王大杰 GTR飞轮储能技术及其应用----储能国际峰会19517

王大杰 盾石磁能科技有限责任公司 轨道交通技术 负责人 GTR飞轮储能技术及其应用 GTR flywheel energy storage technology and its application 2019-05-15 1 盾石磁能科技有限责任公司 —— 成立于 2014年 ， 公司 收购源于欧洲最大铀浓缩公司 URENCO的飞轮技术公司 KTSI， 将先进的飞轮储能技术引入到国内 ， 拥有全部技 术知识产权 。 公司掌握短时高频次 、 快速响应的复合材料 高速飞轮技术 ， 在高强度复合材料飞轮 、 大功率高速电机 设计 、 制造及控制 、 磁悬浮轴承系统 、 能量管理与阵列控 制 、 飞轮技术应用等方面有核心技术优势 。 公司简介 2 GTR飞轮储能装置介绍 3 飞 轮储能属于一种物理储能方式，利用旋转体高速旋转时所具备的动能来 存储能量，通过电动 /发电一体化双向高效电机，实现电能和动能的双向变换。 飞轮存储能量 飞轮释放能量 原 理： E=1/2Jω 2 电 能 动 能 G Grand 短时 高频 次 T Touring 超长 寿命 R Racing 快速 响应 产品特性 4 负荷波动频繁的场合 动、势、位能与电能相互转 换的场 合 对电能质量要求高的场合 应用场景 5 磁 轴 承系 统 真空腔 针式轴承 碳纤维复 合转子 高速永 磁 电机定子 外壳 本体结构 6 高速永磁电机  结构紧凑体积小，效率高。  相对于传统电机，更高的频繁充放动作次数。 碳纤维复合转子  高强度、抗拉伸， MLC加工工艺。  相对钢制转子，无铜无铁损耗更低，转动惯量小 ，响应速度更快。 被动磁轴承  采用磁悬浮技术，无控制单元，不耗电，零磨损  相对于机械轴承，发热少，损耗低。 核心技术 7 模块化设计  ＞ 3000W/kg  1.58kwh  750/1500VDC  333kW*17s/台  1ms响应， 5ms全功率  40次全功率充放电 /h  深度充放电＞ 1000万次  1100mm*1550mm*2200mm/台  1500kg/台 8 一键启停 能量管 理单元 一键起停控制多个功率模块，本 地远程操作模式 状态监视 负载均衡 飞轮储能系统通过自身的功率控 制单元以及能量管理单元实现输 出功率的均衡 可以实现完整的运行状态参数显 示， SOC状态监控 ， 完善的故障 日志记录 。 能量管理单元 9 中国铁道科学院认证 中国电力科学院认证 ISO9001体系认证 公司飞轮产品提供中国人民保险公司 3年保险 GTR飞轮行业认证及质量认证 10 GTR飞轮在地铁领域应用方向介绍 11 再生制动能量回收与再利用 牵引网压支撑 应急支撑电源  制动能量即收即用 ， 不影响交流电网， 节约总牵引 电 能 的 15%-30%。  稳定牵引网压，保障列车稳定进行电制动，降低闸瓦磨耗 。  降低通风系统的能耗。 在地铁领域应用方向：再生制动能量回收与再利用 12 在长大区间或地形较复杂的区段，运量提升会造成线路中段网压跌落严重， 危及列车运行安全 ， 在此处安装飞轮储能装置 ， 在列车经过时辅助供电系统为列 车提供电能 ，支 撑牵引网压 ， 减少了另建变电所的投资和后期运营维护的高额支 出 。 在地铁领域应用方向：牵引网压支撑 13 当牵引供电系统出现故障时 ， 飞轮储能系统根据需要按照调度指令向 牵引网释放电能 ， 帮助列车行驶至前方最近站台 ， 便于疏散乘客 ！ 在地铁领域应用方向：应急支撑电源 14 GTR飞轮在北京地铁应用介绍 15 GTR飞轮在北京地铁的应用是国内 首个将飞轮储能技术应用于城市轨道 交通领域的项目，填补了我国在该领 域的空白。 一、对 城市轨道交通运营、维护具有重要 意义。 1、可 节约 15%至 30%牵引电 费支 出； 2、稳定直流牵引网压，改善牵引网电能质量； 3、使列车稳定进行电制动，降低闸瓦磨耗； 4、飞轮储能技术先进，维护简单，可大幅降低运维成本； 二、较原有制动能量管理技术更为先进、稳定及效益突出。 1、相比电阻消耗型装置，飞轮可以回收再利用列车制动电能； 2、相比中压能馈型装置，飞轮可实现即收即用，不会对交流电网产生 影响，同时兼顾稳定直流牵引网压的作用； 3、相比超级电容型装置，飞轮无容量衰减，循环充放次数多，安全性 高。 项目意义 16 三、对轨道交通行业的技术进步具有重要推动作用。 1、填补飞轮储能技术在国内轨道交通领域应用的空白； 2、为城市轨道交通再生电能回收带来更新更优的解决方案； 3、提高轨道交通行业供电系统的技术先进性。 四、在轨道交通产业采用飞轮储能技术符合国家重要政策指引方向。 五、对飞轮储能技术在国内轨道交通行业的广泛应用起到引领作用。 项目意义 17 充电 [值 ]kW 放电 [值 ]kW [值 ]V [值 ]V -2000-1900 -1800-1700 -1600-1500 -1400-1300 -1200-1100 -1000-900 -800-700 -600-500 -400-300 -200-100 0100 200300 400500 600700 800900 1000 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1 17 33 49 65 81 97 113 129 145 161 177 193 209 225 241 257 273 289 305 321 337 353 369 385 401 417 433 449 465 481 497 513 529 545 561 577 593 609 625 641 657 2019年 4月 17日北京广阳城地铁 1MW飞轮运行数据 飞轮储能系统吸收释放功率 /kW 直流母线电压 /V 应用效果 —— 飞轮运行数据 飞轮跟随牵引网波动进行响应，各台之间功率均衡，转速一致。 18 飞轮充放电功率大、 动作 频繁。 经统计，飞轮在一小时内全功率响应 次数为 44次，功率超过 75%深度响应频次为 103次 。 应用效果 —— 飞轮动作次数统计 19 应用效果 —— 节能数据统计 时间 飞轮装置总节电量 /kWh 牵引机组总耗电量 / kWh 节能率 4.27 1122 5102 22% 4.28 1247 6565 19% 4.29 1510 6786 22% 4.30 1632 6890 24% 5.8 1715 7213 24% 5.9 1785 7122 25% 5.10 1801 6998 26% 5.11 1484 5300 28% 5.12 1755 6784 26% 5.14 1719 6877 25% 20  1MW飞 轮每小时可节 约 80-100kWh；  1MW飞轮系统年节约电能 53-66万 kWh；  1MW飞轮系统节电率在＞ 19%。 当 飞轮 储能系统投入运行时 ，直流牵引网的最低 电压 为 752V；未投入 时 同等牵引工况下网压最低值为 710V，可将网压稳定在 750-900V。 应用效果 —— 稳定网压 21 GTR飞轮在电网电源领域应用 22 应用方向：  频率调节  UPS不间断电源 拉格伦镍矿 ---28MW 风能 -柴油微电网 2014年新增 3MW风力发电机 2018年新增 3MW风力发电机  飞 轮储能  锂电池储能  氢储能 该 系统每年可节省 5%的柴油燃料 —— 超 400多 万升。储能使风电穿透率从 15%上升到 25%。 https://www.nrcan.gc.ca/energy/funding/ current-funding-programs/eii/16662 频率调节 —— 拉格伦镍矿 23  飞轮、蓄电池调节涡轮功率  飞轮快速响应，吸收多余的能量并释放能量  蓄电池提供主要储能 飞轮与风机涡 轮运 行数据 频率调节 —— 拉格伦镍矿 飞轮、蓄电池、风力发电机组运行数据 24 费尔岛 – 无电池的岛状微电网  风力发电  柴油发电  飞轮储能 埃格岛 – 带电池的岛状微电网  风力发电  太阳能发电  水力发电  柴油发电 频率调节 —— 岛屿项目 — 苏格兰 25  岛上的电网频率允许范围为 49-54Hz ，频率波动较大。  加入飞轮使频率更稳定 2013.12.4埃格岛电网频率偏差 频率调节 —— 岛屿项目 — 埃格岛 26  飞 轮安装前某天频率偏差的柱状 图，可看出频率在 50.5-52.5之 间波动，波动范围较大。  安 装飞轮后某天频率偏差的柱状 图，可 以清楚地看出飞轮对岛屿 电网频率的影响，加飞轮使频率 稳定 在 52Hz。 频率调节 —— 岛屿项目 — 埃格岛 27  此图表是一天内水电站发电量的 柱状图，范围从 20kW到 80kW。  (偏差 60 kW)  此图表是安装飞轮后正常一天内 水电站发电量的柱状图。  可以明显的看到，在这一天，飞 轮将输出功率稳定在 25到 45kW之 间。  (偏差 20 kW) 艾格电网的水电站柱状图 04/12/2013 艾格电网的水电站柱状图 04/12/2014 频率调节 —— 岛屿项目 — 埃格岛 28  安装 飞 轮 前 的水电输出功率  安装飞轮后水电输出功率  结果 表 明水电输出更稳定，极端 功率事 件 减 少 。 艾格电网的水电站输出功率 04/12/2013 艾格电网的水电站输出功率 04/12/2014 图 4-22 安装飞轮前（左）和安装飞轮后（右）水电站输出功率偏差对比 频率调节 —— 岛屿项目 — 埃格岛 29