二、姜新建-參與電網慣性響應和調頻控制的飛輪儲能陣列關鍵技術研究20220901.pdf

1、參與電網慣性響應和調頻控制的飛輪儲能陣列關鍵技術研究第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會姜新建清華大學電機系1第第1212屆中國國際屆中國國際儲能儲能大會大會目 錄一、新型電力系統頻率穩定面臨的嚴峻挑戰三、飛輪儲能系統關鍵技術四、飛輪儲能技術典型應用二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術2第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會一、新型電力系統頻率穩定面臨的嚴峻挑戰 習近平主席在第75屆聯合國大會提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的宏偉目標。2021年中央財經委第九次會議：要

2、構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。傳統發電新能源發電風電光伏水電核電火電輸配電系統10%22%58%新能源發電占比預測2020 20302060工業、交通用電國防、醫療用電農業用電商業用電辦公、生活用電分布式電源電動汽車交流直流形成新型電力系統發展趨勢新能源發電為主體電力電子化數字化、智能化、開放式交直流混合靈活組網分布式平穩隨機、間歇、波動雙向隨機3第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會嚴重危及電網的頻率穩定和安全運行 電力系統的傳統轉動慣量極大降低 電網超出一次調頻死區的

3、次數增加，幾十次幾百次/天 風力發電滲透率達到34.71%，系統慣量大幅降低 系統調頻能力不足，尤其是一次調頻能力 新型電力系統形態面臨巨大轉變與挑戰：一、新型電力系統頻率穩定面臨的嚴峻挑戰火電機組退減直驅雙饋光伏電力電子變流器新能源大規模集中并網及高滲透率分散接入P-功率t-時間0出力穩定、慣量充足頻率平穩、調頻能力好發電功率電機轉速（頻率）P-功率t-時間0源端強隨機、波動、等效慣量很小且調頻能力弱發電功率電機轉速（頻率）2019年英國大停電，電網頻率跌至48.9Hz隨機性波動性慣量缺失4第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會傳統電力系統火電新能源火電機組承擔電網主要調頻任務 國

4、標GB/T 30370-2013火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則規定調頻功率占6%-10%總功率容量其他 調頻功率不小于6%總功率容量 一次調頻滯后時間1s 一次調頻上升時間 2f 飛輪可為電網提供遠大于其固有慣量的等效虛擬慣性支撐 飛輪對頻率變化敏感，可頻繁、迅速調整功率響應需求式中，Kfwvir、Kfwdp為飛儲能的虛擬慣性系數和下垂系數式中，sfw為額定機械角速度式中，efw0為機械角速度由于13第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術 提出調節因子：根據頻差和飛輪荷電狀態調整出力，控制飛輪的調頻深度和敏感性 一次調頻階段的飛輪儲能 調

5、頻功率（下垂控制+虛擬慣性控制）頻差調節因子2=(-)fwfwfwsocdfvirdpdfPKKfdt 22max1 exp(|)1 exp(|)dfcf=cf放電充電C1=10C1=30C1=30C1=10SOCcgSOCdiscg調節因子與頻差和荷電量的關系荷電狀態調節因子與荷電量的關系式中，soc、df分別為飛輪儲能的荷電狀態和頻差調節因子 飛輪的荷電狀態SOCfw為：2212efwfwfwsfwSOCJ14第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會混合儲能參與電網頻率控制 混合儲能系統組成 單臺飛輪儲能系統 電池儲能系統 容量配比 飛輪儲能10MW 電池組儲能20MW直流母線并聯

6、交流母線并聯二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術 二次調頻階段15第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會 直流并聯混合儲能系統控制策略二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術飛輪-電池混合儲能系統參與電網頻率調節控制框圖16第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術飛輪儲能系統 國外商業運行20MW級飛輪儲能調頻電站 國內實現1MW級飛輪調頻示范工程飛輪儲能陣列 飛輪儲能陣列控制單體飛輪儲能系統往往不能滿足有效調頻需求，在工程中需要采用飛輪陣列擴大調節功率17第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制

7、技術*00*00fVffkPPVVkQQ121211:ffPPkk1212121122max111:fffiNffiNfNPPPkkkSOCk SOCkSSOCOCk SOCfSOC 傳統的下垂控制及功率分配 改進下垂系數，改變功率分配，使SOC趨近于一致 孤島狀態下，通過飛輪陣列功率控制，實現對電網的調頻調壓控制 提出線性補償和虛擬阻抗的改進下垂系數的控制框圖改改進進下下垂垂QSOCkPIf0fcUcfdroop2frefU0-+UmUdroop+PIUm+-refUqref補補償償abc to dqPIgrid_abcwLvirtualwL0virtualIdIq+-dq to abcPW

8、M 交流并聯的飛輪陣列調頻調壓控制技術18第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術 并網狀態下，通過飛輪陣列功率控制，實現對電網的調頻控制上層：接受電網調度，調節出力；在原有的下垂控制基礎上增加可調度功率控制，接受上層的調度中層：改進下垂控制；基于等轉矩的功率控制下層：最大轉矩電流比控制調度中心飛輪陣列2控制飛輪1飛輪2飛輪3頂層中層底層直流母線交流母線飛輪陣列1控制飛輪陣列3控制SOCTePg,Qg改進下垂控制；基于等轉矩的功率控制最大轉矩電流比控制孤島：無通信并網：功率調度指令 飛輪儲能陣列控制19第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大

9、會二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術 飛輪儲能陣列控制5.2可調度的協調控制*00*00igggPiPpgifiiPPPkffkPsffkPP*00*00igggQiQpgiViiQQQkVVkQsVVkQQ可調度下垂PQSOCPWMPIfdroop2frefPg*-+PgUdroop+PIUm+-mf0 改進下垂系數1212121122max111:fffiNffiNfNPPPkkkSOCk SOCkSSOCOCk SOCfSOC 帶聯絡線的改進下垂控制調度指令 提出可調度的改進下垂控制策略 并網狀態下，在原有的下垂控制基礎上增加可調度功率控制，接受上層的調度。20第第1212屆中國國際

10、屆中國國際儲能大會儲能大會三、飛輪儲能系統關鍵技術四、飛輪儲能技術典型應用二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術目 錄一、新型電力系統頻率穩定面臨的嚴峻挑戰21第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會三、飛輪儲能系統關鍵技術 飛輪儲能系統 參數功率：400kW儲能量：25MJ轉速：18000rpm充放電效率：85%飛輪轉子：復合材料飛輪電機：多相永磁同步電機軸承：5自由度磁懸浮軸承充放電控制：三電平控制器 冷卻水機組變流器渦輪分子泵十三五國重飛輪儲能項目 樣機22第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會1.飛輪轉子材料和結構技術難點：軸系動力學，解決動平衡問題 高強鋼/復合材料

11、飛輪工藝學，解決強度和工藝問題研究成果：提出了4層組合彈性遞變+逐層預應力實現自緊效應方法，解決了復合材料飛輪開裂難題研制了30MJ大型復合材料飛輪，實現了750m/s高速運轉 突破了5自由度全磁懸浮飛輪電機軸系超越撓曲臨界的技術難題 同功率等級下，國際上未見強陀螺效應撓性軸系飛輪轉子成功先例三、飛輪儲能系統關鍵技術近似解析解有限元分析23第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會2.磁軸承技術難點：主動式磁懸浮軸承(AMB)，解決穩定懸浮問題 混合磁軸承，解決大承載及穩定問題 提出了磁路解耦的獨立磁極式徑向磁軸承與非對稱軸向磁軸承新型結構，提出了復雜磁路解耦與模態解耦、快速充放電轉子振

12、動與穩定控制方法，研制了大承載力純電磁徑向磁軸承和永磁偏置軸向磁軸承 磁軸承指標：承載力大于836kg、18000rpm時穩態懸浮功耗低于300W、轉子重量大于450kg等 研究成果：由軸承本體和控制系統組成磁軸承本體控制系統三、飛輪儲能系統關鍵技術磁軸承高速磁軸承高速運行運行監控情況監控情況24第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會 提出了12相高速永磁同步電機新方案，以及低損耗技術，解決了真空下電機轉子損耗發熱難題。提出了轉子磁鋼的綁扎緊固技術，解決高速轉子結構強度問題。研制出18000rpm、400kW、98%的12相永磁同步電機3.高速飛輪電機技術難點：真空條件下的高速永磁電

13、機的損耗分析及優化設計、解決真空散熱問題 轉子磁鋼的綁扎緊固技術，解決高速轉子磁鋼強度問題 研究成果：三、飛輪儲能系統關鍵技術ABCFFFF,1,5,7,11,1,3,5,7,coscoscos(15)cos(15)cos(30)cos(30)cos(45)cos(45)kkAkkkFtkFtkFFtkFtk ,1,5,7,11,1,3,5,7,cos(120)cos(120)cos(135)cos(135)cos(150)cos(150)cos(165)cos(165)kkBkkkFtkFtkFFtkFtk ,1,5,7,11,1,3,5,7,cos(240)cos(240)cos(255)

14、cos(255)cos(270)cos(270)cos(285)cos(285)kkCkkkFtkFtkFFtkFtk ,1,5,7,11,1,3,5,7,0,15,30,45,120,135,150,165,240,255,270,285cos()cos()kkkFFtkkFtkk0(mod24)k電機繞組磁動勢：25第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會4.充放電控制技術難點：高速飛輪系統的充放電控制技術，解決高基頻和高性能問題 高速飛輪儲能單元的控制技術，解決模塊化問題 提出了多相高速永磁同步電機的基于有限集模型預測控制和基于無速度傳感器矢量控制的飛輪充放電控制策略。提出了多相

15、永磁同步電機控制系統的容錯控制策略和電網高/低電壓穿越的控制策略。提出了高基頻三電平SiC/IGBT變流器功率電路模塊化優化設計方案,研制了400kW/800Hz/98.2%高基頻三電平變流器研究成果：三、飛輪儲能系統關鍵技術 T型三電平變流器T型三電平變流器1C2CT型三電平變流器T型三電平變流器T型三電平變流器機側變流器2機側變流器1機側變流器3機側變流器4T型三電平變流器網側變流器1網側變流器2網側LCL濾波器1gL2gLgCgKguBCmLmCmLmCmLmCmLmC十二相永磁同步電機1A1B1C2A2B2C3A3B3C4A4B4CAmxi飛輪轉子gxi機側LC濾波器CHCH5 5:電

16、網電網A A相電流相電流,比例比例:1 1A A/V VCHCH2 2:電機繞組電機繞組1 1的線電壓的線電壓UabUabCHCH6 6:電機繞組電機繞組1 1的的A A相電流相電流,比例比例:1 1A A/V VCHCH1 1:電網線電壓電網線電壓UabUab測量值測量值CHCH6 6CHCH2 2CHCH1 1CHCH5 5模型預測控制飛輪系統框圖試驗波形26 提出了基于能量序列的飛輪陣列單體能量快速均衡控制技術 提出了基于動態分組與粒子群優化的飛輪陣列效率-均衡協調控制技術 提出了基于多目標動態調節的飛輪陣列區域電網電壓/頻率自適應支撐技術第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會

17、三、飛輪儲能系統關鍵技術5.飛輪儲能陣列控制技術難點：陣列單體，解決各單體均衡控制、SOC等問題 陣列能量管理技術，解決陣列協調控制和優化問題 電網電壓和頻率的支撐技術，解決應用場景問題研究成果：基于單體剩余容量進行分組開始組1組1 組n SOC遞減組2組x-1組x組x+1組n組x+2額定功率運行PSO優化待機結束多目標優化算法單體能量-多目標優化結果陣列損耗-多目標優化結果飛輪陣列拓撲電壓頻率主動支撐和功率協調控制飛輪儲能陣列監控系統陣列協調控制模塊飛輪單機控制指令電壓頻率主動支撐報表查詢智能在線監控故障診斷系統指標總覽陣列能量管理模塊外部指令輸入飛輪陣列協調控制1#飛輪單機5#飛輪單機27

18、第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會三、飛輪儲能系統關鍵技術 并網變流器第三方測試報告 飛輪電機及機側變流器第三方測試報告名稱指標要求測量值額定功率（kW）400411額定容量（MJ）2530充放電響應時間（ms）3020充放電轉換時間（ms）6021.4充放電頻次（次/小時）104030頻率支撐能力具備400kW，25MJ電壓支撐能力具備400kVar電能質量治理能力具備THDi=1.63%飛輪單機第三方測試報告28第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會目 錄二、飛輪儲能電網慣性響應和調頻控制技術三、飛輪儲能系統關鍵技術四、飛輪儲能技術典型應用一、新型電力系統頻率穩定面

19、臨的嚴峻挑戰29第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會四、飛輪儲能技術典型應用 典型應用飛輪儲能調頻電站十三五，清華大學牽頭國家重點研發項目“MW級先進飛輪儲能關鍵技術研究”，陣列參與電網一次調頻控制，4臺（400kW/25MW），電網調頻示范工程飛輪儲能火電聯合調頻飛輪儲能新能源聯合調頻30第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會飛輪儲能新能源聯合調頻飛輪儲能火電聯合調頻飛輪儲能調頻電站清華大學參與地方科技項目，百兆瓦風電場飛輪儲能慣性支撐和調頻控制，飛輪系統：3MW/100kWh(3臺1MW/33kWh)、電池系統3MWh四、飛輪儲能技術典型應用 典型應用31第第1212

20、屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會 參考山西電力一次調頻市場交易實施細則 假設條件：按2000小時/年計算；每小時16次調頻服務（284次/天）；平均調頻時間30S；調頻出力：10MW 獨立輔助調頻收益核算輔助調頻收益=調頻次數N*單次調頻收益Ra)調頻次數=2000小時/年*16次/小時*10年=320,000次b)單次調頻收益R=K*D*C其中：K代表調節性能指標，K=K1*K2*K3 K1代表一次調頻響應時間，K2代表一次調頻動作速率，K3代表一次調頻響應精度 D代表調節里程 C代表調頻服務申報價格c)輔助調頻收益=調頻次數N*單次調頻收益R=N*(K1*K2*K3)*D*C=320,000次*（1.995*2*1.96）*10MW*5元/MW=12,513 萬元 10年周期投資估算（萬元）a)初始投資：5000 飛輪設備：4000 輔助設備：1000b)運維成本：1500 人工成本：240 設備維護：1000 其它費用：260c)合計：6500 10MW飛輪陣列的收益投資比為：12513/6500=1.925四、飛輪儲能技術典型應用投資收益 投資收益32謝謝！第第1212屆中國國際屆中國國際儲能大會儲能大會33