曾幾何時，我們家里用的還是小小的電燈泡，燈泡時常忽明忽暗，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。那是因為通過調(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？國網(wǎng)山西電力（電科院）太行黎明共產(chǎn)黨員服務(wù)隊隊員郭強為大家解惑。

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（動態(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)電廠的多個發(fā)電機有功輸出以響應(yīng)負(fù)荷的變化的系統(tǒng)）控制調(diào)頻機組響應(yīng)調(diào)頻指令。二次調(diào)頻主要應(yīng)對幅度較大的負(fù)荷波動，調(diào)節(jié)的時間往往在1分鐘以上。

近年來，風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電占比增加。電力市場上還是主要依靠傳統(tǒng)的火電和水電調(diào)頻?；痣娬{(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)電機組的出力。由于鍋爐及汽輪機都是在熱狀態(tài)運行，因此發(fā)電機組的電力輸出不能變化太快，否則金屬部件會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，整個過程基本都是冷態(tài)運行，一般不會產(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，大量的火電機組，長期承擔(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、光伏裝機容量達(dá)到一定規(guī)模時，就經(jīng)常會發(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)動態(tài)不平衡，造成系統(tǒng)頻率偏差，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率超過上下限，進(jìn)而危及電網(wǎng)安全運行。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。

飛輪儲能設(shè)備，可實現(xiàn)無人看守自動運行

“儲能系統(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)運行的安全性。”郭強說，在發(fā)電側(cè)配置儲能，對于傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域而言，主要意義在于輔助動態(tài)運行、提升調(diào)節(jié)品質(zhì)；對新能源電站而言，主要有改善新能源電源特性，平抑新能源發(fā)電功率波動，減少棄風(fēng)棄光、跟蹤計劃出力、提高電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平等意義。所以，儲能系統(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能類型的重要因素。

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

方法找到了，可是儲能設(shè)備還沒有找到?！坝秒姵貎δ?，電池得做得很大。”郭強說，這很難實現(xiàn)，做得太大，對空間要求大，最關(guān)鍵的是要避免過度頻繁地充放電帶來的安全隱患。

飛輪儲能是一種物理儲能方式，利用旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的動能存儲和釋放電能。當(dāng)充電時，采用電動機工作模式，利用電動機驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能儲存，完成充電過程；當(dāng)放電時，則采用發(fā)電機工作模式，利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)的慣性帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過發(fā)電機將飛輪存儲的動能轉(zhuǎn)換成電能輸出。飛輪儲能能夠在毫秒級達(dá)到指令響應(yīng)的功率。同時，在頻繁充放電的過程中，設(shè)備運行平穩(wěn)免維護(hù)，可實現(xiàn)無人看守自動運行。

再輔以鋰電儲能設(shè)備，相互配合起來參與調(diào)頻?！耙簿褪且浞掷蔑w輪儲能瞬時功率大、充放電次數(shù)多的優(yōu)點，并發(fā)揮電池儲能容量大，不用過度頻繁充放電的特點（充放電時間長的優(yōu)點）?！惫鶑娬f。

飛輪+鋰電混合儲能，減少了對多余風(fēng)能的浪費

2020年7月，國網(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)室在我省龍源電力山西老千山風(fēng)電場，首次采用飛輪+鋰電混合儲能的方式參與調(diào)頻?！斑@個電場的調(diào)頻設(shè)備是由一個1MW的飛輪加一個4MW的鋰電池組成的?！惫鶑娬f，其飛輪系統(tǒng)采用8臺125kW功率型高速磁懸浮儲能飛輪，組合成1MW的飛輪儲能設(shè)備。鋰電池系統(tǒng)采用了4組1MW/1MWh磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)。

儲能系統(tǒng)經(jīng)變壓器升壓接入電場的35kV集電線上，后經(jīng)電場的升壓站，將電接入電網(wǎng)。該項目實現(xiàn)了規(guī)模化風(fēng)電場配合飛輪+鋰電池混合儲能裝置參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻。飛輪+鋰電混合儲能協(xié)調(diào)控制，提高儲能系統(tǒng)在高頻次充放電應(yīng)用場景下的安全性和經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)電場與儲能裝置協(xié)調(diào)控制，在提高電場一次調(diào)頻性能的前提下，最大限度減少對多余風(fēng)能的浪費，提高了電場的經(jīng)濟(jì)性。

該項目是全國首個完成35kV并網(wǎng)試驗的兆瓦級飛輪儲能系統(tǒng)，也是全國首個飛輪+鋰電池混合儲能示范項目。國內(nèi)首次混合儲能技術(shù)在發(fā)電側(cè)一次調(diào)頻領(lǐng)域的應(yīng)用，驗證了混合儲能系統(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，對解決新能源一次調(diào)頻/慣量響應(yīng)等暫態(tài)頻率主動支撐問題具有現(xiàn)實意義，為功率型+能量（容量）型混合儲能技術(shù)大規(guī)模部署提供了理論基礎(chǔ)和實際經(jīng)驗，對儲能產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展具有借鑒作用。

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

記者 喬靜濤 通訊員 曹靜