國能集團寧夏靈武發(fā)電廠-飛輪儲能應用示范-研究分析報告

1、寧夏電力公司2國家能源投資集團有限責任公司（簡稱國家能源集團）于2017年11月28日正式掛牌成立，是經(jīng)黨中央、 國務院批準，由中國國電集團公司和神華集團有限責任公司聯(lián)合重組而成的中央骨干能源企業(yè)，是集央企聯(lián) 合重組、國有資本投資公司改革、創(chuàng)建世界一流示范企業(yè)、國有企業(yè)公司治理示范企業(yè)“四個試點”于一身 的中央企業(yè)，擁有煤炭、電力、運輸、化工等全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務，產(chǎn)業(yè)分布在全國31個省區(qū)市以及美國、加拿 大等10多個國家和地區(qū)，是全球規(guī)模最大的煤炭生產(chǎn)公司、火力發(fā)電公司、風力發(fā)電公司和煤制油煤化工 公司。2021年，國家能源集團資產(chǎn)總額18976億元，營業(yè)總收入6908億元，凈利潤618億元，煤炭產(chǎn)

2、量5.7億 噸，發(fā)電裝機容量2.71億千瓦，發(fā)電量11032億千瓦時，供熱量4.64億吉焦，火電總裝機量1.94億千瓦，水 電裝機容量1869萬千瓦，風電總裝機量4999萬千瓦，新能源裝機容量5859萬千瓦。國能寧夏電力公司：煤炭產(chǎn)量、火電、風電、光伏寧夏靈武發(fā)電公司飛輪儲能“火光儲耦合示范項目”3寧夏靈武發(fā)電廠位于寧夏靈武，燃煤機組2x600MW；2x1000MW，寧東能源 化工基地建設的大型坑口電站。保障供電、供熱、熱電聯(lián)供的大型重要機組。項目背景：寧夏地處西北，新能源占比較高，尤其是在當下新能源裝機快速增加情況下，火電機組承擔的任務轉(zhuǎn)變?yōu)殪`活 性調(diào)度資源，對火電機組的設備運行、安全可靠、

3、經(jīng)濟性帶來壓力。尤其是波動性的可再生能源的接入頻繁的波動，對電 網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)要求顯著增加，而電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定需要電源點的及時快速精準的支持。未來這種趨向具有普遍性?；痣姍C組 需要探索更加靈活精準安全可靠，和有效益的調(diào)頻能力。靈武發(fā)電機組的基本運行情況：飛輪儲能技術(shù)發(fā)展，在我國取得重大突破。飛輪儲能具有一些獨特特性，國家能源集團組織科技力量進行探索，靈武 的飛輪儲能調(diào)頻項目是國家能源集團的重大科技示范項目，2021年10月份開始實施。專家團隊飛輪儲能群組多模態(tài)優(yōu)化控制4劉吉臻院士：中國工程院院士，教授/博導，新能源電力系統(tǒng)國家重點實 驗室主任，國家基礎研究發(fā)展 (973)計劃首席科學家，原 華北電

4、力大學校長。兼中國電機工程學會副理事長、英國 工程技術(shù)學會會士（FIET）、第十二屆全國政協(xié)委員等。 獲國家科技進步一等獎1項、二等獎2項，省部級獎項7項。房方 教授王瑋 副教授呂游 副教授洪烽 講師研發(fā)和項目團隊5梁志宏： 國家能源寧夏電力公司原副總經(jīng)理 博士張峰：國家能源寧夏電力公司生產(chǎn)部副主任梁志宏先進技術(shù)國際領先飛輪儲能的技術(shù)和應用 2007年國家技 術(shù)發(fā)明一等獎 王志強院士技術(shù)源于航天衛(wèi)星電力級儲能飛輪全球領先飛輪儲能技術(shù)源自航天領域，由航天衛(wèi)星姿態(tài)控制飛輪秒級別飛輪電力級儲能飛輪。由國 內(nèi)自主核心技術(shù)研發(fā)為主導力量。磁懸浮儲能飛輪產(chǎn)品：125kWh/630kW、7.5kWh/630

5、kW、2.2kWh/500kW和2.2kWh/30kW，1000kWh/4MW，單體儲電量達到國際領先水平。應用領域：火電儲能一次和二次輔助調(diào)頻，機組靈活性，新能源場站一次調(diào)頻、兩小時級調(diào)峰儲能。7衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪高速磁懸浮 電動機3kWh秒級 儲能飛輪100kg級磁懸浮轉(zhuǎn)子3噸級本質(zhì)安全 磁懸浮轉(zhuǎn)子10噸級本質(zhì)安全磁懸浮轉(zhuǎn)子內(nèi)蒙古重大科技 專項：新能源場 站一次儲能調(diào)頻50kWh 250kW125kWh 630kW22.68MW4.5MWh36臺火儲一次和 二次調(diào)頻技術(shù)路線8技術(shù)路線：電力級磁懸浮飛輪儲能總體：18MW/4.5MWh并聯(lián)集成36臺500kW/125kWh 特點：充放電

6、壽命20年以上功率特性100ms響應快速電-電轉(zhuǎn)化高效率93%以上電能精準無熱失控燃爆充放電零衰減低維護溫度范圍寬泛一致性好， 系統(tǒng)集成簡單大功率15分鐘級別的飛輪儲能可實現(xiàn)機組一次二次調(diào)頻迭代指令的全覆蓋，高效率的實現(xiàn)快速、精 準、反復的調(diào)頻動作特性，提升機組的靈活性、精準性、和安全性，為火電機組新形勢轉(zhuǎn)型下的轉(zhuǎn) 型探索技術(shù)路線和運行模型。7月23號國家能源局文件明確提出飛輪儲能作為新型儲能技術(shù)路線進行規(guī)?；痉?總體技術(shù)方案：2*600MW機組+光伏6MW+儲能飛輪22.68MW/15分/4.5MWh 飛輪儲能總體占地及位置如圖功能：耦合光伏和機組，快速、精準、靈活、長壽命的全面提高機組調(diào)

7、頻能力工期：2022年10月20日總技術(shù)方案飛輪儲能群組多模態(tài)優(yōu)化控制10群 組 結(jié) 構(gòu)關(guān)鍵問題：分析不同陣列拓撲下的飛輪儲能群組的運行特性，優(yōu)化飛輪儲 能陣列控制系統(tǒng)設計，實現(xiàn)飛輪儲能群組的多模態(tài)自治控制。11從頻率快速響應和源-網(wǎng)價值聚合的角度，研究單體500kW/125kWh級大容量飛輪儲能群組的容量配置方案；構(gòu)建飛輪儲能單元的多模態(tài)自治控制架構(gòu)，研究局部故障情況下 維持儲能單元運行的下限條件和安全范圍，研制相應的可靠性控制系統(tǒng)。飛輪儲能群組多模態(tài)優(yōu)化控制實驗室聯(lián)合運行平臺虛擬DCS飛輪仿真系統(tǒng)光火儲耦合能源系統(tǒng)的 海量數(shù)據(jù)中心智能預測非線性協(xié)同控制與數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模與仿真優(yōu)化控制飛

8、輪儲能群組多模態(tài)優(yōu)化控制靈武火電機組一次調(diào)頻輔助調(diào)頻系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖飛輪儲能各子系統(tǒng)14儲能飛輪磁懸浮軸承控制系統(tǒng)充放電變流器系統(tǒng)飛輪監(jiān)測運行控制系統(tǒng)真空維持系統(tǒng)輔助電源系統(tǒng)儲能飛輪磁懸浮軸承控制系統(tǒng)飛輪監(jiān)測運行控制系統(tǒng)充放電變流器系統(tǒng)真空維持系統(tǒng)飛輪的研發(fā)最新狀態(tài)15額定儲電量125kWh，設計儲電量135kWh，額定轉(zhuǎn)速5400rpm額定恒功率500kW充放電轉(zhuǎn)速區(qū)間42005400rpm多臺并聯(lián)陣列控制；可實現(xiàn)100MW、200MW或更大規(guī)模充電特性放電特性控制界面徑向 磁軸承軸向 磁軸 承飛輪轉(zhuǎn)子(儲存動 能)發(fā)電/電動 機密 封 殼 體備用 軸承磁懸浮儲能飛輪結(jié)構(gòu)、組成和工作原理16儲

9、能飛輪磁懸浮軸承控制系統(tǒng)充放電變流器系統(tǒng)飛輪監(jiān)測運行控制系統(tǒng)真空維持系統(tǒng)輔助電源系統(tǒng)儲能飛輪磁懸浮軸承控制系統(tǒng)飛輪監(jiān)測運行控制系統(tǒng)充放電變流器系統(tǒng)真空維持系統(tǒng)充電：轉(zhuǎn)子加速，電能轉(zhuǎn)動能儲存；放電：轉(zhuǎn)子降速，動能轉(zhuǎn)電能供給負荷； 電能動能電能高效率機電能量轉(zhuǎn)換。第三代全磁懸浮-電力級-儲能飛輪重型轉(zhuǎn)子及磁懸浮及本質(zhì)穩(wěn)定控制技術(shù)40kW/40kWh飛輪轉(zhuǎn)子 重2.6噸200kW/50kWh飛輪轉(zhuǎn)子 重3.3噸500kW/125kWh飛輪轉(zhuǎn)子 重11噸500kW/1000KWh/2小時 轉(zhuǎn)子75噸4MW/1000kWh/15分鐘 轉(zhuǎn)子75噸低溫升大功率低耗電機及控制技術(shù)采用電勵磁同步磁阻電機；充電：

10、動態(tài)解耦矢量控制放電：直接功率控制/PWM整流控制系統(tǒng)集成技術(shù)飛輪本體/電機充放電控制/磁軸承控制/主控/陣列控制本質(zhì)穩(wěn)定軸向磁懸浮軸承 軸向最大懸浮力40000N徑向磁懸浮軸承電勵磁同步磁阻電機充放電控制系統(tǒng)40kVA/40kWh 飛輪電池200kVA/50kWh 飛輪電池控制系統(tǒng)磁懸浮飛輪電池關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)優(yōu)勢飛輪電池VS鋰電池19額定儲電量：125kWh 15分鐘 額定儲能量：450MJ額定功率：500kW 峰值功率：630kW 直徑：2.0米 高1.6米 轉(zhuǎn)子重量：11噸總重：17噸轉(zhuǎn)子支承：五自由度全磁懸浮軸承 設計壽命：20年應用領域：火電-儲能一次和二次調(diào)頻新能源場站-儲能一次調(diào)頻

11、電力級-飛輪儲能儲能產(chǎn)品制造與測試基地安徽華馳動能科技有限公司（安徽銅陵）20研發(fā)、生產(chǎn)制造全流程閉環(huán)P21儲能規(guī)模：22.68MW飛輪儲能系統(tǒng) 單體指標：630kW/125kWh/15分鐘級階段：2021年9月份啟動；2022年8月部分飛輪接入試運行 集團重點科技項目全球最大規(guī)模飛輪儲能項目22.68MW/15分鐘全球第一個飛輪儲能在火電機組的耦合調(diào)頻應用全球單體儲電能力參數(shù)630kW /125kWh/15分鐘最高的飛輪華馳動能（北京）科技有限公司組織實施西北電力設計院設計國能寧夏靈武發(fā)電廠2*600MW火電機組配置22.68MW飛輪儲能調(diào)頻項目 靈武600MW燃煤機組一次調(diào)頻動作23圖中藍線為機組實時出力（AGC出力與一次調(diào)頻 動作量疊加） 綠線為機組一次調(diào)頻動作曲線。24火電機組調(diào)頻控制體系寧夏靈武電廠飛輪儲能現(xiàn)場施工2022年3月2022年6月目前基礎施工已經(jīng)基本完成，部分飛輪已經(jīng)運達現(xiàn)場，9月12臺套飛輪集成試運行。 占地：4000平 ；地下安裝；鋼筋水泥地基；飛輪：36套飛輪并列集群26磁懸浮飛輪儲能特性：充放電次數(shù)極高1000萬次毫秒級響應電能調(diào)度精準放電倍率高提供系統(tǒng)慣量（重要的系統(tǒng)穩(wěn)定性）占地面積小高低溫適應調(diào)頻應用的需求特征：充放電次數(shù)非常密集，500-1000次/天響應速度越快越好電能精準快速功率變化能力充放電能量要求小飛輪儲能技術(shù)優(yōu)勢與調(diào)頻需求的匹配關(guān)系