飞轮储能的技术及经济性分析

刘旭泽

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司， 山西 太原 030000）

0 引言

风电、光伏等新能源电源因其难以调控，导致电网调频需求日益增加。目前，电网调频主要依托火力发电，而由于火电机组本身局限性，其调频效果较差。

目前，抽水蓄能是电力系统中技术最为成熟、容量最大的储能方式。但是，抽水蓄能对建设厂址的地理位置及条件的要求比较高，并且建设周期长[1]。飞轮储能系统具有响应速度快、使用寿命长等优点，并在大功率化、规模化、转换效率和经济性等方面具有突出优势[2]，其调频效果是常规火电机组的30 倍。因此，飞轮储能可以作为电网系统的优势调频电源。利用大规模飞轮储能系统对电网频率调节，能够弥补火电调频效率低，解决电网调频资源不足等问题。

1 飞轮储能与其他储能的对比

目前，储能主要类型有机械储能和电化学储能等多种类型。其中，物理储能分为抽水蓄能、飞轮储能等。电化学储能分为铅蓄电池、锂电池等。不同储能形式的特点及性能如表1 所示。

表1 不同储能方式的特点

从表1 可以看出，目前，投运最多的铅酸电池储能，具有功率密度高、成本低等优点，缺点是效率低。钠硫电池容量高、效率高，但是，成本也高。锂电池响应快，但有热失控风险。液流电池能量容量高，寿命长，但效率低。抽水蓄能具有技术成熟、响应快等优点，但是，也有投资大、地理位置受限等劣势。压缩空气储能寿命长、投资低，但效率低、响应慢。

相比其他储能方式，飞轮储能具有以下优势：

1）瞬时功率较大，可以在很短的时间内快速充放电，快速响应电网调频要求。

2）寿命周期长，使用寿命可达100 万次以上。

3）能量转化效率高。磁悬浮支承以及在真空中高速旋转的飞轮，可以一定程度上减少机械和空气摩擦。因此，飞轮储能的效率可以达到85%～95%。

4）无污染。飞轮为机械结构，不会有化学污染和排气污染，也没有电池废料的回收污染问题。

飞轮储能具有高能量密度、高功率密度以及响应时间快、效率高等优点，适用于电网服务调频。

2 飞轮储能的原理及技术方案

2.1 飞轮储能的工作原理

飞轮储能系统属于机械储能，充电时，电能转换为机械能。放电时，机械能转换为电能。飞轮储能设备剖面图如图1 所示。飞轮储能主要由机械飞轮、电机、轴承、真空室、双向换流器以及控制、真空和冷却系统组成。双向变流器采用交流—直流—交流的配置，实现直流到交流的逆变过程和交流到直流的整流过程。控制系统可以实现控制并监测温度、冷却系统状态和真空度等系统参数。真空系统由真空泵提供真空状态，以保障飞轮损耗较小。冷却系统主要是防止飞轮储能温度过高。

图1 飞轮储能设备剖面

飞轮储能的工作原理是电能和机械能的转化，如图2 所示。

图2 飞轮储能系统

当飞轮储能参与电网调频时，飞轮储能实质是通过调节电网的有功功率，进而调节电网系统频率，调节过程也是飞轮储能充放电的过程，电能与机械能互相转换的过程。

将储能系统接入变电站，通过变电站的电源进行充放电，储能站内设置独立的RTU 和DCS 系统通讯接口，接受电网AGC 指令。参与调频的飞轮储能系统主要包括储能单元、PCS 装置和储能系统总控单元。飞轮储存能量的计算公式为：

式中：J为飞轮转子的转动惯量，ω 为飞轮转子旋转角速度。当飞轮从最高转速ωmax减速到最低转速ωmin，飞轮储能释放的最大能量为：

飞轮储能装置的电机具有电动机和发电机的双重作用。当飞轮储能充电时，通过电能带动电动机给飞轮加速。当放电时，飞轮带动发电机将机械能转化为电能，此时飞轮的转速开始下降。

2.2 飞轮储能的常规配置方案

飞轮储能系统由储能单元、升压单元和并网单元构成。飞轮储能一般由储能子单元构成，储能子单元又由储能飞轮组成。升压单元由升压子单元构成，升压子单元由双向PCS 构成的储能子单元和升压变压器组成。并网单元由并网子单元构成，并网子单元主要由高压开关柜构成。

每个储能子单元接1 台升压变压器，升压后，接入并网单元进线断路器柜，再由并网出线柜送出至附近变电站。

3 飞轮储能成本及经济性分析

3.1 飞轮储能成本分析

飞轮储能的投资成本主要包括设备购置费、建筑工程费、安装工程费及其他费用。其中，设备购置费占总投资的83%，如图3 所示。

图3 飞轮储能的投资成本占比

3.2 飞轮储能经济性

飞轮储能主要通过参与电力辅助服务市场中的调频服务，以获得调频收益。

目前，国家能源局、国家各级地方政府均出台了大量鼓励电力市场辅助服务的相关政策。国家能源局出台了《电力辅助服务管理办法》，广东省发布了《广东调频辅助服务市场建设试点方案》《广东调频辅助服务市场交易规则（试行）》，山东省发布了《山东电力辅助服务市场运营规则（试行）》修订稿，江苏省发布了《江苏电力辅助服务（调频）市场交易规则（征求意见稿）》，山西省发布了《山西电力调频辅助服务市场运营细则》。

以山西省为例，进行飞轮储能经济性测算。山西省调频服务采取竞价方式，目前，申报价格为5 元/MW。

参与电网调频的年度补偿收益公式为：

式中：F为全年收益；D为全年调节深度（调频里程），MW；K为机组全年平均调节性能指标；C为调频服务结算价格。

飞轮储能系统的调频性能指标优异，K值远好于火电机组，因此，K值取5.5。

对于30 MW 容量的独立调频电站，如果每5 min捕获一次调频指令，每天完成的调频里程D=24 h×60 min/h÷5 min×30 MW=8 640 MW，全年调频暂按300d 计算。全年的调频里程（调节深度）D=8640MW/d×300 d=2 592 000 MW。

按照C取5 元/MW 计算，全年收益值为7 128万元。计算可知，飞轮储能的收益十分可观，具有较好的经济性。

4 结语

飞轮储能系统具有瞬时大功率、毫秒级响应、全寿命周期无衰减、百万次循环充放电和超长使用寿命等特性，可完美匹配一次调频的充放电工况。伴随着全球可再生能源的应用提升，飞轮储能系统将在可再生能源集成中扮演关键角色，帮助平衡电力供应，确保电网稳定运行。由于飞轮转速可达40000～50000r/min，飞轮一般采用碳纤维材质，成本较高。但是，随着飞轮储能技术进一步成熟，成本逐渐降低，飞轮储能将迎来广阔的发展空间。