新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，是实现碳达峰碳中和目标的重要支撑。相较于长时能量型储能，功率型储能是平抑未来新型电力系统光伏风电冲击的重要灵活调节性资源。飞轮储能作为可商用的成熟功率型储能技术，具备高功率、高能量密度、快速充放电、长寿命、安全环保、占地小等优点，是适用城市负荷中心的可行储能技术路线。近期，结合本市能源发展工作实际，围绕新型储能技术应用，节能环保中心赴北京地铁有关站点调研了飞轮储能示范项目建设运行情况，在此基础上，深入分析本市飞轮储能技术重点应用场景，并提出飞轮储能发展建议，为北京构建以新能源为主体的新型电力系统，促进能源绿色低碳转型提供支撑。

一、飞轮储能技术

（一）飞轮储能原理

飞轮储能是利用双向电机（电动或发电模式）驱动大惯量飞轮高速旋转，实现电能与飞轮机械能之间相互转换的一种技术，通常工作在每分钟30000转左右高速状态。充电时电机工作在电动机模式，吸收外部电能驱动飞轮加速旋转，将电能转换为转子动能储存；放电时电机工作在发电机模式，将高速转子制动降速发电，将飞轮动能转化为电能向外输出。

（二）国内外典型应用

飞轮储能已应用在轨道交通制动能量回收、企业级不间断电源（UPS）、电力系统调节与稳定、微电网以及卫星和空间站姿态控制、电磁弹射等领域。商业飞轮储能项目主要集中在欧美地区，如纽约、里昂、伦敦、洛杉矶、巴黎和德国汉诺威等城市轨道交通项目，以及英国海岛微电网、加拿大微电网项目。国内飞轮储能项目刚刚起步示范，如北京地铁房山线广阳城站飞轮储能、北京铁路局邯长线飞轮储能和武汉光谷空中轨道飞轮储能等试运行项目，以及北京地铁6号线花园桥站、车公庄西站飞轮储能等在建示范项目。此外，飞轮储能也在保定工业园区智能微电网、浙江大学微电网、山西电网调频等电力项目得到应用。

二、北京地铁飞轮储能示范

（一）项目背景及基本情况

城市轨道交通因其客运量大、运行速度快、正点率高等优点，成为满足市民出行、缓解城市交通拥堵的关键技术方案之一。随着开行车次加密、速度提升，列车启停频繁，启动、制动时需要消耗大量电能，影响列车供电可靠和设备安全。据统计，城市轨道交通列车制动产生的能量可达到牵引系统耗能的20%—40%以上。

2018年北京地铁率先开展地铁再生制动能量回收利用研究。2019年房山线广阳城站完成飞轮型再生能量回收项目挂网试验。该项目是我国首个应用飞轮储能技术的地铁项目，引领国内轨道交通行业飞轮型再生制动能量系统的应用发展，为我国轨道交通行业绿色节能发展提供了强有力的技术支撑。

飞轮储能技术，其吸收列车进站制动动能并存储，在出站时释放所存能量，驱动列车启动。充放电可达10万次以上，使用寿命超过20年，安全稳定，维护简单，可大幅节省运营维护工作量及投入。飞轮储能装置属物理储能，绿色环保，安全可靠，对环境无污染、噪音小、占地面积小，功率密度大且采用模块化设计，布置灵活，方便扩容，与供电系统接口简单。

地铁房山线广阳城站飞轮储能试验项目设计功率1兆瓦（按GTR飞轮储能产品规格需设置3台，单台容量为333千瓦），存储容量为11千瓦时。最高转速36000转/分钟，工作电压直流750/1500伏，实现1毫秒瞬时响应，5毫秒达到全功率。充放电效率单向93%，双向87%。2021年地铁6号线花园桥站、车公庄西站启动建设飞轮储能装置，替换原有电阻制动设备，花园桥站安装1兆瓦、车公庄西站安装2兆瓦，现已进入设备安装调试阶段。

（二）应用效果分析

1.节能减排。广阳城站1兆瓦飞储能系统平均每小时回收节约电量93.55千瓦时，日均节电量约为1450千瓦时，全年节电量可达到52.92万千瓦时，折合减少二氧化碳排放529吨。车公庄西站采用飞轮储能后，6台飞轮全部投入每天平均节电量为1380.12千瓦时。

2.电网调节及稳压。广阳城站1兆瓦飞轮储能装置将直流牵引网电压波动由700-928伏稳定到750-900伏。车公庄西站制动电阻更换飞轮储能后，将直流牵引网电压波动由1830-1861伏基本稳定在1830伏以下，起到供电网电压支撑作用，消除了列车启停对车辆继电保护的安全威胁和对外部电网造成的谐波污染。

3.应急电源。在外部供电断开情况下，广阳城站试验独立采用1兆瓦飞轮储能装置供电牵引列车前行，到飞轮电量用完时列车行进450米，速度达到11千米/小时，依靠惯性列车最终滑行距离超过1000米，到达站台安全停靠，全面增强地铁应对供电中断的突发情况及保障安全运营的抢险能力。

4.环境效益。因车站设备布置空间紧张，地铁制动电阻配置受限，需要配置冷却风机散热，噪声大引起扰民。更换飞轮储能后，列车制动能量大部分被回收再利用，减少车站和制动间冷却功率，风机噪声大幅降低。在车公庄西站初步测试，昼间距飞轮储能设备房间墙壁1米处噪音平均值为56分贝（远低于85分贝的标准上限），满足国标要求；夜间距离房间墙壁1米处的噪音平均值为48.6分贝，噪音扰民问题得到较好解决。

5.节约占地。采用不同技术类型制动系统，其设备占地面积差别明显。天桥站采用中压能馈系统占地面积11.07平米/套，北邵洼站低压能馈系统占地8.59平米/套，篱笆房站电阻制动方式占地8.45平米/套，瀛海站超级电容制动方式占地6.6平米/套，广阳城站飞轮储能制动占地5平米/套。同等容量下，飞轮储能系统不需扩大占地，可以完全就地替代逆变回馈、电阻制动等设施。

6.经济效益。按广阳城站1兆瓦飞轮储能项目节电数据测算，项目工程总投资1287.65万元，每年可节约电量158.78万千瓦时，电价0.84元/千瓦时，节省电费133.37万元,折合年减碳1582.99吨；近一年北京碳交易均价为84元/吨，碳交易收益每年13.3万元，合计年度总收益146.67万元,项目回收期约8.78年。

7.安全运行。相较于化学电池储能，飞轮储能属于物理储能，不会有燃烧爆炸风险。尽管国内外个别科研机构在研发环节曾发生意外事故，但商业化应用基本未发生安全事故，成熟、合格、规范操作的飞轮储能具有良好的安全性。

三、本市飞轮储能重点应用场景

（一）列车启停电能回收利用场景

首都作为超大型城市，人口基数大，日常交通出行需求大且呈刚性，地面交通拥堵指数常年处于高位，轨道交通成为人们绿色出行的首选。数量众多的列车发生制动时，产生的制动能量，其中仅有很小一部分用于自身动力照明负荷，绝大部分需要回收再利用。

以地铁6号线为例，全线路车站35座，列车最高速度100千米/小时。按照列车启停能够影响邻近3站供电铁轨电压波动考虑，每间隔3站布置一套1兆瓦飞轮储能系统，该线需要设置11座飞轮储能装置。按每套1兆瓦飞轮储能系统年节电量约50万千瓦时、电费按0.84元/千瓦时计，全年可节约7050万千瓦时（占全市地铁全年用电量的3.52%），直接为地铁公司节省电费支出5922万元，每年减少碳排放约7.05万吨。同时，可为全市电网提供141兆瓦虚拟电厂能力，约占本地发电装机容量的1.41%。

（二）电力用户自备应急电源场景

北京电网重要用户多，供电安全性、可靠性要求高，部分重要用户采用柴油发电机作为应急电源。本市共有特级、一级和二级用户约1054户，由于噪音、尾气、柴油存放安全、场地限制等问题，仍有约10%用户未配置自备应急电源。另外，柴油发电机启动需要10秒以上才能达满负荷工作状态，对于数百千瓦的负荷乃至兆瓦级的重要用户负荷仍然存在供电中断情况。飞轮储能可实现5毫秒达到满负荷运行，有效避免断电影响，还能平抑配网电压波动，提高供电质量，减少柴发排放污染，降低发电噪声，也可为本市集成电路等优势企业提供高品质不间断电源。

（三）配网大规模安全充电场景

到2025年，全市汽车电动化率将达30%，新能源汽车累计保有量达200万辆，配套建设充电桩70万个，换电站310座。电动车辆规模化发展效应，势必带来高同时性大功率充电需求，严重影响配网安全。配置飞轮储能可以提供快速大功率供电，平抑充电对电网的冲击波动。在公交场站、出租车换电站、高速公路服务区充电区配备飞轮储能，满足电动车大功率快速充电需求，缩短等待时间，减缓里程焦虑。建设由“源、网、荷、储”组成的小型发配电新能源微电网系统，配置飞轮储能平抑风电、光伏及生物发电等分布式能源的波动，稳定电能输出，提升配网对本地新能源的接入能力，向微网用户提供高品质绿色清洁电力，增强本地电力供应自保能力。

（四）燃气机组热电解耦调峰场景

在燃气电厂中，热电解耦可以提升燃气轮机灵活性，提高能源效率并降低碳排放。飞轮储能作为一种对负荷响应速度快、能量转化效率高的大功率储能类型,非常适合电网快速调峰调频领域。研究表明：10兆瓦飞轮储能辅助320兆瓦供热机组参与调频，在5%供热需求变化时,通过迅速释放或吸收能量，减少燃气轮机输出功率变化，汽轮机功率波动振幅减少60.3%,系统恢复稳态时间缩短37.5%;供热抽汽压力波动振幅减少59.2%;电网频率波动振幅减少46.4%,燃气机组能更快恢复稳态。

四、飞轮储能发展建议

1.加大技术研发力度，布局相关产业创新链。飞轮储能涉及高速飞轮新材料、高速电机、磁悬浮轴承、真空技术及智能电控系统，均属于机械电气设备制造方面的高精尖领域，同时也是支撑工业高质量发展的工业母机基础技术，可采用“揭榜挂帅”“赛马”等机制，鼓励科研院所企事业单位联合创新，高水平开展复合型高强度飞轮材料科学研究、高速主动磁悬浮轴承技术研发、真空设备及应用、飞轮储能集成化成果转化、自动化制造等产业化项目。充分发挥北京高端人才聚集、产业基础扎实等优势，加快飞轮等新型储能产业培育，依托京津冀协同发展机制，布局飞轮储能产业创新链，加快建设先进储能制造业产业集群。

2.实施重点场景示范应用。重点在轨道列车启停电能回收、自备应急电源、配网大规模安全充电及新能源微网、燃气机组热电解耦调峰等用能领域，开展飞轮储能项目试点和工程示范，积累实际运行经验，为规模化应用提供实证案例，促进飞轮储能技术全面商业化，降低成本，系统性提高飞轮储能产品性能和成熟度。

3.完善支持政策。建立健全飞轮储能发展研发资金支持、企业税收优惠、项目补贴、价格预期等政策，并保持政策连续性和稳定性。完善飞轮储能设计、施工、运行以及验收技术和管理标准，以标准支持项目可靠落地安全发展。完善电力市场交易机制，鼓励飞轮储能更好地参与市场竞争。

4.开展应用机制创新。完善合同能源管理、需求侧响应等机制，以第三阶段输配电价核定为契机，研究电网、储能企业及用户共担费用的配网绿电过网机制，促进出台“隔墙售电”政策试点，以飞轮储能等新型储能发展本地新能源微网，创新形成规模化、多样化本地虚拟电厂资源，提升本地电源自保能力。

原标题：北京市飞轮储能技术应用场景分析及发展建议