中国储能网讯：第十二届中国国际储能大会演讲速记如下：
汪钊：谢谢大家下午抽出时间来听我们关于飞轮储能技术在新能源一次调频应用的理解和分享。
所以我今天主要是围绕着飞轮储能的技术特点做简单的介绍，另外是在新能源一次调频这个技术是怎么应用，包括分享一下我们做过的一些应用案例。
飞轮储能其实就是一种用旋转时产生的动能来储能的方式，基于这个原理，它和旋转体的转动惯量以及线速度的平方成正比，所以为了追求更高的性能指标，怎么让一个更重的物体能以更高的转速旋转，这是飞轮储能技术追求的持续性发展的方向。基于这个要求，我们现在一个高效的飞轮储能一定是需要采用磁悬浮的轴承技术，因为这样的话，飞轮运行的时候，整个旋转体是处于完全磁悬浮的状态，基本没有磨损，功耗很低，这样才能发挥飞轮储能长寿命的优势。
这是我们公司的产品，最高转速做到36750万每分钟，单机功率做到450千瓦，占地面积只需要0.6平方米，功率密度非常高，这也是这个技术的特点。
这是飞轮储能的典型构成。第一部分是一个真空腔体，里面有飞轮和转子，就是我们的能量存储体。第二部分，因为我们的电机是交流电机，需要双向变流装置，输出类似电池的直流。第三部分，基于磁悬浮轴承的控制器。第四部分，因为这个飞轮是运行在真空状态，真空状态需要实时保持，所以需要有真空泵，当发现真空状态不足的时候需要抽真空，让它处在最高效的状态，同时保证设备的安全。
这里面最核心的就是飞轮转子，它是由几部分组成：一是上端和下端的五自由度主动磁悬浮轴承。为什么是主动磁悬浮轴承？因为是飞轮的转速非常高，对控制的精密度要求很高，磁悬浮轴承一定是主动跟随转子的实时状态去控制的。另外，我们采用的是合金钢转子材料，它和电机的转子是同轴的，工作的时候由电机的转子带动合金钢的飞轮转子旋转，主要是通过转子的质量加减速来实现储能。
大家对飞轮储能技术寿命有一种描述，叫几千万次的循环寿命，但是实际上这个千万次是基于一个理论指标，这是什么意思呢？我们有两种确定寿命的方式，一个叫萌生寿命。萌生寿命就是假定这个材料没有缺陷，从它产生裂纹到发展达到破坏性的阶段，飞轮充放电是通过加速减速，对这个飞轮产生了应力，这个应力循环的次数就是飞轮充放电的寿命。但这是一个理论的值，因为每个转子都没有办法在实际中让它没有一点裂纹，另外也没有技术手段去检验它在非常小的间隙内没有裂纹。因此，我们现在实际设计是基于残余寿命来确定它的循环寿命，就是说这个材料存在一定的尺寸缺陷，比如说有气泡、裂纹，但是没有超过我们接受的范围。基于这个有缺陷的假设前提，它能够承受的应力循环次数，它就对应到我们的充放电寿命次数。所以，我们以一个什么样的缺陷尺寸作为残余寿命的计算参数是确定飞轮使用寿命，确保安全的一个核心，这也是飞轮转子的一个最核心的安全上的设计理念。
刚才讲了我们是基于这种设计理念，在实践过程中，我们工程化的手段就是通过无损检测确定飞轮转子内部裂纹的位置和大小，以最小检测精度作为基准计算飞轮使用寿命。我们这个无损探伤采用的是超声波探伤，它对飞轮的尺寸是有要求的，因为超过30公分，超声波就探不透，基于此也确定了飞轮尺寸的重要边界条件。
除了刚才讲的转子安全性，我们的安全性还要通过其他一系列的保障条件，要考虑这个技术成熟度，另外就是轴承体系设计，以及飞轮转子跌落试验。因为飞轮都是靠电磁轴承支撑旋转的，如果电磁轴承失效，我们需要有一个备用轴承，能让它安全地减速到停机，不出现飞车的情况，所以这个跌落试验，包括备用轴承也是一个非常关键的技术。另外，我们在飞轮运行过程中的一些在线监测，刚才也讲了，磁悬浮轴承可以在线高频次去看转子的运行情况。还有就是飞轮是高精密、高控制精度产品，所以整个的加工生产，包括测试环境，一定是要有体系化支撑批量化产品的可靠性。
这是我们飞轮转子在厂内的制造过程，从毛坯到粗加工到精密加工，包括喷涂，我们是总共超过了200个零部件组成，超过了50个工艺过程，包括整个加工精度是非常精密的。所以，高速的磁悬浮飞轮是以精密制造为基础，多学科融合的机电一体设备。
基于刚才我们的设计理念，打造建设了多个工序的批量化的量产能力，比如说热处理、精密加工、高速电机加工、飞轮老化的测试环境、飞轮集成测试中心。我们每台飞轮出厂的时候，都要做150%最高转速的72小时连续试验，来校验产品的可靠性。
飞轮储能技术核心的几个特点和优势主要是以下几点：一是高安全。因为我们是一个物理储能，没有化学反应，所以相对化学来说是一个本质安全的储能。二是长寿命。整个寿命核心部件可达20年，百万次的循环充放电次数。三是无衰减。飞轮在全寿命周期的储存能量是不衰减的，另外它可以通过转速就得出储存的能量，所以电量可以精确度量。四是大功率。有比较高的功率密度，是典型的功率储能技术。五是无污染。退役后的回收利用率很高，处理成本很低。
新能源场站频率支撑的必要性。新能源为主体的新型电力系统是实现双碳的重要路径。随着新能源装机逐步增高，新型电力系统面临着两个主要问题：一个是新能源消纳受限，这就是大家理解的风多光多的时候没有办法消纳，没有风没有光的时候又没有发电的来源，我们把它理解为电量平衡，就是能量平衡的问题。另外，安全稳定运行的风险增加，这主要是因为高比例的新能源带来了整个系统是非常缺转动惯量的，因为我们的整个大的电网是要实现发电和负荷的实时平衡，所以当新能源占比高的时候，关于频率安全，包括整个惯量支撑的挑战是非常大的。
右下角的表指出了，新能源占比21%的工况，如果不具备调频能力，低频减载的风险非常高，对电网的安全稳定运行是巨大的挑战。基于电力结构的变化，国家这几年也出台了一些管理要求，国标38755要求新能源场站具备一次调频能力。去年12月21日，能源局发布的并网主体并网运行管理规定，把一次调频和转动惯量单独列出，将来会成为新能源并网的义务项或者收益项。今年5月1号实施的并网电源一次调频技术规定及试验导则，也明确了新能源一次调频指标上的要求。
一次调频的问题在新能源占比较低的时候，它主要是通过风电机组自身去解决这个问题，它解决问题有两种方式，一是通过自身控制转子转速，提供一定的调频能力，但是这个和它的运行状态有关，所以它这种调节的速率，包括造成频率被动波动的可能性是非常大的。二是新能源场站是通过预留备用容量来实现功率备用，实现调频。但是如果一旦严格考核，备用容量就是直接损失了你每天的发电量，这样带来的经济效益影响非常大。还有一个因素，就是通过比如说像风机，通过调节风机转速，调节是相对比较慢的，对一次调频有考核的时候，你调节指标的K值是很有可能过不了关的。
刚才讲了高比例新能源电网结构下对调频的需求，我们总结了有几个特点：第一，充放电频次高。右边的图可以看到，如果死区设定0.04，频率日越过调频死区的总次数为1670次，如果用储能来调，就需要1670次的充放电。另外，从电网安全性的角度来讲，希望调频资源越快越好，出现频率扰动能用最快的速度进行调整。现在国际上的要求是响应时间，风电不大于2秒，光伏不大于1秒，惯量不超过500毫秒。这个要求实际上还是基于用机组去调的要求，如果真正未来考核，尤其是通过竞价机制的话，要求这个时间控制在100毫秒以内的水平。另外，通过储能调频的持续时间非常短，国标40595的要求是单次调频保持20秒，但是我们实际采集的数据是低于20秒，10秒以内的指令占大多数。另外，新能源场站也对储能有安全性、可靠性以及和它整个生命周期相匹配的要求。因此，我们觉得飞轮储能的技术特点是非常适合新能源未来关于快速频率调节的一个技术。
我们这几年在飞轮储能技术在一次调频里做了一些案例，现在和大家简单分享一下。
这是我们2020年在山西电科院的一个项目，这是全国首个完成35KV并网试验的兆瓦级飞轮储能系统，也是首个飞轮+锂电池混合储能示范项目。我们这个系统通过一个兆瓦级的储能系统，并入到风电场的交流并网点，然后通过频率控制系统，基于频率的变化进行调节。
我们当时这个项目做的是和锂电混联的方案，主要是利用飞轮的快速响应，短时高频次的特点，从右边的图看，白色的曲线是飞轮输出的曲线，由它来支撑一次调频占比非常高的短时工况，锂电池来做能量的补充。
这个项目是我们去年在辽宁大唐做的，这不光是解决一次调频，同时也解决惯量响应的项目，在单风机的低压侧来接入。关于惯量，也是未来新能源场站非常关注的一个问题，因为惯量反映了整个频率的变化率，高比例的新能源，由于火电机组的逐步压减，实际上是非常缺惯量的，这也是电网安全非常重要的指标。
这是我们相应的波形，从这里看，我们一次调频的响应速度到了160毫秒，虚拟惯量指令响应速度到了280毫秒。可以看到，用储能来参与调频，对电网的安全性，在响应时间这块得到了巨大的提升。
这是我们去年年底有幸参与了三峡集团乌兰察布源网荷储一体化的示范项目。当时这个项目用了九种不同的储能技术，我们是作为飞轮储能的技术路线代表产品，现在这个项目已经完成了并网，最终的试验和验收应该今年可以完成。
我们前面的这些项目在能源领域应用得到了认可，山西和三峡的项目，去年也非常荣幸列入了国家能源局能源领域首台套重大装备项目的清单，这里面关于储能有八项技术，我们项目就是题目为“适用于新能源电站惯量和调频支撑的兆瓦级飞轮储能系统”。
最后，简单介绍一下我们公司。我们公司的技术来源是通过并购美国的VYCON公司，在沈阳进行产业化落地。目前我们基于美国的技术已经完成了全国唯一量产全磁悬浮飞轮的生产线，产能达到一千台。VYCON飞轮储能从2006年开始已经在全球部署超过3000台，应用了多个行业。
以上是我的全部介绍，谢谢大家！
