中國儲能網訊：2022年8月18日，國電投坎德拉（北京）新能源科技有限公司（以下簡稱國電投坎德拉）成功中標國家電投集團河南電力有限公司技術信息中心MW級先進飛輪儲能系統(tǒng)建設項目，飛輪儲能系統(tǒng)總裝機規(guī)模5MW/175kWh。
項目建成后，將實現(xiàn)國家電投集團河南電力有限公司獅子坪風電場一次調頻功能改造，將成為目前國內新能源一次調頻改造裝機功率最高、裝機容量最大的全容量飛輪儲能項目，也是全球首個采用全容量飛輪儲能系統(tǒng)完成新能源一次調頻改造的項目。
01、項目概況
河南獅子坪風電場隸屬于國家電投集團河南電力有限公司，位于河南省三門峽市陜州區(qū)，風電場安裝24臺2MW風力發(fā)電機組，總裝機容量48MW。獅子坪風電場送出線路接入220kV雁翎變電站35kV母線，經變電站升壓后并入電網。該項目計劃在國家電投獅子坪風電場交流35kV并網系統(tǒng)側配置5MW/175kWh的飛輪陣列儲能系統(tǒng)。效果圖如下：
河南電力有限公司信息中心MW級先進飛輪儲能系統(tǒng)建設項目效果圖
02、新能源一次調頻功能改造政策背景
2018年10月，國家能源局印發(fā)《電力系統(tǒng)網源協(xié)調技術規(guī)范》(DL/T 1870-2018)，要求：風電場、光伏發(fā)電站應具備一次調頻能力，并網運行時一次調頻功能始終投入并確保正常運行。
2019年12月，國家市場監(jiān)督管理總局、國家標準化管理委員會聯(lián)合發(fā)布強制性國家標準《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》（GB38755-2019）。要求：接入35kV及以上電壓等級電力系統(tǒng)的火電、水電、核電、燃氣輪機發(fā)電、光熱發(fā)電、抽水蓄能、風力發(fā)電、光伏發(fā)電及儲能電站等電源均應具備一次調頻、快速調壓、調峰能力，必要時應配置燃氣電站、儲能電站等靈活調節(jié)資源。該政策于2020年7月1日起正式實施。
2021年發(fā)布的《并網電源一次調頻技術規(guī)定及試驗導則》（GB/T 40595-2021）再次要求：接入35kV及以上電壓等級電力系統(tǒng)的火電、水電、核電、燃氣輪機發(fā)電、光熱發(fā)電、抽水蓄能、風力發(fā)電、光伏發(fā)電及儲能電站等并網電源，均應具備一次調頻功能，并對性能作出了具體要求。
根據國家相關政策，2021年7月，河南能源監(jiān)管辦印發(fā)了《關于進一步加強新能源并網運行管理的意見（試行）》，明確提出：新并網風電項目和集中式光伏發(fā)電項目原則上在投運前應具備一次調頻功能，已并網的項目應分批于2022年底前完成一次調頻功能改造。根據該文件，河南電力調度控制中心下發(fā)了《關于開展河南電網新能源場站一次調頻功能改造的通知》?！锻ㄖ芬?，對于本通知下發(fā)日后，新投產風電場及集中式光伏電站應在入網前具備一次調頻功能。已投運220千伏及以上電壓等級或整站100MW及以上容量并網的新能源場站于2021年12月31日前完成一次調頻功能改造；剩余的新能源場站于2022年12月31日前完成一次調頻功能改造。
根據《通知》要求，獅子坪風電場須在2022年底之前完成一次調頻功能改造。同時，根據“風電場、光伏發(fā)電站一次調頻死區(qū)設定0.05Hz，調差率設定3%，最大負荷限幅設定不小于額定負荷的10%”的規(guī)定，獅子坪風電場總裝機容量48MW，按照總裝機容量10%配置5MW/175kWh的飛輪陣列儲能系統(tǒng)，完成該風電場一次調頻改造。
《通知》要求一次調頻穩(wěn)定時間風電不超過15秒，飛輪陣列儲能系統(tǒng)額定功率5MW，有效容量175kWh，額定功率充放電時間超過120s，滿足風電場連續(xù)多個單向一次調頻指令。項目建成后，可滿足《通知》對獅子坪風電場一次調頻功能改造的要求。
03、飛輪儲能產品的優(yōu)勢
一次調頻作為常規(guī)機組的必備功能，主要針對變動幅度小、周期短的負荷波動。一次調頻具有快速響應、短時大功率、頻次高、持續(xù)時間短等特性，屬于典型的功率型應用場景。大型風電機組通過變流器控制，一般采取最大功率跟蹤策略，其風電機組轉子轉速與電網頻率解耦，不具備同步發(fā)電機組的頻率響應能力，如需具備一次調頻功能，需要采取一些方法。目前風電機組參與電網一次調頻常用的三種技術方案是基于風機轉子慣量控制、預留備用和配置儲能。
基于風機葉片轉子慣量參與一次調頻的基本原理是當電網頻率下降時，風機釋放部分轉子動能增大電磁功率輸出以達到功率支撐的目的；當電網頻率上升時，風機通過適度收槳減小電磁功率。此種調頻方案只需修改風機控制程序，不增加硬件成本，且對機組發(fā)電量影響較??；但在轉速恢復階段，會造成電網頻率二次跌落，尤其當風電機組支撐時間過長且系統(tǒng)中新能源機組占比較高時，二次跌落的幅度一般會遠超過頻率一次跌落的深度。不僅如此，長期高頻次采用轉子慣量控制的方法參與一次調頻，會對機組的壽命造成嚴重影響。
預留備用是通過風電機組槳距角控制通過降低風力機的風能捕獲效率，使機組工作在減載運行狀態(tài)，以預留為應對系統(tǒng)頻率波動而提供短期功率支持的備用容量。但槳距角控制也帶來諸多弊端，一方面因涉及機械變槳動作，響應速度較慢而無法完全滿足一次調頻要求；另一方面，長期的減載運行會給風電場站發(fā)電量造成巨大損失，按照10%裝機容量預留備用不限電地區(qū)發(fā)電量損失占比約18%，限電地區(qū)損失占比約11%。
配置儲能是在風電場內建設一定容量的具有響應一次調頻功能的儲能電站以完全承擔新能源電站的調頻任務。相比前兩種方式，儲能的調頻性能好，對機組影響最小，經濟性最好。
在儲能選擇方面，目前市場上主流的鋰電池由于自身充放電倍率（≤2C）的限制，與高倍率充放電電池相比，鋰電池做一次調頻需要配置更大的容量，提高了投資成本；而且，鋰電池囿于循環(huán)次數（通常為6000-8000次）的限制，頻繁大倍率充放電導致電池容量衰減過快，需要經常更換電芯，經濟性較差，且存在起火爆炸等安全隱患。
飛輪儲能系統(tǒng)具有響應速度快（毫秒級響應）、高倍率充放電（4C-100C）、循環(huán)壽命長（大于1000萬次）、存儲電量可精確度量（飛輪轉速精準對應電量）、安全性高（無起火爆炸危險）、運行環(huán)境友好（-40-50℃）等特性，非常符合一次調頻的應用需求。并且在一次調頻過程中，頻繁波動的負荷導致機組磨損較大，飛輪承擔小負荷波動下的調頻動作，可以極大減少機組的磨損。另外，飛輪儲能系統(tǒng)一次裝機可連續(xù)使用25年，與新能源機組壽命相仿，經濟性好，綜合性價比高，是實現(xiàn)新能源一次調頻改造的最佳儲能方式。
04、具體解決方案
國電投坎德拉順應新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢，前瞻研發(fā)，根據各省市一次調頻應用場景的不同需求，推出適用于火電、風電、光伏一次調頻和一次調頻獨立儲能電站應用場景的MW級飛輪儲能系統(tǒng)解決方案和一次調頻飛輪產品。1MW/10kWh和1MW/35kWh一次調頻飛輪產品，單機額定功率達MW級，有效充放電容量分別為10kWh、35kWh，額定功率充放電時間分別為36s、126s，充放電倍率高達100C、29C，滿足不同應用場景一次調頻需求，一次調頻質量達90%以上。
本項目選用國電投坎德拉1MW/35kWh一次調頻飛輪產品，額定功率充放電時長滿足風電場連續(xù)多個單向一次調頻指令。項目計劃采用5臺1MW/35kWh飛輪儲能系統(tǒng)單元組成5MW/175kWh飛輪陣列儲能系統(tǒng)。其中，通過4臺1MW/35kWh飛輪儲能系統(tǒng)并聯(lián)接入2套2MW儲能升壓一體機，形成2套2MW飛輪陣列儲能系統(tǒng)；另外1臺1MW/35kWh飛輪儲能系統(tǒng)接入1套1MW儲能升壓一體機，形成1套1MW飛輪陣列儲能系統(tǒng)；3套飛輪陣列儲能系統(tǒng)并聯(lián)接入220kV雁翎變電站35kV母線上，經變電站主變升壓至220kV后接入電網。系統(tǒng)拓撲如下圖所示：
5MW/175kWh飛輪陣列儲能系統(tǒng)電氣拓撲圖
新能源場站一次調頻電站通訊拓撲圖
飛輪儲能系統(tǒng)單元主要由飛輪、控制系統(tǒng)預制艙及PCS升壓一體機組成。其中，飛輪采用地坑預埋安裝方式；控制系統(tǒng)柜、制動電阻、水冷機、UPS、照明等集成在控制系統(tǒng)預制艙內；儲能雙向變流器（PCS）、升壓變壓器及其保護裝置、高壓進線負荷開關、熔斷器組合電器、通訊動力柜等集成在PCS升壓一體機內。
國電投坎德拉飛輪儲能系統(tǒng)控制系統(tǒng)預制艙和飛輪儲能單元
1MW/35kWh飛輪規(guī)格
1MW控制系統(tǒng)預制艙規(guī)格
05、國電投坎德拉公司簡介
國電投坎德拉（北京）新能源科技有限公司由國家電投集團科學技術研究院有限公司和坎德拉（深圳）新能源科技有限公司共同出資成立。國家電投集團科學技術研究院有限公司是國家電力投資集團的全資子公司，是國家電投集團的科技創(chuàng)新平臺、戰(zhàn)略決策支持機構、高層次科技人才聚集基地，具有強大的專家團隊和技術實力。
國電投坎德拉充分發(fā)揮中央研究院在先進多元化儲能技術、集成設計技術和坎德拉在飛輪儲能核心技術研發(fā)上的優(yōu)勢，聚焦電力輔助服務，主要研究以飛輪儲能技術為核心的多元化儲能系統(tǒng)規(guī)劃、設計、研發(fā)、集成、運維、培訓、產業(yè)化推廣及應用，為客戶提供適用于電力輔助服務的秒級、分鐘級及以上飛輪儲能產品及整體解決方案。
國電投坎德拉建立了一支高水平、多元化的研發(fā)隊伍，采用垂直產業(yè)鏈模式，實現(xiàn)飛輪儲能全部核心部件（飛輪、飛輪變流器、高速電機、磁軸承、電機控制器、磁軸承控制器等）的100%自主可控；基于IPD的產品開發(fā)流程，已形成成熟的功率型和容量型飛輪產品設計技術平臺，產品額定功率達100kW-1000kW，有效容量達0.5kWh-125kWh；具備飛輪儲能設計、生產、組裝、測試、運輸、安裝、運維全生命周期安全管理能力；在揚州、佛山建設大規(guī)模飛輪儲能生產基地，已具備批量化交付飛輪儲能系統(tǒng)的工程化能力。
國電投坎德拉部分產品實物圖
國電投坎德拉推出了滿足風電、光伏、火電一次調頻，輔助火電AGC調頻及制動能量回收等應用場景的系列產品。飛輪產品已成功應用于國電投集團內蒙古霍林河“源網荷儲用”創(chuàng)新示范項目。該項目裝機規(guī)模1MW/200kWh，是2021年國內電力輔助服務領域已裝機容量最大、裝機功率最高的飛輪儲能項目。項目對大規(guī)模飛輪儲能系統(tǒng)的工程化應用、并網運行、10臺以上飛輪的陣列協(xié)同控制以及應用于電力輔助服務的混合儲能系統(tǒng)控制策略等進行了技術驗證，對-40℃的極端惡劣環(huán)境下的飛輪儲能技術進行了工程化驗證。項目按照國家電投集團內部作業(yè)標準進行作業(yè)、驗收，與國電投中央研究院技術專家共同編制了《飛輪儲能安全工作規(guī)程》《飛輪儲能系統(tǒng)檢修規(guī)程》《飛輪儲能系統(tǒng)運行規(guī)程》《飛輪儲能系統(tǒng)操作流程》等多份標準文件。
