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具有储能功能的调相机装置

成果介绍

  随着新能源在电网中的装机占比越来越高，电力系统电力电子化特性愈加凸显，电力系统中的旋转装备用容量及转动惯量逐渐减少，给电力系统安全稳定运行带来了越来越大的压力。新能源尤其是光伏缺乏真实的旋转惯量，导致系统频率变化剧烈，频率衰减更快，不能提供充足的时间给频率响应可能引发低频减载，严重时引发电力系统崩溃。国电投坎德拉公司联合国家电投科学技术研究院储能所，共同研发了具备惯量支撑作用的新型飞轮系统。具备惯量支撑作用的新型飞轮系统工作原理近似同步发电机组，可提供真实的旋转惯量，优于虚拟同步机等惯量方案，同时可兼具一次调频、无功补偿等功能。有效缓解未来新能源高占比情况下电力系统低转动惯量的困局，提高新型电力系统稳定性，确保电网安全。

  具备惯量支撑作用的新型飞轮系统的主要产品参数为额定功率为100kW，有效充放电量10kWh，额定工作转速区间在2000-4000rpm，转动惯量547kg·m²，重量7000kg，尺寸为φ1470mm*H2450mm，控制系统柜重量小于1000kg，控制系统柜尺寸1000mm*900mm*2200mm（W*D*H），安装方式为飞轮储能单元地坑预埋、控制系统柜室内安装。

创新亮点

  具备惯量支撑作用的新型飞轮系统在新型飞轮储能系统产品设计、惯量传导装置等难点上实现技术突破，填补了国内在惯量轮设计和开发领域的空白。技术先进性具体表现为：

  （1）新型飞轮储能系统拓扑，建立了同时兼顾惯量支撑和调频的新型支撑电网动态调整系统拓扑，利用该技术实现该系统即具备功率扰动分配、惯量响应等基本功能，解决后期电网由于火电机组占比低带来的低转动惯量的核心电网稳定性问题；同时具备一次调频和二次调频能力或者潜力。

  （2）惯量传导装置，通过双馈电机、刚性联轴、动密封技术，实现飞轮储能系统中惯量传导功能，解决能量传递、惯量传导等问题。同时建立了基于惯量传导装置、飞轮储能单元、双馈电机在内的复杂转子动力学仿真设计模型，通过有限元法或传递矩阵法建立轴系-支承-壳体的耦合动力学模型并进行整机振动噪声仿真分析及最优化。

  （3）飞轮储能高真空系统，为保证系统更低的运行损耗和更高的效率，开发了创新型的分子真空系统，采用仿真软件对飞轮轴上泵转子进行设计校核，同时采用流体动力学方法（CFD法）或直接模拟蒙特卡罗法（DSMC法）仿真，在飞轮轴上设计合理的螺旋槽结构，同时在定子部分加装经特殊设计的飞轮系统真空组件，实现小于1Pa的分子真空技术。

  除此之外，基于该成果开展了对新能源电站配置的新型飞轮储能系统装置的标准研究，为后续火电转动惯量缺失的情况下，提出惯量响应相应的企业或者行业标准建议；展开基于与微电网连接的飞轮能量系统管理标准与建模仿真的标准研究。

市场前景

  该成果主要应用场景为火电、水电、燃气和核电机组等电源侧的惯量补充兼具一次调频功能，光伏新能源电站的市场以及电网等，市场前景广阔。目前市场上无类似产品，公司开发的惯量轮产品填补了惯量支撑飞轮的市场空白，具有极强的市场竞争力和可推广性。

效益分析

  社会经济效益方面，惯量轮具备功率扰动自动分配、惯量响应以及一次调频等快速动作能力，大规模投运后，能有效缓解未来新能源高占比情况下电力系统低转动惯量的困局；规模性投入电网侧及电源侧后，能大幅度提高高压长距离电网输运稳定性；该新型储能系统规模小并入微网后，能增加电网稳定性。

  推动行业进步方面，通过惯量轮系统的设计、制造，填补了国内行业内相关领域的空白，制定相应的新型飞轮储能系统惯量响应相应标准，为后续在电力行业内推行提供参考。