国能集团宁夏灵武发电厂-飞轮储能应用示范-研究分析报告

1、宁夏电力公司2国家能源投资集团有限责任公司（简称国家能源集团）于2017年11月28日正式挂牌成立，是经党中央、 国务院批准，由中国国电集团公司和神华集团有限责任公司联合重组而成的中央骨干能源企业，是集央企联 合重组、国有资本投资公司改革、创建世界一流示范企业、国有企业公司治理示范企业“四个试点”于一身 的中央企业，拥有煤炭、电力、运输、化工等全产业链业务，产业分布在全国31个省区市以及美国、加拿 大等10多个国家和地区，是全球规模最大的煤炭生产公司、火力发电公司、风力发电公司和煤制油煤化工 公司。2021年，国家能源集团资产总额18976亿元，营业总收入6908亿元，净利润618亿元，煤炭产

2、量5.7亿 吨，发电装机容量2.71亿千瓦，发电量11032亿千瓦时，供热量4.64亿吉焦，火电总装机量1.94亿千瓦，水 电装机容量1869万千瓦，风电总装机量4999万千瓦，新能源装机容量5859万千瓦。国能宁夏电力公司：煤炭产量、火电、风电、光伏宁夏灵武发电公司飞轮储能“火光储耦合示范项目”3宁夏灵武发电厂位于宁夏灵武，燃煤机组2x600MW；2x1000MW，宁东能源 化工基地建设的大型坑口电站。保障供电、供热、热电联供的大型重要机组。项目背景：宁夏地处西北，新能源占比较高，尤其是在当下新能源装机快速增加情况下，火电机组承担的任务转变为灵活 性调度资源，对火电机组的设备运行、安全可靠、

3、经济性带来压力。尤其是波动性的可再生能源的接入频繁的波动，对电 网的频率调节要求显著增加，而电网的频率稳定需要电源点的及时快速精准的支持。未来这种趋向具有普遍性。火电机组 需要探索更加灵活精准安全可靠，和有效益的调频能力。灵武发电机组的基本运行情况：飞轮储能技术发展，在我国取得重大突破。飞轮储能具有一些独特特性，国家能源集团组织科技力量进行探索，灵武 的飞轮储能调频项目是国家能源集团的重大科技示范项目，2021年10月份开始实施。专家团队飞轮储能群组多模态优化控制4刘吉臻院士：中国工程院院士，教授/博导，新能源电力系统国家重点实 验室主任，国家基础研究发展 (973)计划首席科学家，原 华北电

4、力大学校长。兼中国电机工程学会副理事长、英国 工程技术学会会士（FIET）、第十二届全国政协委员等。 获国家科技进步一等奖1项、二等奖2项，省部级奖项7项。房方 教授王玮 副教授吕游 副教授洪烽 讲师研发和项目团队5梁志宏： 国家能源宁夏电力公司原副总经理 博士张峰：国家能源宁夏电力公司生产部副主任梁志宏先进技术国际领先飞轮储能的技术和应用 2007年国家技 术发明一等奖 王志强院士技术源于航天卫星电力级储能飞轮全球领先飞轮储能技术源自航天领域，由航天卫星姿态控制飞轮秒级别飞轮电力级储能飞轮。由国 内自主核心技术研发为主导力量。磁悬浮储能飞轮产品：125kWh/630kW、7.5kWh/630

5、kW、2.2kWh/500kW和2.2kWh/30kW，1000kWh/4MW，单体储电量达到国际领先水平。应用领域：火电储能一次和二次辅助调频，机组灵活性，新能源场站一次调频、两小时级调峰储能。7卫星新型姿控储能两用飞轮高速磁悬浮 电动机3kWh秒级 储能飞轮100kg级磁悬浮转子3吨级本质安全 磁悬浮转子10吨级本质安全磁悬浮转子内蒙古重大科技 专项：新能源场 站一次储能调频50kWh 250kW125kWh 630kW22.68MW4.5MWh36台火储一次和 二次调频技术路线8技术路线：电力级磁悬浮飞轮储能总体：18MW/4.5MWh并联集成36台500kW/125kWh 特点：充放电

6、寿命20年以上功率特性100ms响应快速电-电转化高效率93%以上电能精准无热失控燃爆充放电零衰减低维护温度范围宽泛一致性好， 系统集成简单大功率15分钟级别的飞轮储能可实现机组一次二次调频迭代指令的全覆盖，高效率的实现快速、精 准、反复的调频动作特性，提升机组的灵活性、精准性、和安全性，为火电机组新形势转型下的转 型探索技术路线和运行模型。7月23号国家能源局文件明确提出飞轮储能作为新型储能技术路线进行规模化示范9总体技术方案：2*600MW机组+光伏6MW+储能飞轮22.68MW/15分/4.5MWh 飞轮储能总体占地及位置如图功能：耦合光伏和机组，快速、精准、灵活、长寿命的全面提高机组调

7、频能力工期：2022年10月20日总技术方案飞轮储能群组多模态优化控制10群 组 结 构关键问题：分析不同阵列拓扑下的飞轮储能群组的运行特性，优化飞轮储 能阵列控制系统设计，实现飞轮储能群组的多模态自治控制。11从频率快速响应和源-网价值聚合的角度，研究单体500kW/125kWh级大容量飞轮储能群组的容量配置方案；构建飞轮储能单元的多模态自治控制架构，研究局部故障情况下 维持储能单元运行的下限条件和安全范围，研制相应的可靠性控制系统。飞轮储能群组多模态优化控制实验室联合运行平台虚拟DCS飞轮仿真系统光火储耦合能源系统的 海量数据中心智能预测非线性协同控制与数字孪生系统数据建模与仿真优化控制飞

8、轮储能群组多模态优化控制灵武火电机组一次调频辅助调频系统总体结构图飞轮储能各子系统14储能飞轮磁悬浮轴承控制系统充放电变流器系统飞轮监测运行控制系统真空维持系统辅助电源系统储能飞轮磁悬浮轴承控制系统飞轮监测运行控制系统充放电变流器系统真空维持系统飞轮的研发最新状态15额定储电量125kWh，设计储电量135kWh，额定转速5400rpm额定恒功率500kW充放电转速区间42005400rpm多台并联阵列控制；可实现100MW、200MW或更大规模充电特性放电特性控制界面径向 磁轴承轴向 磁轴 承飞轮转子(储存动 能)发电/电动 机密 封 壳 体备用 轴承磁悬浮储能飞轮结构、组成和工作原理16储

9、能飞轮磁悬浮轴承控制系统充放电变流器系统飞轮监测运行控制系统真空维持系统辅助电源系统储能飞轮磁悬浮轴承控制系统飞轮监测运行控制系统充放电变流器系统真空维持系统充电：转子加速，电能转动能储存；放电：转子降速，动能转电能供给负荷； 电能动能电能高效率机电能量转换。第三代全磁悬浮-电力级-储能飞轮重型转子及磁悬浮及本质稳定控制技术40kW/40kWh飞轮转子 重2.6吨200kW/50kWh飞轮转子 重3.3吨500kW/125kWh飞轮转子 重11吨500kW/1000KWh/2小时 转子75吨4MW/1000kWh/15分钟 转子75吨低温升大功率低耗电机及控制技术采用电励磁同步磁阻电机；充电：

10、动态解耦矢量控制放电：直接功率控制/PWM整流控制系统集成技术飞轮本体/电机充放电控制/磁轴承控制/主控/阵列控制本质稳定轴向磁悬浮轴承 轴向最大悬浮力40000N径向磁悬浮轴承电励磁同步磁阻电机充放电控制系统40kVA/40kWh 飞轮电池200kVA/50kWh 飞轮电池控制系统磁悬浮飞轮电池关键技术技术优势飞轮电池VS锂电池19额定储电量：125kWh 15分钟 额定储能量：450MJ额定功率：500kW 峰值功率：630kW 直径：2.0米 高1.6米 转子重量：11吨总重：17吨转子支承：五自由度全磁悬浮轴承 设计寿命：20年应用领域：火电-储能一次和二次调频新能源场站-储能一次调频

11、电力级-飞轮储能储能产品制造与测试基地安徽华驰动能科技有限公司（安徽铜陵）20研发、生产制造全流程闭环P21储能规模：22.68MW飞轮储能系统 单体指标：630kW/125kWh/15分钟级阶段：2021年9月份启动；2022年8月部分飞轮接入试运行 集团重点科技项目全球最大规模飞轮储能项目22.68MW/15分钟全球第一个飞轮储能在火电机组的耦合调频应用全球单体储电能力参数630kW /125kWh/15分钟最高的飞轮华驰动能（北京）科技有限公司组织实施西北电力设计院设计国能宁夏灵武发电厂2*600MW火电机组配置22.68MW飞轮储能调频项目 灵武600MW燃煤机组一次调频动作23图中蓝线为机组实时出力（AGC出力与一次调频 动作量叠加） 绿线为机组一次调频动作曲线。24火电机组调频控制体系宁夏灵武电厂飞轮储能现场施工2022年3月2022年6月目前基础施工已经基本完成，部分飞轮已经运达现场，9月12台套飞轮集成试运行。 占地：4000平 ；地下安装；钢筋水泥地基；飞轮：36套飞轮并列集群26磁悬浮飞轮储能特性：充放电次数极高1000万次毫秒级响应电能调度精准放电倍率高提供系统惯量（重要的系统稳定性）占地面积小高低温适应调频应用的需求特征：充放电次数非常密集，500-1000次/天响应速度越快越好电能精准快速功率变化能力充放电能量要求小飞轮储能技术优势与调频需求的匹配关系