盾石磁能王大杰：GTR飛輪在軌道交通中的運(yùn)用
盾石磁能科技有限責(zé)任公司軌道交通技術(shù)負(fù)責(zé)人 王大杰
2019年5月18-20日，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟、中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所舉辦“ESIE2019儲(chǔ)能?chē)?guó)際峰會(huì)暨展覽會(huì)”，盾石磁能科技有限責(zé)任公司軌道交通技術(shù)負(fù)責(zé)人王大杰在會(huì)上發(fā)言。
各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專(zhuān)家大家下午好，我叫王大杰，來(lái)自GTR磁能科技有限責(zé)任公司，今天我來(lái)給大家匯報(bào)一下《GTR飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用》，我匯報(bào)分四個(gè)部分：一是對(duì)飛輪產(chǎn)品進(jìn)行介紹，二是對(duì)飛輪在地鐵領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明，三是詳細(xì)說(shuō)明一下我們?cè)诒本┑罔F的運(yùn)行目，四是飛輪在電源領(lǐng)域的應(yīng)用。
首先介紹一下我們公司，GTR磁能科技有限責(zé)任公司，成立于2014年，公司收購(gòu)源于歐洲最大軸濃縮公司URENCO的飛輪技術(shù)公司KTSI，將先進(jìn)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)引入到國(guó)內(nèi)，擁有全部技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
首先對(duì)飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行一個(gè)介紹，技術(shù)原理不用多說(shuō)了，GTR飛輪是屬于一種功率型的飛輪，靠提升轉(zhuǎn)速來(lái)提高儲(chǔ)能量，目前GTR飛輪最高轉(zhuǎn)速是36000轉(zhuǎn)每分鐘。下面說(shuō)明一下產(chǎn)品特性，GTR我剛才一直在說(shuō)，是我們公司的品牌，飛輪的品牌，GTR飛輪的命名也是充分展現(xiàn)了其自身特性，分別就是我列出短時(shí)高頻次、超長(zhǎng)壽命、快速響應(yīng)。良性到各個(gè)指標(biāo)短時(shí)高頻次對(duì)應(yīng)GTR飛輪可以在一小時(shí)之內(nèi)完成40次的深度充放電，超長(zhǎng)壽命在全生命周期大于1000萬(wàn)次循環(huán)充放次數(shù)，快速響應(yīng)是1毫秒，全功率充放時(shí)間是5毫秒。
基于GTR飛輪的產(chǎn)品特性主要有三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：一是對(duì)負(fù)荷波動(dòng)比較頻繁的場(chǎng)合，比如軋鋼機(jī)、電弧爐、牽引變壓器等，這些都是一直存在著諧波等問(wèn)題，飛輪可以治理這些電池問(wèn)題，同時(shí)可以降低這些沖擊性負(fù)荷的最低功率，降低電費(fèi)。二是動(dòng)、勢(shì)、位能與電能相互轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，主要有港口吊機(jī)，大型商場(chǎng)的電梯，軌道交通領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都有再生能量產(chǎn)生，飛輪在這里面可以吸收再利用，達(dá)到一個(gè)節(jié)能的作用。三是對(duì)電能質(zhì)量要求高的場(chǎng)合，比如說(shuō)化纖行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、汽車(chē)制造行業(yè)，這些行業(yè)對(duì)電能質(zhì)量，尤其是電壓暫降要求非常高，同時(shí)GTR飛輪可以解決IEE標(biāo)準(zhǔn)里面提到的九種電池質(zhì)量問(wèn)題。
這是一個(gè)飛輪本題的結(jié)構(gòu)，也就是飛輪的儲(chǔ)能體，里面就是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，里面是一個(gè)真空的系統(tǒng)，包括飛輪在高空旋轉(zhuǎn)的都是磁懸浮的，我著重說(shuō)明一下這個(gè)電機(jī)的構(gòu)造，是采用了中心電子外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，采用這種巧妙的設(shè)計(jì)可以讓飛輪的軸系更加穩(wěn)定，同時(shí)讓飛輪的占地面積更小。這個(gè)轉(zhuǎn)子采用一體化的設(shè)計(jì)，使飛輪轉(zhuǎn)子更加穩(wěn)定和安全。
GTR飛輪核心技術(shù)包括碳纖維負(fù)荷轉(zhuǎn)子，被動(dòng)磁軸承，高速永磁電機(jī)。碳纖維復(fù)合轉(zhuǎn)子高強(qiáng)度、抗拉伸，MLC加工工藝，相對(duì)鋼制轉(zhuǎn)子，無(wú)銅無(wú)鐵損耗更低，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)速度快。
GTR飛輪采用了模塊化的設(shè)計(jì)，通過(guò)多個(gè)模塊的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。同時(shí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)跟牽引電網(wǎng)以及外界的電網(wǎng)都是采用并聯(lián)的接觸方式，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，在單個(gè)模塊出現(xiàn)故障的時(shí)候可以隔離，只需要降額運(yùn)行，不需要停電。目前單個(gè)模塊具體的參數(shù)，功率可以達(dá)到333千瓦，可用量是1.58度電，占地面積1.6平方米，重量是1.5t。
基于對(duì)多個(gè)模塊集成的這些進(jìn)行能量控制，我們公司也是開(kāi)發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的能量管理系統(tǒng)，能量管理單元主要就是實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊之間的功率均衡以及監(jiān)測(cè)、控制，它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊的一鍵啟停，可以監(jiān)測(cè)各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)信息，可以記錄運(yùn)行日志，記錄故障和報(bào)警信息。它最核心的功能是可以保證每個(gè)功率單元之間的均衡，可以保證每個(gè)飛輪的SOC值時(shí)刻處于一致的狀態(tài)。
GTR飛輪在2017年取得了中國(guó)電科院和鐵科院的權(quán)威認(rèn)證，在2018年取得了國(guó)家ISO9001的體系認(rèn)證，同時(shí)公司的GTR飛輪產(chǎn)品是提供中國(guó)人保公司的三年保險(xiǎn)。
下面進(jìn)行第二部分說(shuō)明，就是飛輪在地鐵領(lǐng)域的主要運(yùn)用方向：制動(dòng)能量回收，牽引網(wǎng)壓支撐和應(yīng)急支撐電源。
因?yàn)槟壳败壍懒熊?chē)都是采用電制動(dòng)，制動(dòng)能量都是返回到電網(wǎng)，如果能量不被消耗就會(huì)導(dǎo)致到底失效，這里飛輪可以保證列車(chē)進(jìn)行穩(wěn)定的電制動(dòng)，同時(shí)將制動(dòng)能量回收再利用，達(dá)到節(jié)能效果在15-30%，節(jié)約牽引電費(fèi)，同時(shí)飛輪也是取代了集成上的電阻，降低了通風(fēng)損耗。
牽引網(wǎng)壓支撐，在地形比較復(fù)雜的地方，隨著后期地鐵運(yùn)量的提升，造成牽引網(wǎng)壓跌落比較嚴(yán)重，此時(shí)在線(xiàn)路中斷加裝飛輪儲(chǔ)能裝置，在列車(chē)經(jīng)過(guò)的時(shí)候飛輪可以輔助牽引系統(tǒng)對(duì)外進(jìn)行放電，從而有效的支撐牽引網(wǎng)壓，以減少了在建多變電所的投資和后期運(yùn)營(yíng)的高額支出。
應(yīng)急支撐電源，在牽引供電出現(xiàn)故障的時(shí)候，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)需要按照調(diào)度指令先牽引網(wǎng)進(jìn)行釋放，便于疏散乘客。
下面就北京地鐵項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)介紹，GTR飛輪在北京地鐵的應(yīng)用是國(guó)內(nèi)首個(gè)將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)用到城市軌道交通項(xiàng)目，填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的空白，圖片是我們現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一個(gè)圖片。
這里面有一個(gè)視頻我給大家展示一下，這是我們?cè)诒本┑罔F應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)大記錄，大家了解一下。安裝在了廣陽(yáng)城地鐵站的變壓變電室內(nèi)。列車(chē)進(jìn)站的時(shí)候飛輪吸收制動(dòng)能量，列車(chē)出站的時(shí)候?qū)⒅苿?dòng)能量進(jìn)行釋放，這是能量管理單元的一個(gè)監(jiān)測(cè)頁(yè)面。接下來(lái)我還會(huì)對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明。
GTR飛輪在北京地鐵進(jìn)行項(xiàng)目主要有以下五方面的意義：
1、對(duì)城市軌道較運(yùn)營(yíng)、維護(hù)具有重要意義，平均每年可以節(jié)約15-30%的牽引電費(fèi)，同時(shí)可以穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓，改善牽引網(wǎng)電能質(zhì)量。
2、較原有制動(dòng)能量管理技術(shù)更為先進(jìn)、穩(wěn)定及效益突出。較第一代電阻而言可以吸收再利用再生電能，可以節(jié)能，較中亞能虧實(shí)現(xiàn)即收即用，節(jié)能效果更好，相比第三代超級(jí)電容有更高的頻繁接受次數(shù)。
3、對(duì)軌道交通行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有重要推動(dòng)作用。
4、在軌道交通產(chǎn)業(yè)采用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)符合國(guó)家重要政策指引方向。
5、在飛輪項(xiàng)目實(shí)施期間形成了完整的解決方案，對(duì)應(yīng)用起到了解決引領(lǐng)作用。
這是我們?cè)诒本┑膽?yīng)用效果，上面圖形代表飛輪跟隨牽引網(wǎng)波進(jìn)行響應(yīng)，非常頻繁，功率達(dá)到1兆瓦，下面代表3臺(tái)轉(zhuǎn)速的曲線(xiàn)，可以看到轉(zhuǎn)速非常一致，轉(zhuǎn)速差不會(huì)超過(guò)10赫茲。我們對(duì)飛輪的動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在1小時(shí)之內(nèi)功率超過(guò)75%深度的這些充放電達(dá)到了103次，全功率充放電是44次。對(duì)為期十天的節(jié)能效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，平均每天可以節(jié)約15-30%的電能，節(jié)能率目前我們統(tǒng)計(jì)大于19%，飛輪每小時(shí)可以節(jié)約80-100千瓦時(shí)的電能，我們?cè)阼F科院的認(rèn)證每小時(shí)節(jié)約93千瓦時(shí)，平均每年可以節(jié)約53-66萬(wàn)千瓦時(shí)的電能。
這是穩(wěn)壓效果的展示。
下面簡(jiǎn)單說(shuō)明一下第四部分的應(yīng)用，主要就是頻率調(diào)解和不間斷電源，在頻率調(diào)節(jié)主要說(shuō)三個(gè)項(xiàng)目，加拿大的拉格倫鎳礦項(xiàng)目，這個(gè)系統(tǒng)每年可以節(jié)約5%的柴油燃料，節(jié)能效果也是非常好，這個(gè)是對(duì)飛輪參與調(diào)頻以后的一個(gè)系統(tǒng)波動(dòng)由原來(lái)的波動(dòng)非常大的一個(gè)改善的結(jié)果，不再展開(kāi)說(shuō)明了。
這邊是我們?cè)谔K格蘭兩個(gè)島嶼的微電網(wǎng)項(xiàng)目，里面有風(fēng)能、太陽(yáng)能以及柴油發(fā)電機(jī)，其中在埃格島項(xiàng)目加上飛輪以后，通過(guò)功率對(duì)比圖看出來(lái)，飛輪把牽引電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定在52赫茲左右，同時(shí)飛輪在埃格島參與調(diào)頻，使發(fā)動(dòng)機(jī)組的輸出功率從偏差60千瓦降低到偏差20千瓦，使水力發(fā)電的功率輸出更加穩(wěn)定，極端功率事件大大減少。
在費(fèi)爾島的運(yùn)用項(xiàng)目飛輪參與風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻，在風(fēng)力發(fā)電頻率增大的時(shí)候飛輪進(jìn)行儲(chǔ)能，同時(shí)在沒(méi)有風(fēng)能的時(shí)候，飛輪時(shí)不時(shí)的放電對(duì)電網(wǎng)提供電能。飛輪就像是一個(gè)UPS，時(shí)刻在給費(fèi)爾島提供不間斷的電源，其中在2017年10月飛輪提供了一正月連續(xù)電能。
在UPS不間斷電源里面我們有一個(gè)日本NDK的項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目對(duì)飛輪的儲(chǔ)能安全性以及維護(hù)量要求比較少。其中它的功能性的要求是在柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前提供一個(gè)50千瓦不少于3分鐘的過(guò)渡電源，在日本NDK這個(gè)項(xiàng)目的效果在使用期間也是提供了很好的后備電源的保障。
最后說(shuō)一下我們?cè)趪?guó)內(nèi)應(yīng)用的微電網(wǎng)的項(xiàng)目以及UPS項(xiàng)目，在2016年完成了園區(qū)智能微電網(wǎng)的一個(gè)項(xiàng)目，在2017年完成了浙江大學(xué)的微電網(wǎng)項(xiàng)目，在2019年完成了一個(gè)飛輪UPS電壓暫降項(xiàng)目。
最后，歡迎大家關(guān)注GTR飛輪儲(chǔ)能，同時(shí)我們?cè)谙旅鍭30也有展位，歡迎大家前來(lái)指導(dǎo)，我的匯報(bào)完畢，謝謝大家！
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