，我省共有650MW的飛輪+鋰電混合儲(chǔ)能一次調(diào)頻項(xiàng)目在建，項(xiàng)目總投資額超過40億元。沈陽(yáng)微控新能源公司（飛輪制造商）在山西晉中，投資建立飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)線，前期投資規(guī)模超1億元。”郭強(qiáng)說。

記者 喬靜濤 通訊員 曹靜