清华大学飞轮储能技术研究概况

戴兴建，张小章，姜新建，王善铭，沈祖培，孙旭东

（1清华大学工程物理系，2清华大学电机工程系，北京 100084）

1995年在清华大学基础研究基金资助下，清华大学工程物理系离心分离研究室与电机控制教研室成立联合研究小组，改造原离心机研究基地，建立了专门的飞轮储能技术实验室。后来又争取了多种条件资助，前后研制出6套飞轮储能技术系统样机，开展了系统设计、关键技术研究设计、系统试验等多项工作，取得了一些技术进步，培养了多名研究生，发表了论文30余篇，大力推动了我国飞轮储能技术的研究开发。

1 飞轮储能系统研制

1.1 300 W·h飞轮储能实验原理样机

1996年，沈祖培、杨启述、张小章、栾竟恩等人完成了300 W·h（1W·h=3600 J）飞轮储能试验系统总体方案设计。在该试验系统中，采用超高速复合材料飞轮，基于离心机微损耗支承技术设计了飞轮储能用永磁-流体动压混合轴承，采用永磁无刷电机作为充放电执行器，放电时整流为直流输出，供给灯泡负载，飞轮电机轴承系统密封在高真空室内运行，见图1。飞轮电机及电机控制器（图2）的设计由清华大学电机系胡元德、姜新建完成。

飞轮储能充放电试验系统的核心部件为超高速复合材料飞轮，清华Ⅰ型复合材料飞轮转子采用高强度玻璃纤维、碳纤维复合材料及铝合金轮毂，重8.7 kg，直径230 mm，厚度150 mm。Ⅰ型飞轮于1998年成功运转到48 000 r/min，线速度580 m/s，进行了充放电循环考核试验。

1.2 500 W·h 飞轮储能UPS试验原理样机

图1 清华大学第1套飞轮储能试验系统Fig.1 The first flywheel energy storage testing system of Tsinghua University

图2 飞轮电机轴承旋转部件Fig.2 The rotating parts of flywheel-motor-bearing

1999年，以Ⅰ型飞轮研究为基础，沈祖培、杨启述、卫海岗等人对转子本体尺寸结构、上下阻尼器支承、电机结构进行优化设计。优化后的Ⅱ型飞轮转子重14.5 kg，直径300 mm，厚度140 mm。2000年9月开始，卫海岗、戴兴建在大量试验的基础上，掌握飞轮各个组件对高速飞轮轴系运行稳定性的影响，通过合理的调整和改变转子支承动力学参数，使系统顺利运行到高速，实现了充放电。2001年5月，Ⅱ型飞轮储能试验模块稳定运转到42 000 r/min，线速度660 m/s，储能量510 W·h，储能密度35 W·h/kg，为当时国内所达到的最高水平[1]。Ⅱ型飞轮在超速试验中达到747 r/s，线速度达到700 m/s。

由清华大学电机系姜新建负责于2003年6月完成了电机DSP智能微处理器控制系统，在Ⅱ型飞轮电机轴系试验的基础上实现了不间断电源供电（UPS）功能，发电功率300 W，保持时间15 min以上，飞轮电机发电110 V，50 Hz交流输出，见图3。飞轮电池UPS原理样机的实现，是试验模型面向实际工程应用的一个新台阶[2]。

1.3 300 W·h电磁悬浮飞轮储能样机

2003年开始，白金刚、张剀等人对磁悬浮飞轮开展了大量的研究工作，将Ⅱ型飞轮系统传统的永磁悬浮-螺旋槽动压支承方式改变为主动磁轴承。建立了整套磁轴承控制系统，针对转子系统中存在挠性结构问题，研究了强陀螺效应转子过挠性临界的控制器设计方法，于2006年实现了国内第一套磁悬浮的复合材料储能飞轮系统，系统能稳定运行至28 500 r/min，外缘线速度450 m/s，实现了充放电运行测试[3]。

图3 飞轮储能UPS实验系统控制器及负载Fig.3 The controller and load of flywheel energy UPS testing system

1.4 1000 W·h /20 kW合金钢飞轮储能实验装置

前述3套试验装置中采用了小功率超高速永磁电机，最大功率只有300 W，这对于工业应用差距较大，因此有必要提高试验系统的充放电功率。小功率永磁电机的磁偏拉力较小，对轴系的影响较小，但对于大功率永磁电机，永磁悬浮的刚度偏低，满足不了要求，因此需要提高轴系支承刚度。

2008年研制了一套1000 W·h/20 kW储能飞轮样机，支承方式为永磁卸载结合机械轴承，飞轮体为合金钢，质量100 kg，试验转速达到280 r/s，滚动轴承-永磁悬浮混合支承系统显示出很强的稳定性，适合快升快降大功率飞轮储能电机[4-5]。

1.5 2400 W·h/20 kW飞轮储能实验装置

2010年，与中国电力科学研究院合作，研制了一套2400 W·h/20 kW复合材料飞轮储能实验系统，见图4。飞轮采用T700纤维预浸带缠绕、热压固化方式制作直径500 mm、厚度50 mm、高度800 mm的大型复合材料飞轮。飞轮与20 kW电机芯轴采用铝合金轮毂连接。设计线速度470 m/s秒，储能2400 W·h。采用永磁卸载-流体动压油膜轴承混合支承方式，为提高轴系刚度，永磁轴承配合径向定位滚动轴承。该实验系统已进入充放电调试阶段，运行到5200 r/min。

图4 2400 W·h/20 kW飞轮储能试验装置Fig. 4 The 2400 W·h /20 kW flywheel energy storage testing system

1.6 3000 W工程样机

为满足钻机动力系统调峰要求，根据钻机系统负载工况，中原石油勘探局提出了100 kW电动/500 kW发电飞轮储能工程样机研制任务。清华大学项目组采用了重型低速合金钢飞轮（质量1200 kg），500 kW永磁发电机的磁钢采用内嵌入结构设计，为减低轴承损耗，设计了大型永磁吸力轴承，承担飞轮电机轴系重量的95%。该样机于2012年7月达到设计转速3600 r/min。控制系统实现了100 kW充电/500 kW发电运行，见图5。该系统在储能量、发电功率方面完全具备了工业应用的技术条件。

图5 500 kW飞轮储能功率放大器试验装置Fig. 5 The power amplifier testing system of 500 kW flywheel energy storage

2 飞轮储能关键技术研究

2.1 轴承技术

立式高速离心机因其长期高速运行，追求支承的微损耗技术指标，其支承方式一般是上端采用永磁吸力轴承承担转子90%以上的重量，下端采用微型螺旋槽油膜轴承或宝石枢轴承承担10%的重量并提供径向支承刚度。其缺点是轴系上端径向刚度低，转子轴承系统存在低频进动现象，需要引入恰当的支承阻尼。

清华大学研究设计经验表明，永磁轴承与螺旋槽动压混合支承飞轮轴系的适应范围：转子重量应当低于100 kgf（1 kgf=9.8 N），发电机功率小于10 kW，螺旋槽轴承的承载力为10～100 N。测试表明，微型螺旋槽油膜轴承的当量摩擦因数为0.05，据此计算转速6000～30 000 r/min变速运行条件下，其损耗为1.6～80 W。应用于上文所述第1套、第2套实验装置的螺旋槽轴承承载力为10～30 N，应用于第4套实验装置的螺旋槽轴承承载力为100 N。

飞轮电机轴系上端的永磁吸力轴承一般采用轴向充磁的环形永久磁铁作为磁源，动静部件无接触，其摩擦损耗为0。清华大学研制出的永磁吸力轴承承载力范围涵盖了10～12 000 N，并且探讨了10万牛顿的重型永磁吸力轴承的设计。

电磁轴承是国内外飞轮储能系统中广泛采用的一种主动控制轴承，其摩擦损耗为0。清华大学在电磁轴承研制方面开展了大量的工作。研制了的轴承应用于60 000 r/min的磨头、80 000 r/min的永磁电机、24 000 r/min的涡轮分子泵以及42 000 r/min飞轮储能实验系统中。在飞轮储能研究中，遇到的问题是多模态控制困难、真空散热条件差等。电磁悬浮技术成本偏高，且本身也要消耗一定的能量，制约了它的推广应用。

2.2 高能量密度飞轮技术

飞轮储能系统高储能密度指标依赖于飞轮转子材料与结构的旋转强度特性，飞轮结构与材料优化设计和旋转强度特性研究的根本目标就是提高飞轮的储能密度。飞轮动能和比能量与飞轮速度平方成正比，但飞轮结构的离心应力也与飞轮速度的平方成正比，考虑离心应力引起结构强度破坏对飞轮速度的限制，飞轮本体可达到的理论储能密度为20～200 W·h/kg，因此，在设计飞轮的时候，要选用一些高强度、低密度的复合材料如玻璃纤维和碳纤维。但复合材料显著的各项异性，其沿缠绕方向的环向抗拉强度较大，而径向抗拉强度较低，因而往往需要对复合材料进行分层设计处理[6]。

直径较大的飞轮与直径较小的电机、轴承轴等部件连接采用的超高强度钢或高强度铝合金作为轮毂传递扭矩，实现轴和飞轮之间的大变形协调，并承担高速离心载荷。

高速飞轮设计一般利用有限元分析软件ANSYS对飞轮转子进行强度计算，得到试验飞轮转子在升速过程中的应力分布状况、变化规律及强度安全状态。飞轮旋转强度测试是研制飞轮储能系统的必经环节，这对于安全运行至关重要。飞轮线速度超过400 m/s，必须在真空条件下运转，其轴承技术、驱动技术都是需要技术积累才能很好地解决。清华大学设计的2个复合材料飞轮的最高试验转速分别为830 r/s和905 r/s（796 m/s），储能密度达到39 W·h/kg和48 W·h/kg。

2.3 高速电机设计

飞轮储能因要求高能量密度、高功率密度而需要电机采用高速设计方案。

清华大学早期飞轮储能电机采用小功率永磁无刷直流电机，其控制较简单，采用瓦片式磁极结构，外包铝合金强化环。后期采用永磁同步电机，其控制与通用永磁伺服电机类似。飞轮储能电机特点是电动、发电两用，宽转速范围工作，但因真空条件而使转子散热困难。

电机转子需要高速旋转，永磁体放置在转子铁心内部，永磁体和磁极部分铁心在高速旋转时的离心力需要由磁桥承担。从强度角度希望磁桥厚，但是从电磁角度，过厚的磁桥会增大转子的漏磁，使永磁体产生的磁通直接在转子上流通，而不交链定子。

在20 kW、18 000 r/min电机定子设计中采用双层分布绕组和合理的定子斜槽设计，既减小了定子磁动势和永磁体产生的感应电动势中的低次谐波，又基本消除了永磁体产生的定位转矩，降低了电机的转矩脉动。

2.4 充放电控制技术

目前飞轮电机主要有异步电机、永磁无刷直流电机和永磁同步电机，因此，飞轮充放电控制技术也随之不同。虽然电机的调速控制都采用矢量控制技术，但是不同电机的控制策略有较大差别，这也与飞轮系统的主要参数密切相关，例如功率等级、转速范围等。一般中小功率采用永磁无刷直流电机及其控制，中等功率（数百千瓦）采用永磁同步电机及其控制，大容量（兆瓦）采用异步电机及其控制。

电力电子变换器大多采用电压型PWM逆变器，功率器件为IGBT，采用基于DSP数字化控制技术。飞轮单元的充放电控制也与飞轮系统的输入输出电气接口有关，例如直流电源和直流负载，三相交流电源和交流负载等。尤其是基于飞轮储能的“负载”控制技术，例如基于飞轮储能的UPS电源，基于飞轮储能的动态电压补偿器，基于飞轮储能单元的串并联技术等。清华大学于2008年研制了一套基于1000 W·h/20 kW储能飞轮系统的三相UPS电源[7]；在2009年研制了一套基于1000 W·h/20 kW储能飞轮系统的三相动态电压补偿器装置[8]。2012年7月，在中原油田飞轮储能功率放大器项目中，实现了1800～3600 r/min升速过程中电动功率120 kW、3600～1800 r/min降速发电400 kW/25 s（释放能量10 MJ）。

3 结 语

（1）借用成熟的高速轴承、结构强度设计和真空条件下的高速离心机机械运行技术，在较短的时间内实现了飞轮电机的充放电运行，对探索飞轮储能系统特性提供了必要的试验研究条件。但离心机的低刚度微损耗轴承技术适用于小型飞轮储能系统，大功率电机的永磁偏拉力要求高刚度支承，需要采用电磁悬浮或滚动轴承。

（2）飞轮超高速400 m/s以上的设计成本、制造成本偏高，技术难度偏大，国内的技术积累不够。国内高速复合材料飞轮的实验研究缺乏，特别是飞轮用纤维复合材料的长期稳定性、安全性几乎是一个空白。因此近期工业应用开发应立足于金属材料飞轮。即使采用高比强度纤维复合材料，目前具有工业应用价值的飞轮储能系统能量密度低于30 W·h/kg，其储能密度优势并不突出，而其功率密度远远大于化学电池，因此目前的飞轮储能系统可归类为一种功率型储能技术，多个飞轮电机并联可实现兆瓦级储能系统。

（3）飞轮储能系统结构较为复杂，可靠性需要研究。微损耗长寿命轴承技术、真空环境下的高效率电机技术是两个技术瓶颈。飞轮的充放电控制需要解决可靠性和产业化问题，基于飞轮储能的“负载”控制技术需要进一步研究，尤其是产业化应用。

（4）飞轮储能系统的自放电率偏高，比较适用于频繁充放电的应用条件。国内工业化应用的样机功率应确定在100 kW等级，储能量为5～10 MJ。

[1]戴兴建，卫海岗，沈祖培.储能飞轮转子轴承系统动力学设计与试验研究[J]. 机械工程学报，2003，39（5）：97-101.

[2]陈峻岭，姜新建，朱东起，等.基于飞轮储能技术的新型UPS的研究[J]. 清华大学学报， 2004，44（10）：1321-1324.

[3]白金刚，张小章，张剀，等.磁悬浮储能飞轮系统中的磁轴承参数辨识[J].清华大学学报，2008，48（3）：382-385.

[4]李奕良，戴兴建，张小章.储能飞轮永磁卸载设计及试验[J].清华大学学报，2008，48（8）：1268-1271.

[5]李奕良. 纤维缠绕飞轮强度分析与高效永磁轴承设计[D].北京：清华大学，2008.

[6]戴兴建，李奕良，于涵.高储能密度飞轮结构设计方法[J].清华大学学报，2008，48（3）：379-382.

[7]黄宇淇，姜新建，邱阿瑞.飞轮储能能量回馈控制方法[J].清华大学学报，2008，48（7）：1085-1088.

[8]朱俊星，姜新建，黄立培.飞轮储能动态电压恢复器的拓扑结构和充电策略[J].电机与控制学报，2009，13（3）：317-321.