据能源圈了解到，

摘 要 针对新能源场站一次调频技术的迫切需求，本工作研究了MW级飞轮阵列在此场景下的创新应用，设计了飞轮储能阵列系统集成接入方案，提出了飞轮储能阵列参与新能源场站一次调频控制策略，并在新能源场站主变低压侧(35 kV)独立接入了一套5 MW/175 kWh的飞轮阵列系统。为了全面验证该方案的可行性与性能优势，本工作实施了一系列的试验测试，涵盖单机充放电快速切换、频率阶跃扰动响应、防扰动性能校验以及一次调频死区测试等多个维度的工况试验。此外，结合现场长期运行的实时监测数据，综合分析表明，采用MW级飞轮阵列显著增强了新能源场站的一次调频能力，提高了系统响应速度。

关键词 新能源场站；一次调频；飞轮储能；飞轮阵列

随着国家“碳达峰、碳中和”目标的设立，预计到2030年，以化石能源为主导的电力格局将逐渐转型为以新能源发电装机及发电量占据主导地位的新型电力系统，这一变革不仅标志着我国能源结构的优化升级，更是确保未来能源安全与保障的重要举措。然而，以风电和光伏为代表的新能源发电系统具有间歇波动性和不确定性，必须解决新能源消纳受限以及电力系统安全稳定的问题。为了维持电网频率的稳定，2018年6月6日，国家能源局颁布了《电力系统网源协调技术规范》，其中明文要求风力发电站和太阳能光伏电站必须配备有一次调频功能，到2020年，超过15个省份强制要求新能源场站配置一次调频功能。同年7月1日，国家开始强制实施新的《电力系统安全稳定导则》标准(GB 38755—2019)，要求所有接入35 kV及以上电压等级的电源都必须具备一次调频功能。此外，从2022年5月1日开始，国家标准《并网电源一次调频技术规定及试验导则》(GB/T 40595—2021)进一步要求新能源场站应具备上调6%和下调10%的一次调频调节范围。

新能源场站具备一次调频功能是保证电力系统稳定运行的重要手段，其参与电力系统调频的方式可以大致分为两类：第一类是通过改进新能源场站自身的功率调节功能，以提供电网频率支撑功率。第二类则是通过附加储能系统来协助新能源场站参与电力系统频率的调节。电力系统一次调频具有短时功率输出大、要求响应时间迅速、持续时间短以及充放电频次较高等特征，是功率型储能系统的典型应用场景[5]。飞轮储能系统作为一种新型的储能技术，凭借其快速响应能力和卓越的高功率密度，特别适用于电网一次调频这种短时、高频次的充放电应用场景。近年来，已有一些研究将飞轮储能系统应用于新能源场站的一次调频中，文献[7]引入了飞轮储能阵列系统，设计了飞轮储能阵列系统与风力发电机组的网络拓扑，并提出了相应的充放电及安全协调控制策略，通过仿真实验验证了飞轮储能阵列系统与风电场协同运行的有效性。文献[8]则针对风电场飞轮阵列储能系统，研究了基于分层架构的分布式控制策略，通过理论分析和仿真实验，验证了所提出的一致性算法在飞轮储能阵列系统中的应用可行性。文献[9]研究了飞轮储能阵列在风电场中的应用，提出了相关的功率协调控制及储能阵列分层分组控制策略，仿真实验结果验证，采用飞轮组合的方法确实可以稳定风力发电的瞬时功率波动，且波动幅度维持在允许的限定区间之内。文献[10]提出在风电场交流出口处接入飞轮储能装置，并设计了一种基于飞轮储能的风电场调频控制策略，通过仿真验证了控制策略的有效性。以上研究工作基本上都是以理论仿真研究和样机研制为主，应用全容量MW级飞轮阵列系统接入新能源场站完成一次调频功能改造，还缺乏实际的工程化应用案例。

因此，本工作围绕MW级飞轮阵列在新能源场站中一次调频的工程化应用，在国家电投河南平顶山叶县长丰50 MW风电场站，按照新能源场站额定容量的10%比例，配建了5 MW/175 kWh飞轮阵列系统，实现并完成了国内首个新能源+全容量飞轮系统一次调频改造的工程应用，并进行了包括单机充放电切换测试、频率阶跃扰动、防扰动性能校验、一次调频死区测试及长期运行等在内的一系列试验测试。试验及长期运行结果表明，采用MW级飞轮阵列能显著提升风电场一次调频的性能，提高风电场系统的稳定性和经济效益，具有重要的工程化应用示范和现实意义。

图1 河南MW级先进飞轮储能系统示范项目

1 飞轮储能阵列辅助新能源场站一次调频介绍

1.1　飞轮储能系统单元

飞轮储能是一种物理储能方式，其运行原理是在真空磁悬浮环境下，利用旋转体来存储动能，通过电动/发电双向电机来实现电能与动能之间的高效转换，这种储能技术具有其独特的优势和应用潜力。飞轮储能单元集成了飞轮本体、飞轮控制系统、功率系统、制动电阻、水冷机、真空泵等部件，可实现标准化和模块化。

图2 飞轮储能装置组成拓扑

1.2　飞轮阵列系统接入拓扑

鉴于单个飞轮储能单元的功率和容量存在限制，为了构建具备更大功率和容量的飞轮储能系统，可以将多个飞轮储能单元通过交流或直流并机的方式组成飞轮储能阵列。图3为飞轮储能阵列交流并联系统架构，将多台储能变流器(power converter system, PCS)并联接入到新能源场站主变压器低压侧35 kV交流母线，进而形成了一个具有更高功率与能量的飞轮储能阵列系统。其中PCS负责完成交流侧到直流侧的功率变换，而飞轮的机侧变流器则负责完成直流侧到电机定子交流端之间的功率变换，通过这两个双向变流器，实现飞轮储能与电网之间的双向功率流动。

图3 飞轮储能阵列系统接入拓扑

1.3　系统一次调频通信架构

飞轮储能阵列系统采用阵列化运行方案，飞轮储能阵列的EMS平台接收上层调度或者一次调频装置的指令，其中一次调频指令优先级最高，一次调频装置检测并网点频率变化超过范围时，一次调频装置下发一次调频目标值指令至飞轮储能阵列EMS平台，遵循一次调频优先动作的原则，飞轮储能EMS平台调用飞轮阵列功率分配算法，迅速向各飞轮控制单元下发设定功率值。当并网点频率恢复正常，一次调频装置下发一次调频目标值清零指令，飞轮储能EMS平台停止执行飞轮阵列功率分配算法，开始调用电量主动均衡算法，向各飞轮控制单元下发电量均衡功率目标值，控制每个飞轮储能单元的SOC维持在合理水平，以应对下一次调频动作，见图4。

图4 飞轮储能电站一次调频控制结构图

2 飞轮储能阵列参与新能源场站一次调频控制

2.1　新能源场站一次调频功能

新能源(风力/光伏发电)场站根据设定的有功-频率下垂特性曲线(图5)，当系统检测到电网频率波动超出死区频率图片(图片为频率上限，图片为频率下限)，一次调频系统投入，动态调节系统并网点功率，参与电网一次频率的快速调节过程。

图5 新能源场站(风电/光伏)一次调频有功-频率下垂特性示意图

2.2　飞轮储能阵列功率分配策略

2.3　电量主动均衡策略

在电量主动均衡的过程中，为保障储能系统的最大可用性，考虑频率变化的随机性，需将飞轮储能阵列内各单元的图片维持在一个比较中间的水平，以应对频率在向上或向下变化时，飞轮储能阵列系统有足够的响应电量。因此，需在一次调频不动作的期间，采用电量主动均衡策略对多个飞轮的电量进行小功率的动态调整。

电量主动均衡策略主要考虑两个因素，一是在电量均衡过程中，储能系统不对新能源场站并网口的出力造成较大偏差，二是避免小功率按比例分配后，单台充放电指令过小，导致充放电控制精度偏低，影响均衡效果。因此，主动电量均衡过程将采用轮调方式，逐台进行电量均衡。

3 飞轮阵列辅助新能源场站一次调频测试

针对新能源场站的一次调频功能优化改造，2023年5月国电投坎德拉(北京)新能源科技有限公司交付了河南长丰风电场5 MW/175 kWh飞轮储能阵列系统项目，交流并联接入5台1 MW/35 kWh到风电场升压站35 kV母线上，以满足新能源场站一次调频改造需求。

单台1 MW/35 kWh飞轮储能单元参数见表1。

表1 1 MW/35 kWh飞轮储能单元参数

飞轮储能阵列系统并网后，以5 MW独立飞轮储能电站为测试对象，通过现场试验验证飞轮储能电站辅助新能源场站一次调频功能的各项技术指标，现场一次调频试验系统连接方式如图6所示，数据记录分析仪接在35 kV并网点电压互感器(PT)和电流互感器(CT)上，频率信号发生装置与一次调频装置的频率测量模块相连。

图6 飞轮储能电站采用频率信号发生装置测试接线示意图

现场试验进行了包括单机充放电切换测试、频率阶跃扰动、防扰动性能校验及一次调频死区测试等在内的一系列试验测试，并通过长期运行验证了飞轮储能阵列辅助新能源场站一次调频的有效性。

3.1　飞轮单机充放电切换测试

飞轮单机系统上电启动后，网侧的储能变流器控制直流母线电压，维持直流侧电压稳定在1200 V，初始启动阶段，飞轮电机按照恒转矩模式升速至工作转速范围内后待机，随后飞轮电机控制模式切换为恒功率控制模式，此时可接受飞轮阵列EMS平台的功率调度指令。单机设定大功率充电升速持续至少10 s后，再切换为大功率放电。如图7所示，直流侧电流接入示波器监测，可看到在大功率充放电切换的过程中，电流开始变化的a点到电流稳定后的b点中间经历了49.6 ms；随后在设定大功率放电降速持续至少10 s后，再切换为大功率充电。如图8所示，可看到在大功率充放电切换的过程中，电流开始变化的a点到电流稳定后的b点中间经历了42.8 ms。经过几轮测试，得出飞轮储能单元单机充放电转换时间小于50 ms(-90%～90%功率区间)，性能较好，可满足一次调频所需的短时、高频次的充放电应用需求。

图7 大功率充电切换为大功率放电直流侧电流变化(黄色曲线)

图8 大功率放电切换为大功率充电直流侧电流变化(黄色曲线)

3.2　频率阶跃扰动试验

飞轮储能电站一次调频频率阶跃扰动试验分为两个方向：频率阶跃上升扰动和频率阶跃下降扰动，通过频率信号发生装置来设定特定上升和下降的频率阶跃扰动值。根据飞轮储能阵列系统在面对这两种频率阶跃扰动时的响应特性，进行了详细的测试与分析，测试结果如图9所示。在飞轮储能电站启动运行一段时间后，通过频率信号发生装置设定一个阶跃上扰动，一次调频系统检测频率超过死区后迅速开始动作，飞轮储能电站迅速增大充电功率，随后设定频率恢复至50 Hz，飞轮储能电站的充电功率迅速恢复至待机功率；设置一个阶跃下扰动，飞轮储能电站迅速切换为放电状态，随后设定频率恢复至50 Hz，飞轮储能电站迅速恢复至待机状态。在频率阶跃扰动测试期间，平均滞后时间为117 ms，最大滞后时间273 ms，平均上升时间为236 ms，最大上升时间445 ms，平均调节时间为282 ms，最大调节时间553 ms，平均控制偏差为0.12%，最大控制偏差0.78%，性能满足GB/T 40595—2021《并网电源一次调频技术规定及试验导则》要求。

图9 频率阶跃值上升扰动与下降扰动有功功率响应波形

3.3　防扰动性能校验

为验证飞轮储能阵列一次调频系统的抗扰动能力，防扰动性能校验使用频率信号发生装置来产生故障穿越相应的校验信号，目的是校验飞轮储能阵列系统在面临异常状况时的调频性能响应，测试结果如图10所示。具体试验过程中，以一次调频控制系统计算频率的单相电压幅值，瞬间降低至额定电压的0、0.2、0.4、0.6和0.8，每次持续时间为150毫秒，并在跌落和恢复时完成两次相位移动，每次相移60度。

图10 防电网暂态扰动电压跌落响应

当电压幅值与相位发生突变时，飞轮储能阵列系统的输出功率未发生变化。试验结果证明，该飞轮储能阵列系统的一次调频功能具备避开单一短路故障引起的瞬间频率突变的能力。

3.4　一次调频死区测试

人工设定一次调频的死区为(500.05) Hz，阶跃扰动结果如图11所示，当频率设置从50 Hz阶跃到50.047 Hz、49.947 Hz时，飞轮电站实测有功功率未发生变化，当频率设置从50 Hz阶跃到50.053 Hz和49.953 Hz时，飞轮电站实测有功功率发生变化，满足一次调频频率死区的要求(0.05 Hz以内)。

图11 一次调频死区验证响应波形

3.5　飞轮储能电站长期运行

5 MW独立飞轮储能电站为长丰风电场提供一次调频服务，具备一次调频在线主动测试功能，可接受省调主站一次调频在线主动测试信号，实时向主站反馈长丰风电场站一次调频在线测试条件，并自动响应主站的测试信号，同时将可用功率、一次调频投入/退出/动作/复归信号等通过PMU测点的方式实时上传到调度中心，满足调度侧对长丰风电场站一次调频运行和性能的在线监视和统计分析等要求。目前项目已投运近一年多的时间，一次调频功能运行正常，日均一次调频响应动作1900次左右，日均充放电量6000 kWh左右，满足风电场一次调频响应要求，有效减免长丰风电场政策考核罚款，避免了采用传统技术路线限制风机10%额定负荷而引发的弃风问题，并匹配风机20年的运行年限，有效保障长丰风电场发电收益。

图12 飞轮储能电站系统界面及运行曲线

4 结 论

该项目是国内首个新能源场站与全容量MW级飞轮储能融合的一次调频功能改造工程，本工作设计了飞轮储能阵列系统的集成接入方案，提出了一次调频控制策略，并实施了单机充放电快速切换、频率阶跃扰动响应、防扰动性能校验和一次调频死区测试等一系列的试验测试，并通过现场长期运行数据监控，全方位验证了系统性能，结果表明飞轮阵列系统在频率阶跃扰动下展现出卓越的响应速度，平均滞后时间和调节时间均优于行业标准，同时控制偏差保持在极低的水平。此外，系统还具备有效抵御单一短路故障引起的瞬间频率突变的能力，以及调频死区设置功能，进一步增强了系统运行的稳定性。本研究的成功实施与应用，不仅充分解决了新能源场站一次调频考核问题，更以实际成果证明了飞轮阵列系统在新能源场站一次调频改造中的技术可行性和优越性，促进了新型储能与双新电力系统的有机融合，为新形势下电力系统的稳定工作提供了有力支撑。