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新型儲能是構建新型電力系統的重要技術和基礎裝備，是實現碳達峰碳中和目標的重要支撐。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光伏風電沖擊的重要靈活調節(jié)性資源。飛輪儲能作為可商用的成熟功率型儲能技術，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，是適用城市負荷中心的可行儲能技術路線。近期，結合本市能源發(fā)展工作實際，圍繞新型儲能技術應用，節(jié)能環(huán)保中心赴北京地鐵有關站點調研了飛輪儲能示范項目建設運行情況，在此基礎上，深入分析本市飛輪儲能技術重點應用場景，并提出飛輪儲能發(fā)展建議，為北京構建以新能源為主體的新型電力系統，促進能源綠色低碳轉型提供支撐。

一、飛輪儲能技術

（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）驅動大慣量飛輪高速旋轉，實現電能與飛輪機械能之間相互轉換的一種技術，通常工作在每分鐘30000轉左右高速狀態(tài)。充電時電機工作在電動機模式，吸收外部電能驅動飛輪加速旋轉，將電能轉換為轉子動能儲存；放電時電機工作在發(fā)電機模式，將高速轉子制動降速發(fā)電，將飛輪動能轉化為電能向外輸出。

（二）國內外典型應用

飛輪儲能已應用在軌道交通制動能量回收、企業(yè)級不間斷電源（UPS）、電力系統調節(jié)與穩(wěn)定、微電網以及衛(wèi)星和空間站姿態(tài)控制、電磁彈射等領域。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、加拿大微電網項目。國內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、浙江大學微電網、山西電網調頻等電力項目得到應用。

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鍵技術方案之一。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備安全。據統計，城市軌道交通列車制動產生的能量可達到牽引系統耗能的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試驗。該項目是我國首個應用飛輪儲能技術的地鐵項目，引領國內軌道交通行業(yè)飛輪型再生制動能量系統的應用發(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支撐。

飛輪儲能技術，其吸收列車進站制動動能并存儲，在出站時釋放所存能量，驅動列車啟動。充放電可達10萬次以上，使用壽命超過20年，安全穩(wěn)定，維護簡單，可大幅節(jié)省運營維護工作量及投入。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計，布置靈活，方便擴容，與供電系統接口簡單。

地鐵房山線廣陽城站飛輪儲能試驗項目設計功率1兆瓦（按GTR飛輪儲能產品規(guī)格需設置3臺，單臺容量為333千瓦），存儲容量為11千瓦時。最高轉速36000轉/分鐘，工作電壓直流750/1500伏，實現1毫秒瞬時響應，5毫秒達到全功率。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飛輪儲能裝置，替換原有電阻制動設備，花園橋站安裝1兆瓦、車公莊西站安裝2兆瓦，現已進入設備安裝調試階段。

（二）應用效果分析

1.節(jié)能減排。廣陽城站1兆瓦飛儲能系統平均每小時回收節(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.電網調節(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，將直流牽引網電壓波動由1830-1861伏基本穩(wěn)定在1830伏以下，起到供電網電壓支撐作用，消除了列車啟停對車輛繼電保護的安全威脅和對外部電網造成的諧波污染。

3.應急電源。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450米，速度達到11千米/小時，依靠慣性列車最終滑行距離超過1000米，到達站臺安全停靠，全面增強地鐵應對供電中斷的突發(fā)情況及保障安全運營的搶險能力。

4.環(huán)境效益。因車站設備布置空間緊張，地鐵制動電阻配置受限，需要配置冷卻風機散熱，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，晝間距飛輪儲能設備房間墻壁1米處噪音平均值為56分貝（遠低于85分貝的標準上限），滿足國標要求；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。采用不同技術類型制動系統，其設備占地面積差別明顯。天橋站采用中壓能饋系統占地面積11.07平米/套，北邵洼站低壓能饋系統占地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，飛輪儲能系統不需擴大占地，可以完全就地替代逆變回饋、電阻制動等設施。

6.經濟效益。按廣陽城站1兆瓦飛輪儲能項目節(jié)電數據測算，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。相較于化學電池儲能，飛輪儲能屬于物理儲能，不會有燃燒爆炸風險。盡管國內外個別科研機構在研發(fā)環(huán)節(jié)曾發(fā)生意外事故，但商業(yè)化應用基本未發(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，人口基數大，日常交通出行需求大且呈剛性，地面交通擁堵指數常年處于高位，軌道交通成為人們綠色出行的首選。數量眾多的列車發(fā)生制動時，產生的制動能量，其中僅有很小一部分用于自身動力照明負荷，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，該線需要設置11座飛輪儲能裝置。按每套1兆瓦飛輪儲能系統年節(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）電力用戶自備應急電源場景

北京電網重要用戶多，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%用戶未配置自備應急電源。另外，柴油發(fā)電機啟動需要10秒以上才能達滿負荷工作狀態(tài)，對于數百千瓦的負荷乃至兆瓦級的重要用戶負荷仍然存在供電中斷情況。飛輪儲能可實現5毫秒達到滿負荷運行，有效避免斷電影響，還能平抑配網電壓波動，提高供電質量，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)提供高品質不間斷電源。

（三）配網大規(guī)模安全充電場景

到2025年，全市汽車電動化率將達30%，新能源汽車累計保有量達200萬輛，配套建設充電樁70萬個，換電站310座。電動車輛規(guī)?；l(fā)展效應，勢必帶來高同時性大功率充電需求，嚴重影響配網安全。配置飛輪儲能可以提供快速大功率供電，平抑充電對電網的沖擊波動。在公交場站、出租車換電站、高速公路服務區(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。建設由“源、網、荷、儲”組成的小型發(fā)配電新能源微電網系統，配置飛輪儲能平抑風電、光伏及生物發(fā)電等分布式能源的波動，穩(wěn)定電能輸出，提升配網對本地新能源的接入能力，向微網用戶提供高品質綠色清潔電力，增強本地電力供應自保能力。

（四）燃氣機組熱電解耦調峰場景

在燃氣電廠中，熱電解耦可以提升燃氣輪機靈活性，提高能源效率并降低碳排放。飛輪儲能作為一種對負荷響應速度快、能量轉化效率高的大功率儲能類型,非常適合電網快速調峰調頻領域。研究表明：10兆瓦飛輪儲能輔助320兆瓦供熱機組參與調頻，在5%供熱需求變化時,通過迅速釋放或吸收能量，減少燃氣輪機輸出功率變化，汽輪機功率波動振幅減少60.3%,系統恢復穩(wěn)態(tài)時間縮短37.5%;供熱抽汽壓力波動振幅減少59.2%;電網頻率波動振幅減少46.4%,燃氣機組能更快恢復穩(wěn)態(tài)。

四、飛輪儲能發(fā)展建議

1.加大技術研發(fā)力度，布局相關產業(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、真空技術及智能電控系統，均屬于機械電氣設備制造方面的高精尖領域，同時也是支撐工業(yè)高質量發(fā)展的工業(yè)母機基礎技術，可采用“揭榜掛帥”“賽馬”等機制，鼓勵科研院所企事業(yè)單位聯合創(chuàng)新，高水平開展復合型高強度飛輪材料科學研究、高速主動磁懸浮軸承技術研發(fā)、真空設備及應用、飛輪儲能集成化成果轉化、自動化制造等產業(yè)化項目。充分發(fā)揮北京高端人才聚集、產業(yè)基礎扎實等優(yōu)勢，加快飛輪等新型儲能產業(yè)培育，依托京津冀協同發(fā)展機制，布局飛輪儲能產業(yè)創(chuàng)新鏈，加快建設先進儲能制造業(yè)產業(yè)集群。

2.實施重點場景示范應用。重點在軌道列車啟停電能回收、自備應急電源、配網大規(guī)模安全充電及新能源微網、燃氣機組熱電解耦調峰等用能領域，開展飛輪儲能項目試點和工程示范，積累實際運行經驗，為規(guī)模化應用提供實證案例，促進飛輪儲能技術全面商業(yè)化，降低成本，系統性提高飛輪儲能產品性能和成熟度。

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。完善飛輪儲能設計、施工、運行以及驗收技術和管理標準，以標準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.開展應用機制創(chuàng)新。完善合同能源管理、需求側響應等機制，以第三階段輸配電價核定為契機，研究電網、儲能企業(yè)及用戶共擔費用的配網綠電過網機制，促進出臺“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，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。

原標題：北京市飛輪儲能技術應用場景分析及發(fā)展建議