2018年底的统计数据表明，新能源发电装机首超水电，跃居我国第二大发电形式，但新能源本身固有的随机性和波动性对电网的稳定带来了挑战，并且新能源机组对电网调峰、调频的贡献可以忽略不计。建设一定规模以飞轮储能为代表的电网级灵活调节资源是应对这一挑战的途径之一，飞轮储能的工程价值则通过调频辅助服务市场等典型应用场景得以体现。
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什么是飞轮储能
飞轮储能系统主要由转子、支承系统、真空与冷却系统、电机、储能变流器（power convertion system，PCS）构成。其中电机和PCS的选择相对比较方便，基本上都有货架产品，永磁电机、感应电机均可使用，感应电机技术成熟成本可控，是降低飞轮系统成本的首选。而转子、支承系统、真空与冷却系统的设计并不相同。
No.2
飞轮储能在电力系统的工程应用
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电网调频
安全可靠的电网运行要求在任意时刻平衡电力供应和电力需求。当供过于求时，频率上升到50 Hz以上，烧毁用电设备，当供不应求时，频率下降到50 Hz以下。为了将电网频率保持在合理的范围内，电网运营商使用辅助服务来平衡发电与用电的偏差。一次调频是指根据用电负荷频率响应特性，以及电源侧调速器的作用，来削弱电网频率波动的调节方式。用电负荷频率响应特性：电网中的用电设备耗功与频率的一、二、三次方甚至高次方成正比，当频率升高时耗功增加，反之则耗功减少。
电源侧调速器的作用：从汽轮机原理中可以知道，汽轮机的静特性可用一条向下倾斜的曲线来描述，即并列运行的机组，当系统频率下降时，汽轮机的输出功率会有所增加。
因此负荷频率响应特性曲线与汽轮机静特性线必然交于一点，交点的频率和功率即为发用电平衡时的频率和功率。一次调频就是负荷频率响应特性曲线移动时汽轮机静特性线不动的调节方式。但由于只移动了一条曲线因此交点必然移动，电网频率必然变化，想要保持频率不变必须移动汽轮机静特性线，这就是二次调频。但二次调频不能保证全网机组的最佳经济运行，可能有个别机组煤耗偏高，需要由三次调频的经济调度来解决，本文只讨论一、二次调频。
电网每年对辅助服务的需求相对比较稳定，在美国大约相当于每日峰值发电量的1%。由于风电和光伏的快速增长，辅助服务需求的增长将快于总体电力增长。与提供辅助服务的火力发电机组不同，飞轮储能技术无需化石燃料，也不会直接产生空气污染物。这使得在电网的任何地方，只要离输电线路比较近，都能快速建设一座飞轮调频电站。飞轮调频的反应速度非常快，可以在收到调度指令信号后不到1秒达到满功率充电或放电状态。这种快速调频能力使得飞轮可以代替数倍于自身的火电机组。以飞轮取代现有的调频机组还有另一个优点：火电机组的负荷相对更稳定，其结果是提高了整体能源效率，减少了排放。
我国电力系统的规模和复杂程度逐年递增，想要通过传统机组性能优化的方法一劳永逸地解决电网频率稳定性问题是不可能的。限于燃煤机组本身固有的大惯性、强耦合、非线性等特性，必然带来调节延迟、调节反向和调节偏差的问题，传统调频优化手段难以使其调频性能发生质的飞跃，电网调频必须引入新技术才能有所突破，目前最适合代替燃煤机组调频的是功率型储能技术，调频领域未来的发展方向应当是建立满足电网调频需求的联合调频电站及独立调频电站。
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配合光伏电站
从20世纪90年代起，飞轮作为新型储能方式如何与光伏发电配合就已经提上了议事日程。而目前欧洲仍然有测试中的示范项目，这些项目基于飞轮、燃气轮机和可再生能源的组合，探索该组合在关键时刻稳定电网，以及降低向未来零碳发电时代高质量电网的过渡成本的潜力。
2018年4月Amber Kinetics在马萨诸塞州完成了128 kW/512 kW·h的项目，与West Boylston MLP原有的370 kW光伏系统在交流侧连接，同年6月又在西藏运高60 MW光伏电站中安装了两套8 kW/32 kW·h的飞轮，其安装流程为铺设设备基础、放置飞轮钢桶、吊装飞轮、连接电缆和控制线、飞轮系统并网。值得一提的是，不同于其他公司的功率型飞轮，Amber Kinetics公司的飞轮放电时长高达4 h，与能量型电池的放电时长相当。
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微电网支撑
微电网的长期稳定运行离不开储能技术的支持。原美国KTSi公司的GTR系列飞轮产品广泛应用于微电网项目，飞轮储能作为分布式发电的高级补充，接入到微电网中可以实现多种功能。
以加拿大魁北克地区为例，该地区矿藏资源丰富，拥有优质的风力资源但位于电网末梢自然环境恶劣，带储能的离网型微电网是开发该地区自然资源的最优解。在2015年12月投运的加拿大拉格伦镍矿项目中，GTR200型200 kW飞轮、3 MW风电、200 kW锂电池、备用柴油机、燃料电池与制氢系统共同组成了一个微电网，飞轮在此项目中的主要作用为平滑风力发电机的频率波动，改善电能质量。该项目在18个月的时间里节省了340万升柴油，减排了9.11 t温室气体。
在2013年投运的苏格兰埃格岛项目中，岛上电网频率原范围为49～54 Hz，频率波动较大，加入GTR200飞轮后稳定在52 Hz附近；在2017年投运的苏格兰费尔岛微电网项目中，飞轮充当风力发电机和柴油机之间的缓冲，如同整个岛的不间断电源；在由英利集团牵头的863计划“园区智能微电网关键技术研究与集成示范”中，GTR200飞轮首次在国内得到应用，2017年6月该项目通过验收；在2015年的阿拉斯加电力与能源中心风柴储微电网项目中，GTR200用于测试电能质量改善控制策略、功率平滑效果和调度策略。
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初始投资成本对比
根据公开报道及文献资料整理出近年来部分电池调频项目如表2所示，表中电池放电时长在半小时左右，可以看出自2013年以来电池储能调频项目的兆瓦成本从1130万元下降到不超过600万元。
与之相对的，电网飞轮储能项目较少，2011年6月商运的原Beacon Power公司纽约州20 MW飞轮调频电站造价为4190万美元，兆瓦成本为209万美元；2016年2月商运的原加拿大Temporal Power公司安大略省Clear Ccreek 5 MW飞轮储能电站，造价为848万美元，兆瓦成本为169万美元。功率型飞轮成本偏高的同时能量型飞轮的成本同样不低，2018年4月Amber Kinetics在马萨诸塞州完成的128 kW/512 kW·h的项目造价为48.6万美元，每兆瓦时成本为94万美元，而2018年7月并网的江苏镇江101 MW/202 MW·h的项目造价为6亿元，每兆瓦时成本为297万元。
高初始投资成本导致飞轮储能项目少，项目少导致成本下降慢，在20年的全寿命周期中虽然飞轮无需像电池一样更换，但寿命长意味着政策多变、政策不连续的风险也随之增加，因此在5～10年期限的短期项目中缺乏吸引力。
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