电力级磁悬浮储能飞轮技术及规模化应用分析报告-培训课件

全球能源转型-构建新型电力系统电力级磁悬浮储能飞轮技术202

年1

月

日航天技术

及技术衍生和各个阶段的发展国家电网内蒙古研发高速磁悬浮

3kWh秒级电动机UPS飞轮50kWh250kW125kWh630kW宁夏灵武全球首套飞轮耦合火电机组系统100kg级磁悬浮转子，1-3kWh储电的起步阶段航天卫星领域；卫星新型姿控储能两用飞轮3吨级本质安全磁悬浮转子10吨级本质安全磁悬浮转子世界首次突破100kWh4MW飞轮研制成功（全球最大功率）全球最大电力级规模集群应用199

-2007200

-2014

201

2017

2018-2019

2020-20212021.52023.8华驰动能创立于2019年11月，研发新型储能技术电力级储能飞轮，解决电力新能源系统“不稳定”卡核心技术发明专利70余项，软件著作权8项。磁悬浮储能飞轮产品：125kWh/630kW、7.5kWh/630kW、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：电力能源领域，新能源，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。2全球能源革命的大背景-新型能源系统的推进国家技术发明一等奖

军工核心技术升级转化突破了低功耗混合磁悬浮轴承及其控制技术和高速高效电机及其高精度控制技术，研制成功国内首台磁悬浮姿控储能两用飞轮；实现大功率大电量磁悬浮电力级飞轮储能装备工业化。突破关键技术升级磁悬浮支承技术低功耗磁悬浮轴承系统本质稳定控制大功率低温升高速高效电机高速高效驱动技术42000rpm高精度长寿命11吨重型转子大功率电力级飞轮：单体：大功率重型转子：500KW/125kwh/15分钟及单体4MW和1000kWh飞轮高转速、低功耗航天系统大电量第三代全磁悬浮-电力级-储能飞轮

磁悬浮储能飞轮结构、组成和工作原理◼

储能飞轮◼

磁悬浮轴承控制系统径向磁轴承◼

充放电变流器系统◼

飞轮监测运行控制系统◼

真空维持系统发电/电动机◼

冷却系统储能飞轮密充放电变流器系统真空维持系统飞轮转子辅助电源系统◼封壳体(储存动能)轴向磁轴承备用轴承磁悬浮轴承控制系统飞轮监测运行控制系统充电：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。发展：机械轴承技术→

机械结合磁悬浮的混合轴承技术

→

全磁悬浮技术8磁悬浮储能飞轮关键技术◼

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；本质稳定轴向磁悬浮轴承径向磁悬浮轴承充放电控制系统轴向最大悬浮力40000N电励磁同步磁阻电机➢

充电：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40kVA/40kWh200kVA/50kWh飞轮电池控制系统飞轮电池9技术特性—飞轮电池VS锂电池战略定位-国家能源转型重大装备需求11战略定位-国家能源转型重大装备需求12华北电力大学先进储能与控制联合实验室新能源国家重点实验室13生产制造全流程闭环

---

安徽铜陵制造基地/沈阳制造基地

制造与测试基地——安徽华驰动能科技有限公司（安徽铜陵）2020年启动的制造基地：组装、试验和测试基地、生产基地14完成的产品——航天卫星姿控动量轮⚫

2015年9月20日上午7时01分，中国长征六号新型运载火箭在太原卫星发射中心。⚫

中国首个储能动量飞轮航天天运行；⚫

打破了国内空白，国际封锁；⚫

战略卫星寿命提高5倍，对地拍摄精度提高一个数量级⚫

3个动量轮型号产品，已在轨运行4年2020年8月23日：航天东方红卫星公司研制的高分九号05卫星于酒泉卫星发射中心成功发射，卫星进入预定轨道。搭载华驰公司研制的航天动飞轮量4颗。高分辨率对地观测卫星2020.8.23

高分九号05卫星15完成的产品——国防储能飞轮2018年额定功率：40kVA储

电

量：40kWh额定功率持续放电时间：60分钟额定功率：200kVA储

电

量：50kWh额定功率持续放电时间：15分钟2018年底应用于某国防工程15分钟级飞轮UPS系统16主营业务：新型电力储能产品全球唯一一家：秒级-分钟级-小时级飞轮

三级跨度产品

秒级储能飞轮额定储电量：2kWh额定储能量：7.2MJ额定功率：500kW峰值功率：630kW转子支承：全磁悬浮设计寿命：20年体

积：直径0.7米、高0.7米重

量：1.2吨应用领域：飞轮UPS额定储电量：7.5kWh额定储能量：27MJ额定功率：500kW额定储电量：9kWh额定储能量：32.4MJ额定功率：300kW、600kW转子支承：全磁悬浮设计寿命：20年峰值功率：630kW转子支承：全磁悬浮设计寿命：20年体

积：直径1.05米、高0.73米重

量：2.5吨应用领域：一次调频和惯量响应体

积：直径0.8米、高1.4米重

量：3.3吨应用领域：一次调频和惯量响应17主营业务：新型电力储能产品

分钟级储能飞轮—电力调频飞轮产品额定储电量：50kWh额定储能量：180MJ额

定

功

率：600kW转

子

支

承：全磁悬浮设

计

寿

命：20年体

积：直径1.3米、高1.8米重

量：9.4吨额定储电量：125kWh额定储能量：450MJ额

定

功

率：630kW转

子

支

承：全磁悬浮设

计

寿

命：20年体

积：直径1.9米、高1.9米重

量：18吨额定储电量：139kWh额定储能量：500MJ额定功率：1200kW转子支承：全磁悬浮设计寿命：20年体

积：直径1.9米、高3.1米重

量：22.2吨应用领域：调频额定储电量：139kWh额定储能量：450MJ额定功率：4000kW转子支承：全磁悬浮设计寿命：20年体

积：直径1.9米、高3.8米重

量：32吨应用领域：调频应用领域：调频应用领域：调频18主营业务：新型电力储能产品

小时级储能飞轮

500KW/

2小时—电力顶峰支撑飞轮

-2小时全球最大参数额定储电量：1000kWh额定储能量：3600MJ额定功率：500kW转子支承：五自由度全磁悬浮轴承设计寿命：20年体重积：直径3.2米、高5米量：125吨应用领域：二次调频、调峰顶峰储能19主营业务：电力级-大型特大型储能飞轮“哪吒飞轮”

4MW/15分钟飞轮--单体1000kWh电力调峰储能飞轮产品全球最大参数哪吒B型号：额定功率：4000kW

连续输出15分钟额定储电量：1000kWh额定储能量：3600MJ额

定

功

率：4000kW转

子

支

承：五自由度全磁悬浮轴承设

计

寿

命：20年体重积：直径3.2米、高3.4米量：128吨应用领域：二次调频、调峰储能20应用场景-高精度快速调频◼

新能源场站一次调频：配储6~10%◼

火电、核电一、二次调频：配储3%、7.5~15分钟◼

火电灵活性升级：十四五两亿千瓦改造，配储10~20%，半小时或更长◼

独立储能调频：一次调频1~3分钟、二次调频15分钟◼

混合储能调频：一次调频1~3分钟、二次调频15分钟21单体630KW/125KWh磁悬浮飞轮储能电池◼

国家能源宁夏灵武60万火电机组调频项目应用2021年11月启动◼

安徽铜陵制造工厂现场测试◼

山西华电朔州火30万机组电调频2022年7月启动22工信部科技成果23飞轮储能技术优势与调频需求的匹配关系调频应用的需求特征：磁悬浮飞轮储能特性：⚫

充放电次数极高1000万次⚫

毫秒级响应⚫

充放电次数非常密集，500-1000次/天⚫

响应速度越快越好⚫

电能调度精准⚫

电能精准⚫

放电倍率高⚫

快速功率变化能力⚫

提供系统惯量（重要的系统稳定性）⚫

占地面积小⚫

充放电能量要求小⚫

高低温适应24全球储能飞轮

秒级→电力级（分钟到小时级别）的跨越小时级指标美国Amber中国华驰动能秒级飞轮：全球绝大部分的飞轮都是秒级的，额定放电

60秒内，主要是UPS全球广泛应用。储电量kWh321000分钟级电池：（属于电力级储能电池）额定功率放电15分钟，全球只有美国BEACON、加拿大Temporal等少数几家公司。功率8500-4000分钟级kW华驰动能在单体参数上位居全球第一。可进行火电调频的全覆盖能力，风光电的一次调频精准长久运行。加拿大美国指标

Beacon中国华驰动能法国Tem

LiveSysporal小时级飞轮：哪吒飞轮2小时Power储电量kWh秒

级25501040125500功率100250德国kW美国VYCON中国

中国

中国盾石

泓慧

华驰磁能

能源

动能PillerActivePower指标储电量kWh0.833001.212501.537.5单体储电量全球第一功率kW33525050019全球类型与国内外重大区别：研发15分钟-120分钟的磁悬浮电池技术，对应1000倍数以上的能源市场，该领域独具优势；区别于95%的其他飞轮技术❖秒级飞轮应用：飞轮UPS、脉冲能量缓冲器❖分钟级飞轮应用：火电调频、风电调频、电网调频、尖峰保障响应、UPS飞轮电池❖小时级飞轮应用：新能源发电调整、新能源优化并网、电网灵活性26技术指标—单体飞轮630kW/125kWh◼

大功率◼

大电量◼

15分钟级别◼

全球关键参数最大540027飞轮充放电曲线-恒功率段28低系统惯量趋势29新型电力系统中，三大关键问题30电力系统稳定性31飞轮储能-火电机组联合调频32某600MW燃煤机组一次调频动作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。一天

3000次以上，5秒以上的300多次33应用领域-电力电网调频（1）

核心领域飞轮储能电网调频技术优势及其明显电网应用调频，必须具备以下基本特征（区别调峰）⚫

安全性好：没有燃烧和爆炸的风险⚫寿命长：20年⚫

充放电次数足够：电网调频需求500-2000次/天⚫

可控调用性：精确调度；⚫

快速放电、快速充电⚫

响应快，毫秒级调峰：大能量跨时间搬移

（上图）⚫

宽温域：运行温度范围宽，无需空气调节；●

成本低：全生命周期运行成本低。●

单次充放电成本是锂电的1/250调频：安全性必要必备要求调峰：经济性允许下的要求火电机组的调频储能调频要求：快速、精确、充放电频率极高、单次充放电能量小34火电机组调频控制体系35具体：火电机组AGC/一次调频辅助调频—系统总体结构图36飞轮储能群组多模态优化控制

实现100MW级别集群面向调频的大容量飞轮储能群组优化控制技术群组结构关键问题：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。37国外：独立储能飞轮调频电站国外案例：电网侧独立储能飞轮调频电站38美国BeaconPower位于纽约和宾夕法尼亚的两个20MW飞轮储能调频电站案例一：国能宁夏灵武发电厂22.68MW飞轮储能调频项目储能规模：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；◼◼全球最大规模飞轮储能项目22MW一次调频、AGC调频◼

36台飞轮集成群组并联耦合火电机组◼◼◼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分钟最高飞轮华驰动能总包方；

西北电力设计院设计宁夏灵武电厂飞轮储能现场施工

2022年3月2022年11月第一台飞轮运行2023年3月

36套

22MW飞轮全部运行国家能源集团

宁夏灵武火电机组飞轮储能调频效果一次调频：

5秒以上的指令,

200-300次/天收益：一次调频积分电量，按照15元/kwh补偿，月收益300万/月国家能源集团宁夏灵武发电厂中国电力科学研究院院长、电网安全与节能国家重点实验室主任中国工程院郭剑波院士考察42国能灵武飞轮储能：火电+飞轮联合调频灵武项目4台飞轮接入系统参与AGC辅助调频中国华电山西朔州电厂全球首个飞轮储能耦合锂电AGC辅助调频重大科技创新示范项目2022年中国华电集团山西朔州电厂项目建设5MW/5MWh锂电池储能和2MW/0.4MWh/15分钟能量型飞轮储能，是火电机组混合储能联合调频示范性工程项目，也是华电集团2022年度重点科技项目。2023.3.31投运。项目建成后将在保障常规供电、供热、热电联供功能的同时，显著提升电厂机组AGC调频辅助服务能力，进一步提升传统火电厂的灵活性和经济效益。已安装飞轮

4台，单体飞轮参数630KW/

125kWh/15分钟；日收益

15-20万/日；参与调频和现货交易。2022年

该项目受到山西省委书记林武视察，全国政协副主席兼秘书长李斌视察44中国华电集团山西朔州火电厂2023年3月31日投运山西华电朔州火电飞轮-锂电耦合调频概况：300MW火电循环流化床机组，配置飞轮2MW+6MW锂电

联合机组调频案例三

内蒙古风电调频

飞轮重大科技专项◼

2020年8月，华驰动能联合国家电网内蒙古东部电力公司，获批内蒙古重大科技专项“单体1.2MW/139kWh/7分钟储能飞轮及其集成示范应用关键技术研究”，总容量6MW。◼

解决风电机组一次调频问题，缓解风电不稳定性对电网的负面安全扰动，极大支持风电全面稳定的接入高品质国家电网系统。46案例四

金风科技

风机调频◼

2022年6月，金风

订单

“

地井

式飞

轮储

能系统

”

应

用于

单台风

机的

一次

调频

，

飞轮

参数300kW/5kWh。◼

探索风机优化运行、彻底解决风机一次调频问题，配置比例：风机功率10%。常规风机升级为“高精度调频风机”

。2022年12月13日交付验收。47案例五

山西原平30MW飞轮储能独立储能站一次调频服务2023年5月开工

30MW飞轮+20MW锂电，单体4MW飞轮8台进行调频服务飞轮参数：单体4MW/112秒48火电机组山西调频收益参考（2*300MW）2020-201949火电调频收益参考（2*300MW）50山西火电机组储能调频收益51广东的火电机组储能调频收益情况52山西独立储能一次调频市场交易调频：◼

山西2022年5月18：国家能源局山西能监办

晋监能市场规（2022）1号文件：《山西电力一次调频市场交易实施细则（试行）》：电力一次调频服务收益：R=K

x

D

x

C

(分别是

：调节性能x

调节里程x

申报价格

)5.0-10.0元/MWK=K1*K2*K3（分别是：一次调频响应时间*

一次调频动作速率*

一次调频响应精度）◼

“频率超出一次调频死区，市场主体进行一次调频，至频率回到一次调频死区内，动作持续时间为t。t≤30秒，N=1；t＞30秒，每30秒计为一次动作有效次数。◼

调节里程：D=N*

∆Ps.max53山西一次调频收益-和满足调频指令性能的分析◼

案例:储能100MW一次调频R=K*D*C=6.0

*(100MW*

500次/天*

330天)*5元/MW=4.95亿/年◼

调频需求特征分析：⚫

一次调频动作的连续动态特性

：频率波动的幅度（0.05%额定功率下）很小，周期又短（一般10S），具有无法预测的随机性质的微小变动分量，需要系统及时、快捷补充（吸收）相应的有功功率，为一次调频。根据IEEE统计，电力系统综合的一次调节特性时间常数一般在10S左右；一次调频缩小频率偏差，无法维持频率在额定值水平。⚫

真正有效的能够具有实际价值和盈利的：分钟级别的飞轮系统，满足一次调频5分钟；AGC二次调频也满足

15分钟54山西一次调频收益-和满足调频指令性能的分析⚫

一次调频的充放电动作要求（各地区有各自特点）：500-1000次/天→20次/h-41次/h→1次/90秒-

1次/180秒→平均

1次动作/135秒，也就是每135秒里面，要发生一次调频动作充放电1次（10秒-30秒，平均15秒）。⚫

30秒持续的飞轮：实际充放电双向实际能支持

15秒的放电或者吸收，也就是可用完成1个指令，第二个同方向的指令都没办法完成。而这种2个的紧密连续同向指令（连续充电，或者连续放电的指令）是很常见和普遍。⚫

112秒分飞轮：实际单向是56秒工作持续，可连续完成同向的15秒的指令接近4个，连续的4个的指令同向的情况占比大幅度下降。⚫

300秒飞轮：实际单向是150秒的工作持续，可连续完成同向的15秒指令10个。连续的10个同向的指令在实际中应该占比很小了，只有极端情况下。⚫

所以，10

秒以上的飞轮对于一次调频的实际动作覆盖能力显著要强，对于调频的贡献率、合格率起到实质的支撑，反应在投资项目的收益，投资收益能力变强。55宁夏灵武火电运行飞轮调频数据：根据我公司灵武项目一次调频实际运行数据显示，11月7日00：00至17：28统计，共执行一