参与电网惯性响应和调频控制的飞轮储能阵列关键技术研究分析报告

1、第12届中国国际储能大会参与电网惯性响应和调频控制的 飞轮储能阵列关键技术研究姜新建清华大学电机系 1第12届中国国际储能大会目 录一、新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术 三、飞轮储能系统关键技术四、飞轮储能技术典型应用2第12届中国国际储能大会一、新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战习近平主席在第75届联合国大会提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的宏伟目标。2021年中央财经委第九次会议：要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高 利用效能

2、，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。传统发电新能源发电风电光伏水电核电火电输配电 系统10%22%58%新能源发电占比预测202020302060工业、交通用电农业用电国防、医疗用电商业用电办公、生活用电分布式电源电动汽车交流直流形成新型电 力系统发展 趋势新能源发电为主体电力电子化交直流混合灵活组网分布式平稳随机、间歇、 波动双向随机数字化、智能化、开放式3第12届中国国际储能大会严重危及电网的频率 稳定和安全运行电力系统的传统转动惯量极大降低电网超出一次调频死区的次数增加，几十次几百次/天风力发电渗透率达到34.71%，系统惯量大幅降低系统调频能力

3、不足，尤其是一次调频能力新型电力系统形态面临巨大转变与挑战：一、新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战火电机组退减电力电子变 流器直驱双馈光伏新能源大规模集中并网及高渗透率分散接入P - 功率t - 时间0出力稳定、惯量充足频率平稳、调频能力好发电功率电机转速（频率）P - 功率t - 时间0源端强随机、波动、等效 惯量很小且调频能力弱发电功率电机转速（频率）2019年英国大停电， 电网频率跌至 48.9Hz随机性 波动性 惯量缺失4第12届中国国际储能大会传统电力系统火电火电机组承担电网主要调频任务国标GB/T 30370-2013火力发电机组 一次调频试验及性能验收导则规定调频 功率占6%-1

4、0%总功率容量新型电力系统火电新能源新能源承担电网主要调频任务新国标GB/T 40595-2021并网电源一次调频技术规定及 试验导则规定新能源场站必须具备调频能力：调频功率不小于6%总功率容量一次调频滞后时间1s一次调频上升时间 2f飞轮可为电网提供远大于其固有惯量的等效虚拟惯性支撑飞轮对频率变化敏感，可频繁、迅速调整功率响应需求式中，Kfw vir、Kfw dp为飞储能的虚拟惯性系数和下垂系数式中， sfw为额定机械角速度efw0式中， 为机械角速度由于13第12届中国国际储能大会二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术提出调节因子：根据频差和飞轮荷电状态调整出力，控制飞轮的调频深度和敏感性

5、一次调频阶段的飞轮储能调频功率（下垂控制+虚拟惯性控制）频差调节因子fwsocdfvirdpdtP2 = (-K fw df K fwf )22maxdf= 1 exp(c | f |) 1 exp(c | f|)放电充电C1=10C1=30C1=30C1=10SOCcgSOCdiscg调节因子与频差和荷电量的关系荷电状态调节因子与荷电量的关系式中，soc、df分别为飞轮储能的荷电状态和频差调节因子飞轮的荷电状态SOCfw为：22efwfwfwsfwJ12SOC14第12届中国国际储能大会混合储能系统组成单台飞轮储能系统电池储能系统容量配比飞轮储能10MW电池组储能20MW直流母线并联交流母线

6、并联二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术二次调频阶段混合储能参与电网频率控制15第12届中国国际储能大会直流并联混合储能系统控制策略二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术飞轮-电池混合储能系统参与电网频率调节控制框图16第12届中国国际储能大会二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术飞轮储能系统飞轮储能阵列国外商业运行20MW级飞轮储能调频电站国内实现1MW级飞轮调频示范工程飞轮储能阵列控制单体飞轮储能系统往往不能满足有效调频需求， 在工程中需要采用飞轮阵列扩大调节功率17第12届中国国际储能大会二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术0*k f P P0 V V0 kV Q Q0 11f 1f

7、 2kkP1 : P2 :1212f 1f 2fN: SOCNk f 1SOC1 k f 2 SOC2 : P1:1:1Nkkk k fi SOCi fmaxP : P : SOC : SOC :传统的下垂控制及功率分配f * f改进下垂系数，改变功率分配，使SOC趋近于一致提出线性补偿和虚拟阻抗的改进下垂系数的控制框图改进下垂SOCkPI f0fcUc2fref U0 + -UmUdroopfdroop +PIUm+ + -refUqref补偿abc todq PQ Igrid_abcwLvirtualwL0virtualIdIq+ -dq toabcPWM交流并联的飞轮阵列调频调压控制技术

8、孤岛状态下，通过飞轮阵列功率控制，实现对电网的调频调压控制18第12届中国国际储能大会二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术调度中心飞轮阵列2控制飞轮1飞轮2飞轮3顶层中层底层直流母线交流母线飞轮阵列1控制飞轮阵列3 控制SOCTePg,Qg改进下垂控 制；基于等 转矩的功率 控制最大转矩电 流比控制孤岛：无通信并网：功率调度指令飞轮储能阵列控制并网状态下，通过飞轮阵列功率控制，实现对电网的调频控制上层：接受电网调度，调节出力；在原有的下垂控制基础上增加可调度功 率控制，接受上层的调度中层：改进下垂控制；基于等转矩的功率控制下层：最大转矩电流比控制19第12届中国国际储能大会二、飞轮储能电网惯

9、性响应和调频控制技术0i0fii0iP P * Pgggf f kkPi P0 Pps gf * f k P P i0Vii0ikQ Q * QgggV V k Qi Q00 Qps gV * V kQ Q可调度下 垂PQSOCPWMPI2fdroop fref Pg* + -PgUdroop+ PIUm+-mf0改进下垂系数1212f 1f 2fN: SOCNk f 1SOC1 k f 2 SOC2 : P 1 : 1 : 1Nkkk k fi SOCi fmaxP : P : SOC : SOC :带联络线的改进下垂控制调度指令飞轮储能阵列控制提出可调度的改进下垂控制策略并网状态下，在原有

10、的下垂控制基础上增加可调度功率控制，接受上层的调度。20第12届中国国际储能大会目 录一、新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术 三、飞轮储能系统关键技术四、飞轮储能技术典型应用21第12届中国国际储能大会三、飞轮储能系统关键技术飞轮储能系统参数功率：400kW 储能量：25MJ转速：18000rpm 充放电效率：85%飞轮转子：复合材料飞轮电机：多相永磁同步电机 轴承：5自由度磁悬浮轴承 充放电控制：三电平控制器冷却水机组变流器涡轮分子泵十三五国重飞轮储能项目样机22第12届中国国际储能大会1.飞轮转子材料和结构技术难点： 轴系动力学，解决动平衡问题 高强钢

11、/复合材料飞轮工艺学，解决强度和工艺问题研究成果：提出了4层组合弹性递变+逐层预应力实现自紧效应方法，解决了 复合材料飞轮开裂难题研制了30MJ大型复合材料飞轮，实现了750m/s高速运转 突破了5自由度全磁悬浮飞轮电机轴系超越挠曲临界的技术难题 同功率等级下，国际上未见强陀螺效应挠性轴系飞轮转子成功先例三、飞轮储能系统关键技术近似解析解有限元分析23第12届中国国际储能大会2.磁轴承技术难点： 主动式磁悬浮轴承(AMB)，解决稳定悬浮问题 混合磁轴承，解决大承载及稳定问题研究成果： 提出了磁路解耦的独立磁极式径向磁轴承与非对称轴向磁轴承新型结构， 提出了复杂磁路解耦与模态解耦、快速充放电转子

12、振动与稳定控制方法， 研制了大承载力纯电磁径向磁轴承和永磁偏置轴向磁轴承 磁轴承指标：承载力大于836kg、18000rpm时稳态悬浮功耗低于300W、 转子重量大于450kg等由轴承本体和控制系统组成磁轴承本体控制系统三、飞轮储能系统关键技术磁轴承高速运行监控情况24第12届中国国际储能大会提出了转子磁钢的绑扎紧固技术，解决高速转子结构强度问题。研制出18000rpm、 400kW、98%的12相永磁同步电机3.高速飞轮电机技术难点： 真空条件下的高速永磁电机的损耗分析及优化设计、解决真空散热问题 转子磁钢的绑扎紧固技术，解决高速转子磁钢强度问题研究成果： 提出了12相高速永磁同步电机新方案

13、，以及低损耗技术，解决 了真空下电机转子损耗发热难题。三、飞轮储能系统关键技术 ,k ,k 1,5,7,11, F ,k cos t cos k F ,k cos (t 15)cos k( 15)FA cos (t 30)cos k( 30) F cos (t 45) cos k( 45),k 1,3,5,7, F ,k 1,5,7,11, F ,k cos (t 120)cos k( 120) F ,k cos (t 135)cos k( 135)FB ,kcos (t 150)cos k( 150) F cos (t 165)cos k( 165),k 1,3,5,7, F ,k ,k 1

14、,5,7,11, F ,k cos (t 240)cos k( 240) F ,k cos (t 255)cos k( 255)FC cos (t 270)cos k( 270) F cos (t 285)cos k( 285),k 1,3,5,7, F,k 1,3,5,7, 1,5,7,11, 0,15,30,45,120,135,150, 165,240,255,270,285F F ,k cost k ( k) F ,k cost k ( k) k 0(mod 24)电机绕组磁动势：F FA FB FC25第12届中国国际储能大会4.充放电控制技术难点： 高速飞轮系统的充放电控制技术，解

15、决高基频和高性能问题 高速飞轮储能单元的控制技术，解决模块化问题 提出了多相高速永磁同步电机的基于有限集模型预测控制和基于无 速度传感器矢量控制的飞轮充放电控制策略。 提出了多相永磁同步电机控制系统的容错控制策略和电网高/低电压 穿越的控制策略。 提出了高基频三电平SiC/IGBT变流器功率电路模块化优化设计方案, 研制了400kW/800Hz /98.2%高基频三电平变流器研究成果：三、飞轮储能系统关键技术T型三电平变流器T型三电平变流器C1C2T型三电平变流器T型三电平变流器T型三电平变流器机侧变流器2机侧变流器1机侧变流器3T型三电平变流器网侧变流器1网侧变流器2网侧LCL滤波器LLg

16、2Cgg g1KguBC LmmCmL CmmC机侧变流器4mLCm同步电机A1B1 C1 A2 B2 十二相永磁 C2Lm A3B3C3A4B4C 4A mx飞轮转子gxi机侧LC滤波器iCH5:电网A相电流,比例:1A/VCH6:电机绕组1的A相电流,比例:1A/VCH1:电网线电压UabCH2:电机绕组1的线电压Uab测量值CH6CH2CH1CH5 模型预测控制飞轮系统框图试验波形26第12届中国国际储能大会三、飞轮储能系统关键技术5. 飞轮储能阵列控制技术难点： 阵列单体，解决各单体均衡控制、SOC等问题 阵列能量管理技术，解决阵列协调控制和优化问题 电网电压和频率的支撑技术，解决应用

17、场景问题研究成果： 提出了基于能量序列的飞轮阵列单体能量快速均衡控制技术 提出了基于动态分组与粒子群优化的飞 轮阵列效率-均衡协调控制技术 提出了基于多目标动态调节的飞轮阵列 区域电网电压/频率自适应支撑技术基于单体剩余容 量进行分组开始组1 组n SOC递减组1组 2 组x-1组x组x+1额定功率运行PSO优化待机结束组x+2 组n多目标优化算法单体能量-多目标优化结果飞轮阵列拓扑电压频率主动支撑和功率协调控制飞轮储能阵列监控系统阵列协调 控制模块飞轮单机控制指令电压频 率主动 支撑报表查询智能在线监控故障诊断系统指标总览阵列能量 管理模块外部指令输入飞轮阵 列协调 控制1#飞轮单机5#飞轮

18、单机阵列损耗-2多7 目标优化结果第12届中国国际储能大会三、飞轮储能系统关键技术并网变流器第三方测试报告飞轮电机及机侧变流器第三方测试报告飞轮单机第三方测试报告名称指标要求测量值额定功率（kW）400411额定容量（MJ）2530充放电响应时间（ms）3020充放电转换时间（ms）6021.4充放电频次（次/小时）104030频率支撑能力具备400kW，25MJ电压支撑能力具备400kVar电能质量治理能力具备THDi=1.63%28第12届中国国际储能大会目 录一、新型电力系统频率稳定面临的严峻挑战二、飞轮储能电网惯性响应和调频控制技术 三、飞轮储能系统关键技术四、飞轮储能技术典型应用29第12届中国国际储能大会四、飞轮储能技术典型应用典型应用飞轮储能调频电站十三五，清华大学牵头国家重点研发项目“MW级先进飞轮储能关键技术研究”，阵列参与电网一次调频控制，4台（400kW/25MW），电网调频示范工程飞轮储能火电联合调频飞轮储能新能源联合调频30第12届中国国际储能大会飞轮储能新能源联合调频飞轮储能火电联合