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新型儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要支撐。相較于長(zhǎng)時(shí)能量型儲(chǔ)能，功率型儲(chǔ)能是平抑未來(lái)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(chǔ)能作為可商用的成熟功率型儲(chǔ)能技術(shù)，具備高功率、高能量密度、快速充放電、長(zhǎng)壽命、安全環(huán)保、占地小等優(yōu)點(diǎn)，是適用城市負(fù)荷中心的可行儲(chǔ)能技術(shù)路線。近期，結(jié)合本市能源發(fā)展工作實(shí)際，圍繞新型儲(chǔ)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(diǎn)調(diào)研了飛輪儲(chǔ)能示范項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行情況，在此基礎(chǔ)上，深入分析本市飛輪儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景，并提出飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)

（一）飛輪儲(chǔ)能原理

飛輪儲(chǔ)能是利用雙向電機(jī)（電動(dòng)或發(fā)電模式）驅(qū)動(dòng)大慣量飛輪高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能與飛輪機(jī)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(shí)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式，吸收外部電能驅(qū)動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)存；放電時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，將高速轉(zhuǎn)子制動(dòng)降速發(fā)電，將飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能向外輸出。

（二）國(guó)內(nèi)外典型應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能已應(yīng)用在軌道交通制動(dòng)能量回收、企業(yè)級(jí)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(chǔ)能項(xiàng)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(guó)漢諾威等城市軌道交通項(xiàng)目，以及英國(guó)海島微電網(wǎng)、加拿大微電網(wǎng)項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目剛剛起步示范，如北京地鐵房山線廣陽(yáng)城站飛輪儲(chǔ)能、北京鐵路局邯長(zhǎng)線飛輪儲(chǔ)能和武漢光谷空中軌道飛輪儲(chǔ)能等試運(yùn)行項(xiàng)目，以及北京地鐵6號(hào)線花園橋站、車公莊西站飛輪儲(chǔ)能等在建示范項(xiàng)目。此外，飛輪儲(chǔ)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(xiàng)目得到應(yīng)用。

二、北京地鐵飛輪儲(chǔ)能示范

（一）項(xiàng)目背景及基本情況

城市軌道交通因其客運(yùn)量大、運(yùn)行速度快、正點(diǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)、制動(dòng)時(shí)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(jì)，城市軌道交通列車制動(dòng)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(dòng)能量回收利用研究。2019年房山線廣陽(yáng)城站完成飛輪型再生能量回收項(xiàng)目掛網(wǎng)試驗(yàn)。該項(xiàng)目是我國(guó)首個(gè)應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的地鐵項(xiàng)目，引領(lǐng)國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)飛輪型再生制動(dòng)能量系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，為我國(guó)軌道交通行業(yè)綠色節(jié)能發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，其吸收列車進(jìn)站制動(dòng)動(dòng)能并存儲(chǔ)，在出站時(shí)釋放所存能量，驅(qū)動(dòng)列車啟動(dòng)。充放電可達(dá)10萬(wàn)次以上，使用壽命超過(guò)20年，安全穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)單，可大幅節(jié)省運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量及投入。飛輪儲(chǔ)能裝置屬物理儲(chǔ)能，綠色環(huán)保，安全可靠，對(duì)環(huán)境無(wú)污染、噪音小、占地面積小，功率密度大且采用模塊化設(shè)計(jì)，布置靈活，方便擴(kuò)容，與供電系統(tǒng)接口簡(jiǎn)單。

地鐵房山線廣陽(yáng)城站飛輪儲(chǔ)能試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)功率1兆瓦（按GTR飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品規(guī)格需設(shè)置3臺(tái)，單臺(tái)容量為333千瓦），存儲(chǔ)容量為11千瓦時(shí)。最高轉(zhuǎn)速36000轉(zhuǎn)/分鐘，工作電壓直流750/1500伏，實(shí)現(xiàn)1毫秒瞬時(shí)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(hào)線花園橋站、車公莊西站啟動(dòng)建設(shè)飛輪儲(chǔ)能裝置，替換原有電阻制動(dòng)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(yáng)城站1兆瓦飛儲(chǔ)能系統(tǒng)平均每小時(shí)回收節(jié)約電量93.55千瓦時(shí)，日均節(jié)電量約為1450千瓦時(shí)，全年節(jié)電量可達(dá)到52.92萬(wàn)千瓦時(shí)，折合減少二氧化碳排放529噸。車公莊西站采用飛輪儲(chǔ)能后，6臺(tái)飛輪全部投入每天平均節(jié)電量為1380.12千瓦時(shí)。

2.電網(wǎng)調(diào)節(jié)及穩(wěn)壓。廣陽(yáng)城站1兆瓦飛輪儲(chǔ)能裝置將直流牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)由700-928伏穩(wěn)定到750-900伏。車公莊西站制動(dòng)電阻更換飛輪儲(chǔ)能后，將直流牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)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(duì)車輛繼電保護(hù)的安全威脅和對(duì)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(yáng)城站試驗(yàn)獨(dú)立采用1兆瓦飛輪儲(chǔ)能裝置供電牽引列車前行，到飛輪電量用完時(shí)列車行進(jìn)450米，速度達(dá)到11千米/小時(shí)，依靠慣性列車最終滑行距離超過(guò)1000米，到達(dá)站臺(tái)安全停靠，全面增強(qiáng)地鐵應(yīng)對(duì)供電中斷的突發(fā)情況及保障安全運(yùn)營(yíng)的搶險(xiǎn)能力。

4.環(huán)境效益。因車站設(shè)備布置空間緊張，地鐵制動(dòng)電阻配置受限，需要配置冷卻風(fēng)機(jī)散熱，噪聲大引起擾民。更換飛輪儲(chǔ)能后，列車制動(dòng)能量大部分被回收再利用，減少車站和制動(dòng)間冷卻功率，風(fēng)機(jī)噪聲大幅降低。在車公莊西站初步測(cè)試，晝間距飛輪儲(chǔ)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(guó)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(wèn)題得到較好解決。

5.節(jié)約占地。采用不同技術(shù)類型制動(dòng)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(dòng)方式占地8.45平米/套，瀛海站超級(jí)電容制動(dòng)方式占地6.6平米/套，廣陽(yáng)城站飛輪儲(chǔ)能制動(dòng)占地5平米/套。同等容量下，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不需擴(kuò)大占地，可以完全就地替代逆變回饋、電阻制動(dòng)等設(shè)施。

6.經(jīng)濟(jì)效益。按廣陽(yáng)城站1兆瓦飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目節(jié)電數(shù)據(jù)測(cè)算，項(xiàng)目工程總投資1287.65萬(wàn)元，每年可節(jié)約電量158.78萬(wàn)千瓦時(shí)，電價(jià)0.84元/千瓦時(shí)，節(jié)省電費(fèi)133.37萬(wàn)元,折合年減碳1582.99噸；近一年北京碳交易均價(jià)為84元/噸，碳交易收益每年13.3萬(wàn)元，合計(jì)年度總收益146.67萬(wàn)元,項(xiàng)目回收期約8.78年。

7.安全運(yùn)行。相較于化學(xué)電池儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能屬于物理儲(chǔ)能，不會(huì)有燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)。盡管國(guó)內(nèi)外個(gè)別科研機(jī)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(chǔ)能具有良好的安全性。

三、本市飛輪儲(chǔ)能重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景

（一）列車啟停電能回收利用場(chǎng)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(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的制動(dòng)能量，其中僅有很小一部分用于自身動(dòng)力照明負(fù)荷，絕大部分需要回收再利用。

以地鐵6號(hào)線為例，全線路車站35座，列車最高速度100千米/小時(shí)。按照列車啟停能夠影響鄰近3站供電鐵軌電壓波動(dòng)考慮，每間隔3站布置一套1兆瓦飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，該線需要設(shè)置11座飛輪儲(chǔ)能裝置。按每套1兆瓦飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)年節(jié)電量約50萬(wàn)千瓦時(shí)、電費(fèi)按0.84元/千瓦時(shí)計(jì)，全年可節(jié)約7050萬(wàn)千瓦時(shí)（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(fèi)支出5922萬(wàn)元，每年減少碳排放約7.05萬(wàn)噸。同時(shí)，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(jī)容量的1.41%。

（二）電力用戶自備應(yīng)急電源場(chǎng)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(jī)作為應(yīng)急電源。本市共有特級(jí)、一級(jí)和二級(jí)用戶約1054戶，由于噪音、尾氣、柴油存放安全、場(chǎng)地限制等問(wèn)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(jī)啟動(dòng)需要10秒以上才能達(dá)滿負(fù)荷工作狀態(tài)，對(duì)于數(shù)百千瓦的負(fù)荷乃至兆瓦級(jí)的重要用戶負(fù)荷仍然存在供電中斷情況。飛輪儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)5毫秒達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，有效避免斷電影響，還能平抑配網(wǎng)電壓波動(dòng)，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(shì)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(chǎng)景

到2025年，全市汽車電動(dòng)化率將達(dá)30%，新能源汽車?yán)塾?jì)保有量達(dá)200萬(wàn)輛，配套建設(shè)充電樁70萬(wàn)個(gè)，換電站310座。電動(dòng)車輛規(guī)?；l(fā)展效應(yīng)，勢(shì)必帶來(lái)高同時(shí)性大功率充電需求，嚴(yán)重影響配網(wǎng)安全。配置飛輪儲(chǔ)能可以提供快速大功率供電，平抑充電對(duì)電網(wǎng)的沖擊波動(dòng)。在公交場(chǎng)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(chǔ)能，滿足電動(dòng)車大功率快速充電需求，縮短等待時(shí)間，減緩里程焦慮。建設(shè)由“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)”組成的小型發(fā)配電新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)，配置飛輪儲(chǔ)能平抑風(fēng)電、光伏及生物發(fā)電等分布式能源的波動(dòng)，穩(wěn)定電能輸出，提升配網(wǎng)對(duì)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(qiáng)本地電力供應(yīng)自保能力。

（四）燃?xì)鈾C(jī)組熱電解耦調(diào)峰場(chǎng)景

在燃?xì)怆姀S中，熱電解耦可以提升燃?xì)廨啓C(jī)靈活性，提高能源效率并降低碳排放。飛輪儲(chǔ)能作為一種對(duì)負(fù)荷響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)化效率高的大功率儲(chǔ)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(chǔ)能輔助320兆瓦供熱機(jī)組參與調(diào)頻，在5%供熱需求變化時(shí),通過(guò)迅速釋放或吸收能量，減少燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率變化，汽輪機(jī)功率波動(dòng)振幅減少60.3%,系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時(shí)間縮短37.5%;供熱抽汽壓力波動(dòng)振幅減少59.2%;電網(wǎng)頻率波動(dòng)振幅減少46.4%,燃?xì)鈾C(jī)組能更快恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

四、飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能涉及高速飛輪新材料、高速電機(jī)、磁懸浮軸承、真空技術(shù)及智能電控系統(tǒng)，均屬于機(jī)械電氣設(shè)備制造方面的高精尖領(lǐng)域，同時(shí)也是支撐工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的工業(yè)母機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)，可采用“揭榜掛帥”“賽馬”等機(jī)制，鼓勵(lì)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(qiáng)度飛輪材料科學(xué)研究、高速主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)研發(fā)、真空設(shè)備及應(yīng)用、飛輪儲(chǔ)能集成化成果轉(zhuǎn)化、自動(dòng)化制造等產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。充分發(fā)揮北京高端人才聚集、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)等優(yōu)勢(shì)，加快飛輪等新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)培育，依托京津冀協(xié)同發(fā)展機(jī)制，布局飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈，加快建設(shè)先進(jìn)儲(chǔ)能制造業(yè)產(chǎn)業(yè)集群。

2.實(shí)施重點(diǎn)場(chǎng)景示范應(yīng)用。重點(diǎn)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(jī)組熱電解耦調(diào)峰等用能領(lǐng)域，開展飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目試點(diǎn)和工程示范，積累實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為規(guī)?；瘧?yīng)用提供實(shí)證案例，促進(jìn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)全面商業(yè)化，降低成本，系統(tǒng)性提高飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品性能和成熟度。

3.完善支持政策。建立健全飛輪儲(chǔ)能發(fā)展研發(fā)資金支持、企業(yè)稅收優(yōu)惠、項(xiàng)目補(bǔ)貼、價(jià)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(chǔ)能設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行以及驗(yàn)收技術(shù)和管理標(biāo)準(zhǔn)，以標(biāo)準(zhǔn)支持項(xiàng)目可靠落地安全發(fā)展。完善電力市場(chǎng)交易機(jī)制，鼓勵(lì)飛輪儲(chǔ)能更好地參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

4.開展應(yīng)用機(jī)制創(chuàng)新。完善合同能源管理、需求側(cè)響應(yīng)等機(jī)制，以第三階段輸配電價(jià)核定為契機(jī)，研究電網(wǎng)、儲(chǔ)能企業(yè)及用戶共擔(dān)費(fèi)用的配網(wǎng)綠電過(guò)網(wǎng)機(jī)制，促進(jìn)出臺(tái)“隔墻售電”政策試點(diǎn)，以飛輪儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景分析及發(fā)展建議