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新型儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要支撐。相較于長時能量型儲能，功率型儲能是平抑未來新型電力系統(tǒng)光伏風(fēng)電沖擊的重要靈活調(diào)節(jié)性資源。飛輪儲能作為可商用的成熟功率型儲能技術(shù)，具備高功率、高能量密度、快速充放電、長壽命、安全環(huán)保、占地小等優(yōu)點，是適用城市負(fù)荷中心的可行儲能技術(shù)路線。近期，結(jié)合本市能源發(fā)展工作實際，圍繞新型儲能技術(shù)應(yīng)用，節(jié)能環(huán)保中心赴北京地鐵有關(guān)站點調(diào)研了飛輪儲能示范項目建設(shè)運行情況，在此基礎(chǔ)上，深入分析本市飛輪儲能技術(shù)重點應(yīng)用場景，并提出飛輪儲能發(fā)展建議，為北京構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，促進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型提供支撐。

一、飛輪儲能技術(shù)

（一）飛輪儲能原理

飛輪儲能是利用雙向電機（電動或發(fā)電模式）驅(qū)動大慣量飛輪高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電能與飛輪機械能之間相互轉(zhuǎn)換的一種技術(shù)，通常工作在每分鐘30000轉(zhuǎn)左右高速狀態(tài)。充電時電機工作在電動機模式，吸收外部電能驅(qū)動飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子動能儲存；放電時電機工作在發(fā)電機模式，將高速轉(zhuǎn)子制動降速發(fā)電，將飛輪動能轉(zhuǎn)化為電能向外輸出。

（二）國內(nèi)外典型應(yīng)用

飛輪儲能已應(yīng)用在軌道交通制動能量回收、企業(yè)級不間斷電源（UPS）、電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)與穩(wěn)定、微電網(wǎng)以及衛(wèi)星和空間站姿態(tài)控制、電磁彈射等領(lǐng)域。商業(yè)飛輪儲能項目主要集中在歐美地區(qū)，如紐約、里昂、倫敦、洛杉磯、巴黎和德國漢諾威等城市軌道交通項目，以及英國海島微電網(wǎng)、加拿大微電網(wǎng)項目。國內(nèi)飛輪儲能項目剛剛起步示范，如北京地鐵房山線廣陽城站飛輪儲能、北京鐵路局邯長線飛輪儲能和武漢光谷空中軌道飛輪儲能等試運行項目，以及北京地鐵6號線花園橋站、車公莊西站飛輪儲能等在建示范項目。此外，飛輪儲能也在保定工業(yè)園區(qū)智能微電網(wǎng)、浙江大學(xué)微電網(wǎng)、山西電網(wǎng)調(diào)頻等電力項目得到應(yīng)用。

二、北京地鐵飛輪儲能示范

（一）項目背景及基本情況

城市軌道交通因其客運量大、運行速度快、正點率高等優(yōu)點，成為滿足市民出行、緩解城市交通擁堵的關(guān)鍵技術(shù)方案之一。隨著開行車次加密、速度提升，列車啟停頻繁，啟動、制動時需要消耗大量電能，影響列車供電可靠和設(shè)備安全。據(jù)統(tǒng)計，城市軌道交通列車制動產(chǎn)生的能量可達(dá)到牽引系統(tǒng)耗能的20%—40%以上。

2018年北京地鐵率先開展地鐵再生制動能量回收利用研究。2019年房山線廣陽城站完成飛輪型再生能量回收項目掛網(wǎng)試驗。該項目是我國首個應(yīng)用飛輪儲能技術(shù)的地鐵項目，引領(lǐng)國內(nèi)軌道交通行業(yè)飛輪型再生制動能量系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，為我國軌道交通行業(yè)綠色節(jié)能發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支撐。

飛輪儲能技術(shù)，其吸收列車進(jìn)站制動動能并存儲，在出站時釋放所存能量，驅(qū)動列車啟動。充放電可達(dá)10萬次以上，使用壽命超過20年，安全穩(wěn)定，維護(hù)簡單，可大幅節(jié)省運營維護(hù)工作量及投入。飛輪儲能裝置屬物理儲能，綠色環(huán)保，安全可靠，對環(huán)境無污染、噪音小、占地面積小，功率密度大且采用模塊化設(shè)計，布置靈活，方便擴容，與供電系統(tǒng)接口簡單。

地鐵房山線廣陽城站飛輪儲能試驗項目設(shè)計功率1兆瓦（按GTR飛輪儲能產(chǎn)品規(guī)格需設(shè)置3臺，單臺容量為333千瓦），存儲容量為11千瓦時。最高轉(zhuǎn)速36000轉(zhuǎn)/分鐘，工作電壓直流750/1500伏，實現(xiàn)1毫秒瞬時響應(yīng)，5毫秒達(dá)到全功率。充放電效率單向93%，雙向87%。2021年地鐵6號線花園橋站、車公莊西站啟動建設(shè)飛輪儲能裝置，替換原有電阻制動設(shè)備，花園橋站安裝1兆瓦、車公莊西站安裝2兆瓦，現(xiàn)已進(jìn)入設(shè)備安裝調(diào)試階段。

（二）應(yīng)用效果分析

1.節(jié)能減排。廣陽城站1兆瓦飛儲能系統(tǒng)平均每小時回收節(jié)約電量93.55千瓦時，日均節(jié)電量約為1450千瓦時，全年節(jié)電量可達(dá)到52.92萬千瓦時，折合減少二氧化碳排放529噸。車公莊西站采用飛輪儲能后，6臺飛輪全部投入每天平均節(jié)電量為1380.12千瓦時。

2.電網(wǎng)調(diào)節(jié)及穩(wěn)壓。廣陽城站1兆瓦飛輪儲能裝置將直流牽引網(wǎng)電壓波動由700-928伏穩(wěn)定到750-900伏。車公莊西站制動電阻更換飛輪儲能后，將直流牽引網(wǎng)電壓波動由1830-1861伏基本穩(wěn)定在1830伏以下，起到供電網(wǎng)電壓支撐作用，消除了列車啟停對車輛繼電保護(hù)的安全威脅和對外部電網(wǎng)造成的諧波污染。

3.應(yīng)急電源。在外部供電斷開情況下，廣陽城站試驗獨立采用1兆瓦飛輪儲能裝置供電牽引列車前行，到飛輪電量用完時列車行進(jìn)450米，速度達(dá)到11千米/小時，依靠慣性列車最終滑行距離超過1000米，到達(dá)站臺安全?？浚嬖鰪姷罔F應(yīng)對供電中斷的突發(fā)情況及保障安全運營的搶險能力。

4.環(huán)境效益。因車站設(shè)備布置空間緊張，地鐵制動電阻配置受限，需要配置冷卻風(fēng)機散熱，噪聲大引起擾民。更換飛輪儲能后，列車制動能量大部分被回收再利用，減少車站和制動間冷卻功率，風(fēng)機噪聲大幅降低。在車公莊西站初步測試，晝間距飛輪儲能設(shè)備房間墻壁1米處噪音平均值為56分貝（遠(yuǎn)低于85分貝的標(biāo)準(zhǔn)上限），滿足國標(biāo)要求；夜間距離房間墻壁1米處的噪音平均值為48.6分貝，噪音擾民問題得到較好解決。

5.節(jié)約占地。采用不同技術(shù)類型制動系統(tǒng)，其設(shè)備占地面積差別明顯。天橋站采用中壓能饋系統(tǒng)占地面積11.07平米/套，北邵洼站低壓能饋系統(tǒng)占地8.59平米/套，籬笆房站電阻制動方式占地8.45平米/套，瀛海站超級電容制動方式占地6.6平米/套，廣陽城站飛輪儲能制動占地5平米/套。同等容量下，飛輪儲能系統(tǒng)不需擴大占地，可以完全就地替代逆變回饋、電阻制動等設(shè)施。

6.經(jīng)濟(jì)效益。按廣陽城站1兆瓦飛輪儲能項目節(jié)電數(shù)據(jù)測算，項目工程總投資1287.65萬元，每年可節(jié)約電量158.78萬千瓦時，電價0.84元/千瓦時，節(jié)省電費133.37萬元,折合年減碳1582.99噸；近一年北京碳交易均價為84元/噸，碳交易收益每年13.3萬元，合計年度總收益146.67萬元,項目回收期約8.78年。

7.安全運行。相較于化學(xué)電池儲能，飛輪儲能屬于物理儲能，不會有燃燒爆炸風(fēng)險。盡管國內(nèi)外個別科研機構(gòu)在研發(fā)環(huán)節(jié)曾發(fā)生意外事故，但商業(yè)化應(yīng)用基本未發(fā)生安全事故，成熟、合格、規(guī)范操作的飛輪儲能具有良好的安全性。

三、本市飛輪儲能重點應(yīng)用場景

（一）列車啟停電能回收利用場景

首都作為超大型城市，人口基數(shù)大，日常交通出行需求大且呈剛性，地面交通擁堵指數(shù)常年處于高位，軌道交通成為人們綠色出行的首選。數(shù)量眾多的列車發(fā)生制動時，產(chǎn)生的制動能量，其中僅有很小一部分用于自身動力照明負(fù)荷，絕大部分需要回收再利用。

以地鐵6號線為例，全線路車站35座，列車最高速度100千米/小時。按照列車啟停能夠影響鄰近3站供電鐵軌電壓波動考慮，每間隔3站布置一套1兆瓦飛輪儲能系統(tǒng)，該線需要設(shè)置11座飛輪儲能裝置。按每套1兆瓦飛輪儲能系統(tǒng)年節(jié)電量約50萬千瓦時、電費按0.84元/千瓦時計，全年可節(jié)約7050萬千瓦時（占全市地鐵全年用電量的3.52%），直接為地鐵公司節(jié)省電費支出5922萬元，每年減少碳排放約7.05萬噸。同時，可為全市電網(wǎng)提供141兆瓦虛擬電廠能力，約占本地發(fā)電裝機容量的1.41%。

（二）電力用戶自備應(yīng)急電源場景

北京電網(wǎng)重要用戶多，供電安全性、可靠性要求高，部分重要用戶采用柴油發(fā)電機作為應(yīng)急電源。本市共有特級、一級和二級用戶約1054戶，由于噪音、尾氣、柴油存放安全、場地限制等問題，仍有約10%用戶未配置自備應(yīng)急電源。另外，柴油發(fā)電機啟動需要10秒以上才能達(dá)滿負(fù)荷工作狀態(tài)，對于數(shù)百千瓦的負(fù)荷乃至兆瓦級的重要用戶負(fù)荷仍然存在供電中斷情況。飛輪儲能可實現(xiàn)5毫秒達(dá)到滿負(fù)荷運行，有效避免斷電影響，還能平抑配網(wǎng)電壓波動，提高供電質(zhì)量，減少柴發(fā)排放污染，降低發(fā)電噪聲，也可為本市集成電路等優(yōu)勢企業(yè)提供高品質(zhì)不間斷電源。

（三）配網(wǎng)大規(guī)模安全充電場景

到2025年，全市汽車電動化率將達(dá)30%，新能源汽車?yán)塾嫳Ｓ辛窟_(dá)200萬輛，配套建設(shè)充電樁70萬個，換電站310座。電動車輛規(guī)?；l(fā)展效應(yīng)，勢必帶來高同時性大功率充電需求，嚴(yán)重影響配網(wǎng)安全。配置飛輪儲能可以提供快速大功率供電，平抑充電對電網(wǎng)的沖擊波動。在公交場站、出租車換電站、高速公路服務(wù)區(qū)充電區(qū)配備飛輪儲能，滿足電動車大功率快速充電需求，縮短等待時間，減緩里程焦慮。建設(shè)由“源、網(wǎng)、荷、儲”組成的小型發(fā)配電新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)，配置飛輪儲能平抑風(fēng)電、光伏及生物發(fā)電等分布式能源的波動，穩(wěn)定電能輸出，提升配網(wǎng)對本地新能源的接入能力，向微網(wǎng)用戶提供高品質(zhì)綠色清潔電力，增強本地電力供應(yīng)自保能力。

（四）燃?xì)鈾C組熱電解耦調(diào)峰場景

在燃?xì)怆姀S中，熱電解耦可以提升燃?xì)廨啓C靈活性，提高能源效率并降低碳排放。飛輪儲能作為一種對負(fù)荷響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)化效率高的大功率儲能類型,非常適合電網(wǎng)快速調(diào)峰調(diào)頻領(lǐng)域。研究表明：10兆瓦飛輪儲能輔助320兆瓦供熱機組參與調(diào)頻，在5%供熱需求變化時,通過迅速釋放或吸收能量，減少燃?xì)廨啓C輸出功率變化，汽輪機功率波動振幅減少60.3%,系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時間縮短37.5%;供熱抽汽壓力波動振幅減少59.2%;電網(wǎng)頻率波動振幅減少46.4%,燃?xì)鈾C組能更快恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

四、飛輪儲能發(fā)展建議

1.加大技術(shù)研發(fā)力度，布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈。飛輪儲能涉及高速飛輪新材料、高速電機、磁懸浮軸承、真空技術(shù)及智能電控系統(tǒng)，均屬于機械電氣設(shè)備制造方面的高精尖領(lǐng)域，同時也是支撐工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的工業(yè)母機基礎(chǔ)技術(shù)，可采用“揭榜掛帥”“賽馬”等機制，鼓勵科研院所企事業(yè)單位聯(lián)合創(chuàng)新，高水平開展復(fù)合型高強度飛輪材料科學(xué)研究、高速主動磁懸浮軸承技術(shù)研發(fā)、真空設(shè)備及應(yīng)用、飛輪儲能集成化成果轉(zhuǎn)化、自動化制造等產(chǎn)業(yè)化項目。充分發(fā)揮北京高端人才聚集、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)扎實等優(yōu)勢，加快飛輪等新型儲能產(chǎn)業(yè)培育，依托京津冀協(xié)同發(fā)展機制，布局飛輪儲能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈，加快建設(shè)先進(jìn)儲能制造業(yè)產(chǎn)業(yè)集群。

2.實施重點場景示范應(yīng)用。重點在軌道列車啟停電能回收、自備應(yīng)急電源、配網(wǎng)大規(guī)模安全充電及新能源微網(wǎng)、燃?xì)鈾C組熱電解耦調(diào)峰等用能領(lǐng)域，開展飛輪儲能項目試點和工程示范，積累實際運行經(jīng)驗，為規(guī)?；瘧?yīng)用提供實證案例，促進(jìn)飛輪儲能技術(shù)全面商業(yè)化，降低成本，系統(tǒng)性提高飛輪儲能產(chǎn)品性能和成熟度。

3.完善支持政策。建立健全飛輪儲能發(fā)展研發(fā)資金支持、企業(yè)稅收優(yōu)惠、項目補貼、價格預(yù)期等政策，并保持政策連續(xù)性和穩(wěn)定性。完善飛輪儲能設(shè)計、施工、運行以及驗收技術(shù)和管理標(biāo)準(zhǔn)，以標(biāo)準(zhǔn)支持項目可靠落地安全發(fā)展。完善電力市場交易機制，鼓勵飛輪儲能更好地參與市場競爭。

4.開展應(yīng)用機制創(chuàng)新。完善合同能源管理、需求側(cè)響應(yīng)等機制，以第三階段輸配電價核定為契機，研究電網(wǎng)、儲能企業(yè)及用戶共擔(dān)費用的配網(wǎng)綠電過網(wǎng)機制，促進(jìn)出臺“隔墻售電”政策試點，以飛輪儲能等新型儲能發(fā)展本地新能源微網(wǎng)，創(chuàng)新形成規(guī)?；?、多樣化本地虛擬電廠資源，提升本地電源自保能力。

原標(biāo)題：北京市飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用場景分析及發(fā)展建議