曾几何时，我们家里用的还是小小的电灯泡，灯泡时常忽明忽暗，甚至突然停电。家里的老人告诉我们，那是电压不稳定造成的。后来，我们用上了灯管、节能灯、led，忽明忽暗的情况也没有了，突然停电更是很难遇到。那是因为通过调频，用户需要多少电，就能通过电网向用户输送多少电。如今，新能源进入电网后，电网的稳定性再次受到了挑战。在完成这次挑战的过程中，国网山西电力公司电力科学研究院电源技术中心新能源技术室研发出了飞轮+锂电混合储能配合调频的方法。
原有调频资源难承新能源入网之“重”
电网为什么要调频？调频到底是什么？国网山西电力（电科院）太行黎明共产党员服务队队员郭强为大家解惑。
频率是衡量电能质量的基本指标之一，是反映电力系统供需平衡的标志。也就是说，要想电网保持稳定，发电和用电要相对（动态）平衡。而调频就是调整电力系统的频率，使其变化不超过规定的允许范围，以保证电能质量。电力系统的频率调节主要是由一次调频和二次调频来完成。一次调频是机器（发电单元）的自身调节，其调整幅度较小（调节速率快），周期较短，调节时间往往不到1分钟。二次调频就是AGC（调节不同发电厂的多个发电机有功输出以响应负荷的变化的系统）控制调频机组响应调频指令。二次调频主要应对幅度较大的负荷波动，调节的时间往往在1分钟以上。
近年来，风电、太阳能等新能源发电占比增加。电力市场上还是主要依靠传统的火电和水电调频。火电调频，需要首先改变进入锅炉的燃料，然后逐步改变锅炉蒸发量，最后才能改变汽轮发电机组的出力。由于锅炉及汽轮机都是在热状态运行，因此发电机组的电力输出不能变化太快，否则金属部件会由于温度变化太快发生变形。水电调频则是通过调整水电站进水阀门以增减进水量，从而改变电力输出，整个过程基本都是冷态运行，一般不会产生不良后果。不过，由于水电站受到地理位置的限制，一般只能建在西南水利资源丰富的地区，其他地区还主要依靠火电调频。
在我省，大量的火电机组，长期承担繁重的AGC 调节任务，造成了发电煤耗增高、设备磨损严重等一系列负面影响。当电力系统中风电、光伏装机容量达到一定规模时，就经常会发生发电量突然大幅下降或消失的情况，可能导致系统动态不平衡，造成系统频率偏差，严重时会导致系统频率超过上下限，进而危及电网安全运行。说到底就是原有电力调频资源已难以满足新能源的入网需求。
飞轮储能设备，可实现无人看守自动运行
“储能系统具有快速精确的功率响应能力，能够提高火电厂的调频能力，保证电网频率的稳定，提高电力系统运行的安全性。”郭强说，在发电侧配置储能，对于传统发电领域而言，主要意义在于辅助动态运行、提升调节品质；对新能源电站而言，主要有改善新能源电源特性，平抑新能源发电功率波动，减少弃风弃光、跟踪计划出力、提高电能质量、提高电网安全稳定运行水平等意义。所以，储能系统可以作为电网的调频设备。应用于辅助电网频率调节的储能设备，应具有较大的功率输出且能快速、精确地跟踪电网调频指令完成充放电动作。其成本、转换效率、循环使用寿命及安全性等也是选择储能类型的重要因素。
考虑到山西电网实际调频动作频率和各种储能的特性，他们创新性地提出一种混合储能调频的方案——飞轮+锂电混合储能调频。
方法找到了，可是储能设备还没有找到。“用电池储能，电池得做得很大。”郭强说，这很难实现，做得太大，对空间要求大，最关键的是要避免过度频繁地充放电带来的安全隐患。
飞轮储能是一种物理储能方式，利用旋转体旋转时所产生的动能存储和释放电能。当充电时，采用电动机工作模式，利用电动机驱动飞轮高速旋转，将电能转变为机械能储存，完成充电过程；当放电时，则采用发电机工作模式，利用飞轮高速旋转的惯性带动转子旋转，通过发电机将飞轮存储的动能转换成电能输出。飞轮储能能够在毫秒级达到指令响应的功率。同时，在频繁充放电的过程中，设备运行平稳免维护，可实现无人看守自动运行。
再辅以锂电储能设备，相互配合起来参与调频。“也就是要充分利用飞轮储能瞬时功率大、充放电次数多的优点，并发挥电池储能容量大，不用过度频繁充放电的特点（充放电时间长的优点）。”郭强说。
飞轮+锂电混合储能，减少了对多余风能的浪费
2020年7月，国网山西电力公司电力科学研究院电源技术中心新能源技术室在我省龙源电力山西老千山风电场，首次采用飞轮+锂电混合储能的方式参与调频。“这个电场的调频设备是由一个1MW的飞轮加一个4MW的锂电池组成的。”郭强说，其飞轮系统采用8台125kW功率型高速磁悬浮储能飞轮，组合成1MW的飞轮储能设备。锂电池系统采用了4组1MW/1MWh磷酸铁锂电池系统。
储能系统经变压器升压接入电场的35kV集电线上，后经电场的升压站，将电接入电网。该项目实现了规模化风电场配合飞轮+锂电池混合储能装置参与电网的一次调频。飞轮+锂电混合储能协调控制，提高储能系统在高频次充放电应用场景下的安全性和经济性。风电场与储能装置协调控制，在提高电场一次调频性能的前提下，最大限度减少对多余风能的浪费，提高了电场的经济性。
该项目是全国首个完成35kV并网试验的兆瓦级飞轮储能系统，也是全国首个飞轮+锂电池混合储能示范项目。国内首次混合储能技术在发电侧一次调频领域的应用，验证了混合储能系统在发电侧应用的可行性及可靠性。在以新能源为主体的新型电力系统背景下，对解决新能源一次调频/惯量响应等暂态频率主动支撑问题具有现实意义，为功率型+能量（容量）型混合储能技术大规模部署提供了理论基础和实际经验，对储能产业多元化发展具有借鉴作用。
项目总体成果达到国际先进水平，其中在MW级飞轮+锂电池混合储能参与电网一次调频方面达到国际领先水平。项目引领了全国混合储能一次调频的潮流。“近两年，我省共有650MW的飞轮+锂电混合储能一次调频项目在建，项目总投资额超过40亿元。沈阳微控新能源公司（飞轮制造商）在山西晋中，投资建立飞轮储能产线，前期投资规模超1亿元。”郭强说。
记者 乔静涛 通讯员 曹静
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