南澳大利亚电网运营商 ElectraNet 的电网中，超过 50％ 的电力来自可再生能源。这对电网的稳定性是一个严峻的挑战。像这样的电网，由于缺乏重型发电机组提供的系统惯性支持，无法瞬间弥补可能突发的电网频率下降。为了避免停电的风险，ElectraNet 在位于罗伯茨敦（Robertstown）的变电站配备了两台装有高科技飞轮的同步调相机，从而使转动惯量倍增。
作者：Frank Krull
距离南澳大利亚港口城市阿德莱德以北90分钟车程是罗伯茨敦。它那广袤的农田与无边无际的干旱地貌形成对比，显得有些“遗世独立”，因此也被称为“世界的尽头”。然而，罗伯茨敦被称为“世界的尽头”的另一个原因是，在它附近有个同名自然保护区，非常受游客欢迎。
稳定电网的枢纽
然而，罗伯茨敦镇本身不足被冠以“世界的尽头”这一美誉。由于南澳大利亚太阳能和风电的繁荣发展，该地区已成为当地能源供应系统的枢纽。罗伯茨敦除了有一个中央变电站外，还有一座技术先进的、用于稳定电网的电厂，该电厂自2021年9月开始投入运营。南澳大利亚州电网中可再生能源所占比例已经超过 50％，并且仍在不断增加，因此这一电厂的投运至关重要。当地的电网运营商 ElectraNet 执行团队的电网互联服务负责人 Simon Emms 明确表示：“罗伯茨敦是这一电厂的最佳选址”。
当交流电网出现电力供需不平衡的情况，即发电量减少或消费端的电力需求增加，电网频率将会下降。为确保实际电网系统频率不大幅偏离 50 赫兹的额定值，需要尽快将更多电力馈入电网，以减少停电的风险。如果系统频率下降到阈值以下，则需要断开部分电网连接，以防对电厂的发电机造成损坏，因为电网系统频率的突然下降，可能会引起破坏性振动，对发电机有极大的风险。
缺乏惯性的电网系统
随着越来越多的传统化石燃料电厂被太阳能电厂和风电场所取代，电网系统缺乏系统惯性的问题也随之逐渐突出。“这些转动设备在电网系统频率下降时非常重要，“西门子能源罗伯茨敦的电网稳定设施建设负责人 Peter Luijmers 解释说，“它们储存了巨大的能量，可以在电网频率下降的初始阶段无延迟启用。在延缓系统频率下降的同时，通过使用储能电池、超级电容器、快速启动的燃气发动机或其他备用的化石燃料电厂，向电网输送更多电力，使电网频率再次恢复到额定值。”
可再生能源不具备大质量的转动设备，因此无法提供稳定电网所需的惯性。ElectraNet 这样的电网运营商的职责包括维护电网稳定，他们意识到了这个问题，便开始准备应对维护电网的措施。通过使用加装了飞轮的同步调相机，可以弥补电网系统中失去的惯性。这正是扩建罗伯茨敦变电站的原因，那里安装了两台这样的设备。
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飞轮同步调相机
每一千瓦都很重要
解决办法显而易见。长期以来，同步调相机一直被用来稳定交流电网，它本身就是大型发电设备，以与电网相同的频率并入电网运行。虽然同步调相机不会产生可用于启动空调设备、工业厂房或为智能手机充电等的有功电流，但它们仍发挥着非常重要的作用，就是平衡无功电流。无功电流在交流电网中用于建立和维持磁场，有功电流利用无功电流建立的磁场进行传输。
由于同步调相机巨大的转动质量，本身就提供了一定的惯量，而电网需要的可能会更多。通过加装飞轮，能够使系统惯性倍增。尽管加装飞轮意味着，同步调相机需要从电网中获取更多的电流以保持飞轮转动并发挥作用，但近年来的创新技术使得一些解决方案的功率消耗降至最低。"对我们来说，能耗是选择解决方案的一个关键因素，" ElectraNet 的 Emms 强调说，"无论从经济角度还是环境角度，我们节约的每一千瓦都很重要"。
应急水冷装置
西门子能源的开发人员确保将飞轮运行的功率损失保持在尽可能低的水平。罗伯茨敦使用的飞轮在近乎真空的低压下旋转，这有助于减少摩擦热和能量损失，减少量达 90%。因为，即使是像镜子一样光滑的表面在空气中转动，也会发生能量损失。"这是一个我们能够实现的峰值，因为我们在飞轮转动部件与低压外壳间采用了特殊密封措施。"西门子能源的 Philipp Büttner 解释道，他在位于德国鲁尔区米尔海姆的能源转型技术中心负责飞轮研发。
他和团队还为飞轮开发了一种特殊的冷却系统，即使是在低压运行时，也能可靠地驱散飞轮表面的摩擦热量。该解决方案采用的是连接到工厂冷却系统的水冷外壳。与空冷系统不同的是，它不需要紧急机制来确保任何时候都能冷却。这在停电的情况下尤其重要，因为在这种情况下，低压运行状态被打破，摩擦热将急剧上升。由于水能够吸收大量的热量，使用类似于罗伯茨敦的飞轮水冷系统能够对温度突变起到缓冲作用，从而消除摩擦热上升的影响。
最大系统惯性
尽管有水冷系统，但得益于其优化设计，来自米尔海姆的飞轮的占地面积非常小。在罗伯茨敦，它们将同步调相机系统惯性增加至三倍。但即使如此，其长度还不到6米。而同步调相机的长度几乎是它的两倍。"这为机房节省了大量的空间，而这些空间可以另作他用，"ElectraNet 的 Emms 说。
"此外，我们设计的飞轮还能够在惯性增加时，灵活地增加长度， "Büttner 补充说。"我们目前正在为爱尔兰电网运营商 ESB Networks 建造一个总质量约为 180 吨的飞轮，以帮助稳定爱尔兰西南部 Moneypoint 的电网。在用于稳定电网的飞轮中，这个飞轮也创造了新的世界纪录。“
因为罗伯茨敦采用了这两个飞轮，ElectraNet 目前可满足南澳大利亚电网的惯性需求。但如果该地区的太阳能电厂和风电场继续快速增长，未来的飞轮会更大，而飞轮技术将会有更多的用武之地。
2021年11月22日
Frank Krull 是一位物理学家和记者，他在西门子能源传播部工作。
图片和视频来源：ElectraNet，西门子能源。
