产业报告2024丨创新篇：2．华驰动能：飞轮储能技术
2．华驰动能：飞轮储能技术
专家推荐理由：电力级磁悬浮储能飞轮产品覆盖秒级、分钟级、小时级的全系列产品，完全满足电力系统一次、二次调频需求，产品连续调频时长由秒级跨越到15分钟级及更长，引领全球飞轮技术革命，具有颠覆式创新意义。飞轮储能技术在电力调频领域具有巨大的潜力和广阔的应用前景，是现阶段电力调频技术的最优选择，在保证响应速度及精度前提下，飞轮储能将全生命周期单次充放电度电成本的价格优势转化为调度优先，对于维护大电网安全，促进消纳新能源，加快构建新型电力系统具有深远意义。
（1）技术背景
华驰动能北京科技有限公司是主要从事物理储能技术和系统的研发、推广应用，并完成了磁悬浮储能飞轮、磁悬浮电动机和卫星姿控动量轮三类产品的研发和生产线建设。7.5~1000千瓦时/10~4000kW系列磁悬浮储能飞轮产品为本公司自主研发，拥有全部自主知识产权。其中截止目前公司各项知识产权共104项，其中：发明专利81项，实用新型10项，外观专利2项，软著11项。产品在电力辅助调频、特种电池、数据中心UPS电池、储能式轨道列车、地铁和高铁制动能回收、等领域有广泛的市场和迫切的需求。
2006年在国家863计划项目支持下，开展了高温超导磁悬浮储能飞轮技术研究，完成1kW/1千瓦时，额定转速5000r/min高温超导磁悬浮储能飞轮，2009年，作为财政部重大科技成果转化项目《大功率高速高能量密度电动机项目》技术负责人开展了大功率高速磁悬浮电机及其控制技术研究，完成100kW/30000r/min和315kW/20000r/min高速磁悬浮永磁电机研制，为大功率储能飞轮研制奠定了坚实的技术基础。2018年5月，北航物理储能创业团队（华驰动能前身）突破了大储电量、重型转子五自由度高可靠磁悬浮轴承及其控制技术、高结构强度高速高效同极型感应子电机及其控制技术。2022年，华驰动能研发和生产五自由度全磁悬浮轴承及其控制系统为核心的电力级磁悬浮储能飞轮涵盖秒级、分钟级、小时级的全系列产品，通过科技查新和科学技术成果鉴定，技术指标达到国际领先水平，引领全球飞轮技术革命。
（2）行业难点
技术瓶颈：飞轮储能技术涉及多个学科领域，如机械、电力电子、控制工程等。目前，尽管国内外在飞轮储能技术方面已经取得了一定的进展，但仍存在一些技术难题需要解决。例如，如何提高飞轮储能设备的能量密度、如何降低设备成本、如何提高设备可靠性等。
产业链不完善：飞轮储能行业的发展需要整个产业链的支持，包括材料、制造、销售等环节。目前，国内飞轮储能产业链尚不完善，缺乏专业的材料供应商和设备制造商，同时销售渠道也相对较少。
政策支持不足：飞轮储能作为一种新兴的技术领域，需要政府的大力支持。然而，目前国内政府对飞轮储能行业的支持力度相对较小，缺乏相应的政策扶持和资金支持。
市场认知度低：由于飞轮储能技术仍处于发展初期，市场认知度相对较低。许多人对飞轮储能技术的了解仅停留在概念层面，对其实际应用和优势缺乏了解。这导致飞轮储能技术在市场推广方面存在一定的难度。
成本较高：目前，飞轮储能设备的制造成本仍然较高，这限制了其在一些领域的应用。虽然随着技术的不断进步和规模化的生产，成本有望逐渐降低，但短期内仍难以实现广泛应用。
受转子轴承支承技术限制，无论采用碳纤维复合材料转子还是金属转子，随着单体储电量的增大，转子重量相应地线性增大，在重力方向上如何实现转子的本质安全稳定无接触支承，是研制单体超大储能量飞轮的技术瓶颈。
国外大电量储能飞轮技术路线，下径向和重力方向支承均为机械轴承，存在机械磨损。
本公司采用转子支承方式为五自由度全磁悬浮轴承技术：上径向和下径向永磁偏置混合磁轴承；轴向HALBACH多环多向充磁永磁轴承。技术难点：数十吨级本质安全磁悬浮转子轴向磁轴承电磁设计技术；重型磁悬浮转子强陀螺效应模态解耦控制技术。五自由度磁悬浮转子模态解耦控制技术。
（3）解决的核心问题
飞轮储能技术可以解决电力系统的核心问题之一是提供快速响应的能量存储和释放。飞轮储能系统利用高速旋转的飞轮来存储能量，当电力需求增加时，飞轮可以快速释放能量以满足需求。这种快速响应能力使得飞轮储能系统能够有效地平抑电力系统的峰谷差，提高电力系统的稳定性和安全性。
此外，飞轮储能技术还可以解决电力系统的其他问题，例如提高电力系统的可再生能源利用率、降低能源浪费、提高电力系统的可靠性和经济性等。
总之，飞轮储能技术是一种具有广泛应用前景的电力系统储能技术，可以有效地解决电力系统的核心问题，提高电力系统的稳定性和安全性。
（4）主要技术原理
磁悬浮飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。
（5）总体应用效果
飞轮储能系统在多个领域都有应用，其整体应用效果主要体现在以下几个方面：
火电机组或者核电机组调频：储能容量机组功率3% ，风电光伏的一次调频、曲线跟踪，风电需要配置 6%的比例满足一次调频需求，对30MW以上新能源场站一次调频提出要求GB/T40595-2021。电网侧全飞轮独立储能或者混合储能及共享储能。火电机组的灵活性升级，国家发改委能源局文件要求，机组容量的10~20%，1~2小时或更长。新能源场站的混合配储，电网的大功率尖峰响应保障。
节能效果：飞轮储能系统具有高功率密度和高效率的优点，与轨道交通系统完美契合。在城市轨道交通中，飞轮储能装置可以回收可再生的制动能量，实现牵引能耗节约15%。在其他领域，飞轮储能系统也有助于减少能源浪费，提高能源利用效率。
稳定能源：飞轮储能系统在微电网中有重要应用。微电网中的分布式电源普遍受外界环境因素影响，所发出的电能具有随机性、不稳定性等特性。飞轮储能系统可以通过能量管理系统实现主网、分布式电源和储能系统之间的协同控制，从而平稳分布式能源的波动，提高微电网的稳定性。
促进可再生能源利用：飞轮储能系统可以平滑可再生能源发电的波动，提高可再生能源的利用率。例如，在风力发电和光伏发电中，飞轮储能系统可以在风力或光照条件不足时提供稳定的电力输出，从而保证电力供应的连续性和稳定性。
改善电力质量：飞轮储能系统可以用于改善电力质量。例如，在电力系统中，飞轮储能系统可以用于调节频率、电压等参数，提高电力系统的稳定性和可靠性。
环保：飞轮储能系统作为一种无污染、零排放的储能方式，对环境友好。在城市轨道交通中，飞轮储能装置可以减少对环境的污染，提高城市环境质量。
飞轮储能在保障常规供电、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。
综上所述，飞轮储能系统的整体应用效果主要体现在节能、稳定能源、促进可再生能源利用、改善电力质量和环保等方面。
（6）商业化进展程度
图6-8 飞轮储能发展阶段演示图
（7）示范项目
2021年5月，承接国能宁夏灵武发电有限公司在2X600MW火电机组配置22MW/4.5MWh飞轮储能调频。36台630kW/125千瓦时储能飞轮地井式安装， 总占地面积约5000平，提高火电机组精准灵活性，是全球首个火电机组配置飞轮储能的规模化项目。截止2023年4月底，一次调频合格率93%以上。
2022年7月，中国华电集团山西朔州热电有限公司2X350MW循化流化床火电机组配置2MW/0.5MWh飞轮+6MW/6MWh化学电池组成混合储能系统进行联合调频，其中2MW飞轮系统由4台600kW/ 125千瓦时/15min全磁悬浮飞轮组成飞轮阵列、预计每年的调频辅助服务收益在2000~3000万元，于2023年2月投运。
2023年4月，协合新能源山西原平独立混合储能项目，配置华驰动能30MW/1MWh飞轮阵列调频系统，共8台单体4MW/125千瓦时磁悬浮储能飞轮。12月底投运。
2023年9月，国家能源蓬莱发电有限公司是国家能源集团山东电力有限公司控股企业，一期工程建设两台 300MW 亚临界热电联产机组，是山东省 2005 年的“十大”应急电源项目。建设规模为12MW/3MWh储能系统，3台4MW/1MWh磁悬浮飞轮。（在建）
1）项目的示范效果
目前华驰动能已实现125度电大飞轮产品的成熟验证，全球唯一，并且已推出单体1000度电功率4MW的超大飞轮产品，保持了技术上的巨大领先优势，达到国际领先水平。凭借极具竞争力的创新产品，华驰动能率先实现了在大型能源客户中的项目落地，并展现了优异的性能和项目收益。全球首个总功率规模最大磁悬浮飞轮储能项目——国能集团宁夏22MW/4.5MWh磁悬浮飞轮储能项目自2022年投运两年以来，5秒以上的一次调频累计充放电次数近10万次，5秒以下每天动作次数达3千次以上，飞轮一次调频累计充放电次数超过一百万次，每月AGC调频动作次数1万多次，调频电量15万千瓦时左右，实现年综合收益约3000万元。华电集团山西朔州飞轮储能系统项目，是国内首个飞轮和锂电池混合储能辅助火电机组参与电网ACE调频实际应用，经过几轮能量管理策略优化，研发出模态匹配的自适应方案，实现储能配比小于3%（2.28%）下的尽限调控:山西电网ACE模式指令2分钟动态变化下kp指标均值超过4.7（比常规下垂控制等提升超50%，原机组kp为1.36）；通过精细化管理和控制协同，锂电池寿命衰减较优化前少20%；经济效益惊人，纯调频辅助市场奖励超2000万/年，还有电量补贴以及免除两个细则考核。
2）项目的示范意义
华驰采取大功率磁悬浮飞轮储能进行 AGC 调频，对于发电集团及电力系统具有重大科技创新意义。朔州电厂磁悬浮飞轮电池储能项目将成为中国首个飞轮储能电池辅助调频项目，也是全球首个火电机组配置规模飞轮储能解决调频的项目，对发电集团及电力系统是全新科技创新，具有重要的示范意义，将引领我国火电机组灵活性改造取得重大技术创新。目前，全国包括山西、广东、福建、江西等各省进行的火电 AGC 储能辅助调频都取得了非常好的效果，都是采取锂电化学电池的方式进行。但从全球看，美国、 加拿大等国家已经采取飞轮储能技术进行电网的调频工程应用，取得了良好的效果。
3）项目的可推广性分析
飞轮储能的绿色低碳性：
环保性：飞轮储能是一种物理储能方式，其储能过程不涉及化学反应，因此不会产生任何化学废弃物，对环境无害。
高效能：飞轮储能具有高能量密度和长寿命，这意味着它可以存储和释放大量的能量，而且使用时间长，有助于减少资源浪费。
可回收：飞轮储能设备的部件和材料大多是可以回收再利用的，这有助于减少对环境的影响。
无污染：飞轮储能的储能介质是飞轮，它在旋转时不会产生任何的废气或废水，因此对环境无污染。
扩展性：飞轮储能系统可以很容易地进行扩展，以满足更大规模的应用需求。这有助于实现更大规模的绿色能源存储。
综上所述，飞轮储能是一种非常绿色低碳的储能技术，它有助于实现可持续发展和减少对环境的影响。
飞轮储能的安全可靠性：
飞轮储能系统具有较高的安全性和可靠性。作为一种物理储能方式，飞轮储能通过高速旋转的飞轮转子实现能量存储，并没有燃烧和爆炸的风险。其安全性能主要体现在以下几个方面：
首先，飞轮转子采用复杂的轴承支撑结构，可以在轴向采用磁悬浮轴承支撑，将转子悬浮在真空中运行，从而减小转子旋转的能量损耗。这种设计可以避免转子脱落等安全隐患，提高系统的安全性。
其次，飞轮转子在高速旋转状态下，如果发生轴承失效，转子从悬浮状态中脱落，可能会与底部或外壳结构发生剧烈接触摩擦，消耗转子动能，造成结构高温或整个飞轮本体移动倾倒。但飞轮储能系统通常配备有安全防护装置，如过载保护和短路保护等，可以在发生异常情况时及时切断电源，防止事故扩大。
此外，飞轮储能系统还具有良好的耐久性和稳定性。由于飞轮的旋转速度相对较低，且飞轮材料具有较高的强度和刚性，因此飞轮不易损坏或出现失效。这种稳定性使得飞轮储能系统可以长期稳定运行，减少维护和更换部件的需求。
总之，飞轮储能系统在安全性、可靠性和耐久性方面具有显著的优势。作为一种物理储能方式，飞轮储能系统具有较高的安全性和可靠性，可以满足各种应用场景的需求。
飞轮储能的产业应用性：
储能应用：飞轮储能是一种物理储能技术，通过高速旋转的飞轮将能量储存起来，并在需要时释放出来。这种技术具有储能密度高、响应速度快、寿命长等优点，因此在电力调频、不间断电源、轨道交通等领域具有广泛的应用前景。
动力机械应用：飞轮在动力机械中起着重要的作用，如汽车、船舶、飞机等。通过调节飞轮的转速和转动惯量，可以改善机械的动力性能和稳定性，提高其运行效率和经济性。
高速旋转机械应用：飞轮作为高速旋转机械中的重要组成部分，如离心机、压缩机、离心泵等，能够承受高转速和高应力，提高机械的稳定性和可靠性。
工业自动化应用：飞轮在工业自动化领域中也有着广泛的应用，如飞轮电池、飞轮驱动器等。它们可以作为自动化设备中的动力源和能源存储装置，提高设备的稳定性和效率。
总的来说，飞轮在能源储存、机械动力、高速旋转机械以及工业自动化等多个领域都具备很好的应用价值。
（8）综合效益
1）社会效益
形成一套灵活性可行的技术路线，可在集团、全国推广；开发一套具有自主知识产权的光火储耦合的控制系统及监控平台；基本无工业废气、废水排放，对周围环境的影响很小；辅助火电机组进行电力调频服务和电力调峰服务，减少火电机组提供电力辅助服务过程的碳排放水平。
2）经济效益
每次动作一次调频积分电量为14.4千瓦时/次，全年动作电量126.63万千瓦时，目前辅助服务细则规定，一次调频积分电量补偿15元/千瓦时，全年新增储能一次调频补尝金额为4000万元。宁夏属太阳能资源一类区域，全年日照时数2800～3200h。按照年发电利用小时数1533.6小时，电价0.244元/千瓦时，进行计算，6MW光伏系统年发电收益224.5万元；
3）生态效益
有助于电网实现高比例接入和大规模消纳新能源的目的，对推动高效清洁热电联产机组与大规模新能源协调发展具有重要意义；通过促进大规模可再生能源消纳实现电力行业绿色低碳发展，为电力系统低碳转型和高质量发展开拓一条重要途径；符合我国能源行业2030碳达峰、2060碳中和的发展要求，生态效益显著。
（9）专家评审意见和第三方鉴定测试报告
