2022年8月18日，国电投坎德拉（北京）新能源科技有限公司（以下简称国电投坎德拉）成功中标国家电投集团河南电力有限公司技术信息中心MW级先进飞轮储能系统建设项目，飞轮储能系统总装机规模5MW/175kWh。
项目建成后，将实现国家电投集团河南电力有限公司狮子坪风电场一次调频功能改造，将成为目前国内新能源一次调频改造装机功率最高、装机容量最大的全容量飞轮储能项目，也是全球首个采用全容量飞轮储能系统完成新能源一次调频改造的项目。
01、项目概况
河南狮子坪风电场隶属于国家电投集团河南电力有限公司，位于河南省三门峡市陕州区，风电场安装24台2MW风力发电机组，总装机容量48MW。狮子坪风电场送出线路接入220kV雁翎变电站35kV母线，经变电站升压后并入电网。该项目计划在国家电投狮子坪风电场交流35kV并网系统侧配置5MW/175kWh的飞轮阵列储能系统。效果图如下：
河南电力有限公司信息中心MW级先进飞轮储能系统建设项目效果图
02、新能源一次调频功能改造政策背景
2018年10月，国家能源局印发《电力系统网源协调技术规范》(DL/T 1870-2018)，要求：风电场、光伏发电站应具备一次调频能力，并网运行时一次调频功能始终投入并确保正常运行。
2019年12月，国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会联合发布强制性国家标准《电力系统安全稳定导则》（GB38755-2019）。要求：接入35kV及以上电压等级电力系统的火电、水电、核电、燃气轮机发电、光热发电、抽水蓄能、风力发电、光伏发电及储能电站等电源均应具备一次调频、快速调压、调峰能力，必要时应配置燃气电站、储能电站等灵活调节资源。该政策于2020年7月1日起正式实施。
2021年发布的《并网电源一次调频技术规定及试验导则》（GB/T 40595-2021）再次要求：接入35kV及以上电压等级电力系统的火电、水电、核电、燃气轮机发电、光热发电、抽水蓄能、风力发电、光伏发电及储能电站等并网电源，均应具备一次调频功能，并对性能作出了具体要求。
根据国家相关政策，2021年7月，河南能源监管办印发了《关于进一步加强新能源并网运行管理的意见（试行）》，明确提出：新并网风电项目和集中式光伏发电项目原则上在投运前应具备一次调频功能，已并网的项目应分批于2022年底前完成一次调频功能改造。根据该文件，河南电力调度控制中心下发了《关于开展河南电网新能源场站一次调频功能改造的通知》。《通知》要求，对于本通知下发日后，新投产风电场及集中式光伏电站应在入网前具备一次调频功能。已投运220千伏及以上电压等级或整站100MW及以上容量并网的新能源场站于2021年12月31日前完成一次调频功能改造；剩余的新能源场站于2022年12月31日前完成一次调频功能改造。
根据《通知》要求，狮子坪风电场须在2022年底之前完成一次调频功能改造。同时，根据“风电场、光伏发电站一次调频死区设定0.05Hz，调差率设定3%，最大负荷限幅设定不小于额定负荷的10%”的规定，狮子坪风电场总装机容量48MW，按照总装机容量10%配置5MW/175kWh的飞轮阵列储能系统，完成该风电场一次调频改造。
《通知》要求一次调频稳定时间风电不超过15秒，飞轮阵列储能系统额定功率5MW，有效容量175kWh，额定功率充放电时间超过120s，满足风电场连续多个单向一次调频指令。项目建成后，可满足《通知》对狮子坪风电场一次调频功能改造的要求。
03、飞轮储能产品的优势
一次调频作为常规机组的必备功能，主要针对变动幅度小、周期短的负荷波动。一次调频具有快速响应、短时大功率、频次高、持续时间短等特性，属于典型的功率型应用场景。大型风电机组通过变流器控制，一般采取最大功率跟踪策略，其风电机组转子转速与电网频率解耦，不具备同步发电机组的频率响应能力，如需具备一次调频功能，需要采取一些方法。目前风电机组参与电网一次调频常用的三种技术方案是基于风机转子惯量控制、预留备用和配置储能。
基于风机叶片转子惯量参与一次调频的基本原理是当电网频率下降时，风机释放部分转子动能增大电磁功率输出以达到功率支撑的目的；当电网频率上升时，风机通过适度收桨减小电磁功率。此种调频方案只需修改风机控制程序，不增加硬件成本，且对机组发电量影响较小；但在转速恢复阶段，会造成电网频率二次跌落，尤其当风电机组支撑时间过长且系统中新能源机组占比较高时，二次跌落的幅度一般会远超过频率一次跌落的深度。不仅如此，长期高频次采用转子惯量控制的方法参与一次调频，会对机组的寿命造成严重影响。
预留备用是通过风电机组桨距角控制通过降低风力机的风能捕获效率，使机组工作在减载运行状态，以预留为应对系统频率波动而提供短期功率支持的备用容量。但桨距角控制也带来诸多弊端，一方面因涉及机械变桨动作，响应速度较慢而无法完全满足一次调频要求；另一方面，长期的减载运行会给风电场站发电量造成巨大损失，按照10%装机容量预留备用不限电地区发电量损失占比约18%，限电地区损失占比约11%。
配置储能是在风电场内建设一定容量的具有响应一次调频功能的储能电站以完全承担新能源电站的调频任务。相比前两种方式，储能的调频性能好，对机组影响最小，经济性最好。
在储能选择方面，目前市场上主流的锂电池由于自身充放电倍率（≤2C）的限制，与高倍率充放电电池相比，锂电池做一次调频需要配置更大的容量，提高了投资成本；而且，锂电池囿于循环次数（通常为6000-8000次）的限制，频繁大倍率充放电导致电池容量衰减过快，需要经常更换电芯，经济性较差，且存在起火爆炸等安全隐患。
飞轮储能系统具有响应速度快（毫秒级响应）、高倍率充放电（4C-100C）、循环寿命长（大于1000万次）、存储电量可精确度量（飞轮转速精准对应电量）、安全性高（无起火爆炸危险）、运行环境友好（-40-50℃）等特性，非常符合一次调频的应用需求。并且在一次调频过程中，频繁波动的负荷导致机组磨损较大，飞轮承担小负荷波动下的调频动作，可以极大减少机组的磨损。另外，飞轮储能系统一次装机可连续使用25年，与新能源机组寿命相仿，经济性好，综合性价比高，是实现新能源一次调频改造的最佳储能方式。
04、具体解决方案
国电投坎德拉顺应新型电力系统发展趋势，前瞻研发，根据各省市一次调频应用场景的不同需求，推出适用于火电、风电、光伏一次调频和一次调频独立储能电站应用场景的MW级飞轮储能系统解决方案和一次调频飞轮产品。1MW/10kWh和1MW/35kWh一次调频飞轮产品，单机额定功率达MW级，有效充放电容量分别为10kWh、35kWh，额定功率充放电时间分别为36s、126s，充放电倍率高达100C、29C，满足不同应用场景一次调频需求，一次调频质量达90%以上。
本项目选用国电投坎德拉1MW/35kWh一次调频飞轮产品，额定功率充放电时长满足风电场连续多个单向一次调频指令。项目计划采用5台1MW/35kWh飞轮储能系统单元组成5MW/175kWh飞轮阵列储能系统。其中，通过4台1MW/35kWh飞轮储能系统并联接入2套2MW储能升压一体机，形成2套2MW飞轮阵列储能系统；另外1台1MW/35kWh飞轮储能系统接入1套1MW储能升压一体机，形成1套1MW飞轮阵列储能系统；3套飞轮阵列储能系统并联接入220kV雁翎变电站35kV母线上，经变电站主变升压至220kV后接入电网。系统拓扑如下图所示：
5MW/175kWh飞轮阵列储能系统电气拓扑图
新能源场站一次调频电站通讯拓扑图
飞轮储能系统单元主要由飞轮、控制系统预制舱及PCS升压一体机组成。其中，飞轮采用地坑预埋安装方式；控制系统柜、制动电阻、水冷机、UPS、照明等集成在控制系统预制舱内；储能双向变流器（PCS）、升压变压器及其保护装置、高压进线负荷开关、熔断器组合电器、通讯动力柜等集成在PCS升压一体机内。
国电投坎德拉飞轮储能系统控制系统预制舱和飞轮储能单元
1MW/35kWh飞轮规格
1MW控制系统预制舱规格
05、国电投坎德拉公司简介
国电投坎德拉（北京）新能源科技有限公司由国家电投集团科学技术研究院有限公司和坎德拉（深圳）新能源科技有限公司共同出资成立。国家电投集团科学技术研究院有限公司是国家电力投资集团的全资子公司，是国家电投集团的科技创新平台、战略决策支持机构、高层次科技人才聚集基地，具有强大的专家团队和技术实力。
国电投坎德拉充分发挥中央研究院在先进多元化储能技术、集成设计技术和坎德拉在飞轮储能核心技术研发上的优势，聚焦电力辅助服务，主要研究以飞轮储能技术为核心的多元化储能系统规划、设计、研发、集成、运维、培训、产业化推广及应用，为客户提供适用于电力辅助服务的秒级、分钟级及以上飞轮储能产品及整体解决方案。
国电投坎德拉建立了一支高水平、多元化的研发队伍，采用垂直产业链模式，实现飞轮储能全部核心部件（飞轮、飞轮变流器、高速电机、磁轴承、电机控制器、磁轴承控制器等）的100%自主可控；基于IPD的产品开发流程，已形成成熟的功率型和容量型飞轮产品设计技术平台，产品额定功率达100kW-1000kW，有效容量达0.5kWh-125kWh；具备飞轮储能设计、生产、组装、测试、运输、安装、运维全生命周期安全管理能力；在扬州、佛山建设大规模飞轮储能生产基地，已具备批量化交付飞轮储能系统的工程化能力。
国电投坎德拉部分产品实物图
国电投坎德拉推出了满足风电、光伏、火电一次调频，辅助火电AGC调频及制动能量回收等应用场景的系列产品。飞轮产品已成功应用于国电投集团内蒙古霍林河“源网荷储用”创新示范项目。该项目装机规模1MW/200kWh，是2021年国内电力辅助服务领域已装机容量最大、装机功率最高的飞轮储能项目。项目对大规模飞轮储能系统的工程化应用、并网运行、10台以上飞轮的阵列协同控制以及应用于电力辅助服务的混合储能系统控制策略等进行了技术验证，对-40℃的极端恶劣环境下的飞轮储能技术进行了工程化验证。项目按照国家电投集团内部作业标准进行作业、验收，与国电投中央研究院技术专家共同编制了《飞轮储能安全工作规程》《飞轮储能系统检修规程》《飞轮储能系统运行规程》《飞轮储能系统操作流程》等多份标准文件。
