飞轮储能在电力系统的应用和发展前景

本刊记者 王睿佳

近日，本刊记者就飞轮储能在电力系统的应用和发展前景，采访了华北电力大学先进飞轮储能技术研究中心教授柳亦兵、秦立军、梁双印、冯彦杰、李晓辉。

《中国电业》：飞轮储能在我国尚属新行业领域，请简单介绍一下飞轮储能。

答：飞轮储能是一种物理储能方式，原理很简单，是利用旋转体旋转时的动能实现能量存储和释放。旋转体由同轴的飞轮转子和双向电机转子组成。双向电机工作在电动机状态时，使飞轮加速旋转，将电能转换成动能存储；双向电机工作在发电机状态时，使飞轮减速旋转，将动能转换成电能输出。

在目前适合规模化商业运行的储能技术中，飞轮储能具有功率密度高、充放电响应速度快、使用寿命长、放电深度大、无环境污染、运营成本低、安全风险小等的综合优势，非常适合快速大功率充放电应用场合。飞轮储能技术的研究可以追溯上百年，过去几十年在通信、石油、交通、航天和军事等领域得到广泛应用。目前国内外已有多家生产飞轮储能产品的公司，国外有BeaconPower、TemporalPower、Active Power，AmberKinetics、VYCON、Boeing、QuantumEnergy等，国内有沈阳微控公司、泓慧公司、华阳科技、贝肯新能源公司等。今年举办的国际储能高峰论坛及产品展览会上，从展出的飞轮储能系统产品看，多数公司主要生产容量较小的飞轮储能设备产品，存电量少，充放电时间较短，主要用于传统的通信、石油、交通、舰船、航天等领域作为应急供电或稳压电源等。只有少数公司展出了大容量功率型飞轮储能系统的实际产品。

《中国电业》：请具体谈谈飞轮储能的特点和优势。

答：与其他储能形式比，飞轮储能有以下几点突出优势：

（1）大功率快速响应和快速充放能力：可以达到很高功率密度和很快响应时间。额定功率响应时间低于0.1秒。可以配置大功率电机，实现能量快速深度充放。而且飞轮储能类似传统发电机组可以为电网提供旋转惯性。

（2）超高的循环充放次数和超长使用寿命：满功率充放电循环次数可以超过10万次，储能部件设计寿命超过25年。

（3）飞轮储能系统荷电状态精确可测可控：飞轮转子转速和储能量成精确关系，可以通过精确测量飞轮转子转速，实现储能量的精确监测和控制。

（4）高安全可靠性和环保性能：飞轮储能是物理储能方式，通过高速旋转的飞轮转子实现能量存储，没有燃烧和爆炸的风险，没有危险化学物的处理与回收问题，不产生任何环境污染。飞轮转子的主要失效模式是超速旋转造成转子内部应力超过材料强度极限，可能导致转子部件内部产生裂纹损伤，严重时转子发生爆裂。飞轮储能系统通过先进设计制造技术，使得发生转子爆裂事故的风险极低，并且通过配置的监测和安全保护系统对转子裂纹故障进行预警和保护，极端情况下，飞轮储能转子外壳和基础也可以对转子爆裂故障发挥安全防护作用，就地消纳能量，有效避免发生严重安全事故。

（5）强环境适应性和低运维成本：飞轮储能系统的运行环境条件要求低，工作温度范围宽；日常运行维护工作量少，储能系统核心部件全寿命不需要更换。

《中国电业》：飞轮储能在构建新型电力系统中扮演怎样的角色？

答：到2030年，我国以风电、太阳能为主的新能源发电装机要达到12亿千瓦以上。风电和太阳能发电的突出特点是发电出力具有随机波动性和间歇性，大规模接入电网后，带来了电力平衡、电量消纳、电网安全稳定控制等诸多新挑战，对电力系统快速灵活调节提出更高要求。随着新能源在电力系统中的占比不断提高，由辅助电源逐渐成为主要电源，这些问题更加突出。2021年1月27日，国家电网有限公司董事长辛保安在世界经济论坛“达沃斯议程”视频对话会上的“加速清洁能源转型”专题发言指出，国家电网公司将深入贯彻习近平总书记重要讲话和指示精神，落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略，加快建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业，助力实现“双碳”目标，为能源清洁低碳转型、实现绿色发展贡献力量。未来5年，国家电网公司将年均投入超过700亿美元，推动电网向能源互联网升级，以坚强智能电网为基础，将先进信息通信技术、控制技术与能源技术深度融合应用，具有清洁低碳、安全可靠、泛在互联、高效互动、智能开放特征的智慧能源系统，可从多方面促进能源清洁低碳转型，助力实现“双碳”目标。

电网独立调频用飞轮储能电站示例（左图：美国Stephentown；右图：加拿大Guelph）。

国家电网公司为了给新能源大规模开发利用提供配置平台，增加大规模新能源的消纳能力，采取了许多重大举措，包括发展大规模能源互联网及智能电网、建设特高压输电线路、大力推进各种储能调节资源建设等，同时也对各种发电机组的灵活调节能力提出更高要求。由于新能源出力的随机波动性和间歇性，高比例接入电网将导致电网有功负荷快速小幅波动增加。根据国内电网的近期统计情况：从华北电网某火电厂60万机组AGC统计数据和广东电网某火电厂30万机组AGC统计数据看，绝大部分AGC信号持续时间不超过10分钟，90%的AGC信号持续时间小于6分钟，其中74%的AGC信号持续时间小于3分钟。这些数据表明，未来在新型电力系统中，快速频繁小幅有功功率调节（调频）的任务越来越多，对快速小幅度调频资源的需求也必将越来越大。

在目前大规模应用的各种储能形式中，飞轮储能具有可以实现大功率快速充放电的特点，可以弥补新能源发电的随机性、波动性，并实现新能源发电的平滑输出，使大规模风电及太阳能发电更安全更可靠地并入常规电网，在电力系统快速负荷调节方面具有独特优势，可以广泛应用于电网独立调频、辅助火电和新能源（风光）调频、微电网及综合能源等场景。随着智能电网、分布式供电等新技术的推广应用，飞轮储能的作用进一步突现出来，其发展和应用将对新能源乃至整个电力系统带来革命性的影响。

《中国电业》：飞轮储能的应用领域有哪些？其发展前景如何？

答：目前飞轮储能在航空航天、舰船、交通、石油开采、通信等领域有广泛应用，这些应用场景以储能容量较小的飞轮储能系统产品为主，主要发挥飞轮储能的电能快充快放特点和优势，用作应急电源、稳压电源等，凡是在需要电能瞬时快充快放的场合，飞轮储能都可以发挥更大作用。进入21世纪以来，随着全球范围新能源的快速发展，电力系统瞬时有功负荷波动问题加大，飞轮储能的快速负荷响应和充放电特点开始受到重视，并开始在电网调频方面得到应用。飞轮储能可以应用于电力系统中的多种场景，包括作为独立调频电源、辅助传统发电机组（火电机组、水电机组等）和新能源电站调频、微网和综合能源系统等。为了适应电力系统快速负荷波动的调节特性，充分发挥飞轮储能的优势，应选用大容量、大功率的飞轮储能单元设备，将多个飞轮储能单元组成飞轮储能阵列，构建额定功率10MW/储能量MW级别以上的大容量飞轮储能电站，具备数分钟的充放电持续时间，以满足电力系统中对快速有功负荷调节的不同应用需求。

资料图

在“双碳”目标背景下，我国未来将发展以新能源发电为主要发电支撑的新型电力系统。为了解决新能源发电存在的强随机波动性和间歇性问题，保障电力系统的安全稳定运行，需要大力发展各种储能资源，提升电力系统的负荷调控能力，同时也对发电企业的灵活调节能力提出更高要求。在目前大规模应用的各种储能形式中，只有飞轮储能具有可以实现大功率快速充放电、无限循环寿命的独特优势，非常适合电力系统调节指令快速变化的调频任务，可以广泛应用于电网独立调频、辅助火电、新能源（风光）进行调频、微电网及综合能源系统快速负荷平衡等场景，具有广阔发展前景。

《中国电业》：当前，飞轮储能乃至整个储能领域还没有形成独立产业链，储能行业的商业化模式尚未完全成形。请谈谈飞轮储能的发展现状，未来需要哪些政策支持？

答：根据我国储能产业技术联盟（CNESA）2019年的研究报告，世界范围规划、在建和已经投运的飞轮储能电站项目共有14个，共计81兆瓦。其中只有美国BeaconPower公司和加拿大TemporalPower公司有大容量飞轮储能独立调频电站的成功应用业绩。美国BeaconPower于2011年在美国投运了2个20兆瓦飞轮储能电站，每个电站采用200个单体功率100千瓦/30千瓦时的飞轮储能单元组成飞轮储能阵列，通过集中能量管理系统进行控制，参与电网独立调频；加拿大TemporalPower从2014年以后陆续在加拿大安大略省及加勒比海投运了三个飞轮储能电站项目，装机容量分别为2兆瓦、5兆瓦和10兆瓦，分别采用单体功率250千瓦/50千瓦时和500千瓦/50千瓦时的两种飞轮储能单元产品组成飞轮储能阵列，提供电力系统调频和辅助服务。继北美电力市场之后，欧洲电力市场也开始呈现出对调频资源的需求，而飞轮作为快速调节资源已经开始获得欧洲电网运营商的认可。据报道，爱尔兰EirGrid公司规划了欧洲首个飞轮储能项目，规模达到20兆瓦，但是未见后续进展的报道。

2010年前后，我国出现了一批飞轮储能系统商业推广示范应用的技术开发企业，但我国在飞轮储能理论和应用方面仍不成熟。我国飞轮储能行业处在发展初期，根据中国化学与物理电源行业协会储能应用分会产业政策研究中心统计显示，截至2018年12月31日，中国储能装机31.3吉瓦。其中，飞轮储能1.1兆瓦。

从目前飞轮储能技术的发展来看，目前中国市场上飞轮储能应用大部分为试点产品，成熟运行产品较少，运行功率较低，后备时间极短，部分技术性能需要进一步完善。在系统容量、转换率、使用寿命、安全性等方面亟须创新和突破。同时，飞轮储能商业化还存在成本偏高、缺少价格激励政策、技术路线不够成熟、欠缺技术规范和接入标准等问题。■