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。那是因為通過調頻，用戶需要多少電，就能通過電網向用戶輸送多少電。如今，新能源進入電網后，電網的穩(wěn)定性再次受到了挑戰(zhàn)。在完成這次挑戰(zhàn)的過程中，國網山西電力公司電力科學研究院電源技術中心新能源技術室研發(fā)出了飛輪+鋰電混合儲能配合調頻的方法。

原有調頻資源難承新能源入網之“重”

電網為什么要調頻？調頻到底是什么？國網山西電力（電科院）太行黎明共產黨員服務隊隊員郭強為大家解惑。

頻率是衡量電能質量的基本指標之一，是反映電力系統供需平衡的標志。也就是說，要想電網保持穩(wěn)定，發(fā)電和用電要相對（動態(tài)）平衡。而調頻就是調整電力系統的頻率，使其變化不超過規(guī)定的允許范圍，以保證電能質量。電力系統的頻率調節(jié)主要是由一次調頻和二次調頻來完成。一次調頻是機器（發(fā)電單元）的自身調節(jié)，其調整幅度較?。ㄕ{節(jié)速率快），周期較短，調節(jié)時間往往不到1分鐘。二次調頻就是AGC（調節(jié)不同發(fā)電廠的多個發(fā)電機有功輸出以響應負荷的變化的系統）控制調頻機組響應調頻指令。二次調頻主要應對幅度較大的負荷波動，調節(jié)的時間往往在1分鐘以上。

近年來，風電、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的火電和水電調頻?；痣娬{頻，需要首先改變進入鍋爐的燃料，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。水電調頻則是通過調整水電站進水閥門以增減進水量，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)還主要依靠火電調頻。

在我省，大量的火電機組，長期承擔繁重的AGC?調節(jié)任務，造成了發(fā)電煤耗增高、設備磨損嚴重等一系列負面影響。當電力系統中風電、光伏裝機容量達到一定規(guī)模時，就經常會發(fā)生發(fā)電量突然大幅下降或消失的情況，可能導致系統動態(tài)不平衡，造成系統頻率偏差，嚴重時會導致系統頻率超過上下限，進而危及電網安全運行。說到底就是原有電力調頻資源已難以滿足新能源的入網需求。

飛輪儲能設備，可實現無人看守自動運行

“儲能系統具有快速精確的功率響應能力，能夠提高火電廠的調頻能力，保證電網頻率的穩(wěn)定，提高電力系統運行的安全性?！惫鶑娬f，在發(fā)電側配置儲能，對于傳統發(fā)電領域而言，主要意義在于輔助動態(tài)運行、提升調節(jié)品質；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，減少棄風棄光、跟蹤計劃出力、提高電能質量、提高電網安全穩(wěn)定運行水平等意義。所以，儲能系統可以作為電網的調頻設備。應用于輔助電網頻率調節(jié)的儲能設備，應具有較大的功率輸出且能快速、精確地跟蹤電網調頻指令完成充放電動作。其成本、轉換效率、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。

考慮到山西電網實際調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頻的方案——飛輪+鋰電混合儲能調頻。

方法找到了，可是儲能設備還沒有找到?！坝秒姵貎δ?，電池得做得很大?！惫鶑娬f，這很難實現，做得太大，對空間要求大，最關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，利用旋轉體旋轉時所產生的動能存儲和釋放電能。當充電時，采用電動機工作模式，利用電動機驅動飛輪高速旋轉，將電能轉變?yōu)闄C械能儲存，完成充電過程；當放電時，則采用發(fā)電機工作模式，利用飛輪高速旋轉的慣性帶動轉子旋轉，通過發(fā)電機將飛輪存儲的動能轉換成電能輸出。飛輪儲能能夠在毫秒級達到指令響應的功率。同時，在頻繁充放電的過程中，設備運行平穩(wěn)免維護，可實現無人看守自動運行。

再輔以鋰電儲能設備，相互配合起來參與調頻?！耙簿褪且浞掷蔑w輪儲能瞬時功率大、充放電次數多的優(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，減少了對多余風能的浪費

2020年7月，國網山西電力公司電力科學研究院電源技術中心新能源技術室在我省龍源電力山西老千山風電場，首次采用飛輪+鋰電混合儲能的方式參與調頻?！斑@個電場的調頻設備是由一個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的飛輪儲能設備。鋰電池系統采用了4組1MW/1MWh磷酸鐵鋰電池系統。

儲能系統經變壓器升壓接入電場的35kV集電線上，后經電場的升壓站，將電接入電網。該項目實現了規(guī)?；L電場配合飛輪+鋰電池混合儲能裝置參與電網的一次調頻。飛輪+鋰電混合儲能協調控制，提高儲能系統在高頻次充放電應用場景下的安全性和經濟性。風電場與儲能裝置協調控制，在提高電場一次調頻性能的前提下，最大限度減少對多余風能的浪費，提高了電場的經濟性。

該項目是全國首個完成35kV并網試驗的兆瓦級飛輪儲能系統，也是全國首個飛輪+鋰電池混合儲能示范項目。國內首次混合儲能技術在發(fā)電側一次調頻領域的應用，驗證了混合儲能系統在發(fā)電側應用的可行性及可靠性。在以新能源為主體的新型電力系統背景下，對解決新能源一次調頻/慣量響應等暫態(tài)頻率主動支撐問題具有現實意義，為功率型+能量（容量）型混合儲能技術大規(guī)模部署提供了理論基礎和實際經驗，對儲能產業(yè)多元化發(fā)展具有借鑒作用。

項目總體成果達到國際先進水平，其中在MW級飛輪+鋰電池混合儲能參與電網一次調頻方面達到國際領先水平。項目引領了全國混合儲能一次調頻的潮流。“近兩年，我省共有650MW的飛輪+鋰電混合儲能一次調頻項目在建，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