飞轮储能技术发展与应用

王巍，高原，姜晓弋



飞轮储能技术发展与应用

王巍1，高原2，姜晓弋3

（1. 海军92557部队，广州 510720；2. 海军驻葫芦岛431厂军事代表室，葫芦岛 125004；3. 海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

随着综合电力系统的发展，飞轮储能的应用引起了研究者的高度重视。本文首先分析了飞轮储能的技术特点，然后阐述了当前飞轮储能技术的发展概况，最后介绍了飞轮储能的应用情况。

综合电力系统 飞轮储能 特点 发展 应用

0 引言

舰船综合电力系统（Integrated Power System，简称IPS）是一种新型的动力系统，是将舰船原动机能量完全转化为电能，同时提供推进用电、高能耗用电和全船其它负载用电的电能综合利用与统一管理系统[1]。与传统意义上的电力系统相比，舰船综合电力系统能够优化总体系统设计，整合舰船动力平台，简化动力系统结构，提高舰船作战能力，提升武备系统性能，支撑舰船高能武器，代表了未来舰船电力系统的发展趋势。但是，IPS是一个典型的刚性高阶非线性独立供电系统，电能由舰船电站发出并配送至全船，供电距离短，系统耦合性强，在系统内任何一处发生扰动都将影响到全系统的动态特性。随着现代舰船电气化程度的不断提高，各种新技术设备的不断装备，舰船电力系统容量不断增大，系统稳定性问题更加突出。全电力推进中推进电机的容量基本可以跟发电机容量相比，电机启动、制动和调速过程会对电网产生很大的冲击；舰船的导航、数据处理、自动控制设备需要高品质的供电；脉冲功率等新概念武器需要瞬时吸收和释放大能量。

系统功率失衡是造成电力系统稳定性问题的主要原因，通过储能系统对电网电压和功率进行补偿，以改善电能质量、维持系统稳定，则是满足上述各种需求、将各种不利影响最小化的有效途径，以美国为代表的世界各强国海军均在此方面进行了探索研究。

1 飞轮储能技术的发展概况

早在20世纪中叶就有人提出飞轮储能器的设想，但由于当时的飞轮材料和轴承问题没有得到解决而一直停滞不前。直到20世纪90年代，由于以下三方面的突破，才给飞轮储能带来了新的活力：一是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，飞轮允许线速度可达500~1000 m/s，大大增加了单位质量的动能储量；二是电力电子技术的新进展，给飞轮电机与系统的能量交换提供了灵活的桥梁；三是电磁悬浮超导磁悬浮技术的发展，配合真空技术，极大程度地降低了机械摩擦与风力损耗[2]。

一套典型的飞轮储能装置结构如图1所示，主要由飞轮、电机、变流器组成。

1.1 飞轮

飞轮固定在电机转子上，是飞轮储能系统的最主要储能部分，储存在其中的动能

式中，为飞轮转动惯量，为飞轮旋转角速度。由式（1）可知，为了增加飞轮储能系统的存储能量，一般可以采用两类方法，一类是增大飞轮的转动惯量，但是这样会带来动态响应问题，另一类是提高飞轮的转速，但是必须考虑飞轮旋转时所能承受的最大离心应力。对于结构和形状一定的飞轮，储能密度正比于材料的比强度（许用应力与密度之比），因此现代飞轮一般采用强度高、密度小的纤维复合材料。金属材料飞轮外缘线速度可达300~500 m/s，高强度的碳纤维复合材料允许线速度达到600~1200 m/s。进行这方面研究的机构或公司包括：美国Lawerence Livermore National Laboratory、美国Trinity Flywheel公司、美国飞轮系统公司、美国Argonne National Laboratory、美国马里兰大学、美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心、美国Satcon技术公司、伊朗Shiraz大学机械工程系等，德国、波兰等国也开展了这方面的研究工作[2-4]。

1.2 电机系统

电机系统包括电机本体和轴承两大部分。

飞轮储能装置中的电机需要有较大的转矩和输出功率、较长的稳定使用寿命、低空载损耗和高能量转换效率，并且需适应大范围的速度变化。在飞轮储能系统中，电机可工作在电动机和发电机两种状态。在充电时，它作为电动机给飞轮加速，当放电时，则作为发电机向电网供电，此时飞轮的转速不断下降，而当飞轮空闲运转时，整个装置以最小损耗运行。由于电机转速高，运转速度范围大，散热条件差，电机的工作性能要求非常高。从系统结构和降低功耗的思想出发，现在常用的电机有永磁无刷电机、三相无刷直流电机、磁阻电机和感应电机。从系统结构及降低功耗出发，国外研究单位一般均采用永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机。电机功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗，因此无铁静子获得广泛应用，转子选用钕铁硼永磁磁铁。马里兰大学、美国劳伦斯国家实验室以及美国Indigo能源公司等均在这方面有所研究[2,5]。

在电机支承方面，目前一般有有机械支撑和磁悬浮两种基本方式，而磁悬浮又可分为永磁悬浮、电磁悬浮、超导磁悬浮等。普通的机械轴承会出现润滑、散热、磨损等问题题，消耗飞轮所储存的能量，缩短储能时间，降低储能效率，所以使用非接触轴承是首选。采用这类支承方式的飞轮一般用于快速充放电系统，如美国Kaman电磁公司研制的电磁炮、电化学炮，要求在几个毫秒时间产出200 kA的放电，以满足负载的需要。现在磁悬浮轴承技术已经很成熟，能够在径向和轴向上对轴定位，配合真空技术，能够以接近于无摩擦的状态承载电机，是飞轮的理想轴承[4,5]。

1.3 变流系统

变流器一般采用IGBT进行PWM控制，设计为能量可回馈的双向变换器，在额定工作点附近能够达到90%以上的转换效率，但是轻载时效率会降低。储能电机从电网吸收能量而增速时，变流器作逆变器运行；电机向电网释放能量而减速时，以逆变电路的续流二极管为能量回馈的回路，变流器作整流器运行。控制模块监控飞轮转子的转速、电网电压以及系统潮流，根据系统的拓扑结构确定合适的控制策略，向变流器发出控制信号，使电机工作在储能状态、释能状态或保持状态。

文献[6]针对电动汽车制动过程中的能量损耗问题，采用AC-DC-AC的两级拓扑结构实现电动汽车交流电网、直流母线和飞轮储能系统之间的能量传递。文献[7]则研究了基于AC-DC-AC两级拓扑结构的飞轮储能电池UPS系统。这类拓扑结构适用于交流电网，无法应用于直流电制IPS中。

文献[8]采用AC-DC的单级拓扑结构实现直流母线和飞轮储能系统的能量传递，并在飞轮储能系统的DC侧和直流母线之间增加了Boost-Buck斩波环节，以稳定DC输出电压。文献[9]和文献[10]则是在本质上采用了AC-DC分别加Buck斩波和Boost斩波的拓扑结构。这类拓扑结构可以应用于直流电网，但由于在基本AC-DC变流基础上增加了斩波器，体积和重量均有所增加，对于IPS而言，舰船（特别是潜艇和小型水面舰艇）的空间和吨位都非常有限，因此需要研究更为轻便的拓扑结构。

文献[11]将DVR应用于舰船辐射状供电网络，采用转子磁场定向SVPWM对飞轮储能电机进行控制，对关键负载进行了电压跌落补偿，其研究得到了美国海军的支持。文献所涉及的DVR多用于AC-DC-AC拓扑，控制量局限于交流侧，但是其研究思路对综合电力系统直流网络具有参考价值。

目前，马里兰大学已开发出“敏捷微处理器电力转换系统”。在电动模块时，“敏捷微处理器电力转换系统”功能为电动机控制器，而发电模块时，其功能为交流转换器。该转换系统全部为固定部件，由固态开关、滤波器、控制电路及二极管组成，属共振转换器。美国Beacon Power公司采用脉冲宽度调制转换器，实现从直流母线到三相变频交流的双向能量转换。飞轮系统具有稳速、恒压功能，此功能是运用一个专利算法自动实现，而不需要指定的主动或从动元件[12]。

2 飞轮储能技术的应用

飞轮储能因其效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放快捷、充放电次数无限以及无污染等优点而应用广泛，自Beacon电力成功将大规模飞轮储能系统应用于电网级储能领域后，飞轮储能赢得储能业界更高关注。

飞轮储能技术在许多领域都已经有广泛的应用，特别是在美国、日本、德国等发达国家，储能技术已经发展得比较成熟，主要体现在以下方面[2-5], [13-15]。

2.1 不间断电源（UPS）

UPS不间断电源是一种利用市电或蓄电池能源向负载提供高质量交流电源的设备。飞轮储能装置正在逐步取代UPS中的化学蓄电池，特别是用在通信行业的UPS中，由于很多工作在户外，工作环境差，一般的化学蓄电池不能适应，而飞轮储能装置对环境无要求，工作适应能力较强。

美国Active Power公司主要生产作为不间断电源（UPS）的飞轮电池系统来取代传统的铅-酸电池，以适应当今高品质电力的要求。美国Vista公司将飞轮引入到风力发电系统，实现全程调峰，飞轮机组的发电功率为300 kW，大容量储能飞轮的储能为277 kWh。加拿大CANMET能源研究中心开发用于UPS的飞轮电池，功率1500 W，能量1100 Wh，重量65 kg，转速15000~45000 r/min。

2.2 飞轮电池

随着电动机车的发展，飞轮储能装置已经开始使用在混合电动汽车中。汽车制动过程中，将制动能耗通过电动机转化为飞轮的机械动能储存起来，成为再生能源，当汽车需大功率工作时，飞轮再通过发动机将动能释放以供系统使用。这种用途也有的用在火车和军用电池坦克上。

Texas大学和Texas能源贮备局等联合组成的Texas电动汽车计划研究出可以存贮2kWh能量、功率达100 - 150 kW的飞轮电池，主要用于电动汽车，在军事上用于战斗车辆、电磁炮、电磁悬浮（在高机动多用途轮式车和Ml坦克上已用）、电磁干涉，其运行时的损耗只有1%。AFS公司和美国Honeywell公司的飞轮电池已经被安装在德国的BMW汽车做实验。ARPA也在进行电动汽车的研究和开发，包括Mll3军用人员运输车、Bradley步兵战斗车、高机动多用途轮式车、M939AI货运卡车、电动航空器等。

2.3 航空航天

飞轮储能装置也应用在航天飞机和低轨道运行卫星之中。美国的Satcon技术公司、NASA Leqis研究中心、马里兰大学都已开发了卫星姿态控制用飞轮系统，NASA已做过太空运行试验。前苏联已成功地将磁悬浮飞轮应用到空间站姿态控制中。Hytech设计的Kinmo飞轮电池能在60000r/min的转速下可靠运行，经过90000次充、放电后性能不下降，被Boing公司核准作为NASA“十年空间站计划”的电池供应者，美国陆军工程部已经订购了7套用于John H Kerr水电站。

2.4 电网电站

飞轮储能技术已经开始应用在陆用电网中，其主要作用是电力系统峰值调节。由于飞轮储能发电系统能够可在任意时间间隔、以任意规模方便地进行能量存储与释放，可以就近分散放置，且零排放、低噪声，适应环境保护的要求，因而被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型调峰技术。另外，由于它的充放功率可以很大，并联或串联在电网中也能起到改变系统阻尼、增加电网稳定性的作用。

美国的马德兰大学已于1991年开发出了用于电力调峰的24 kWh电磁悬浮飞轮系统,飞轮重172.8 kg,工作转速范围11610r/min~46345 r/min，破坏转速为48784 r/min，系统输出恒压110 V/240 V，全程效率为81%。德国在1996年着手研究储能5 MWh/100 MWh的超导磁悬浮储能飞轮电站，电站由10只飞轮模块组成，系统效率96%。日本冲绳电力公司开发了210 MJ的惯性储能系统，以稳定电网频率。2011年7月12日，美国Bescon Power公司在纽约Stephen镇建设的世界上第一个20 MW大规模飞轮储能储能项目实现正式投运。

飞轮储能还适合应用到太阳能发电、风力发电等系统中。在风力发电特别是分布式风力发电中，风速的变化会使原动机输出的机械功率发生变化，引起发电机输出功率波动，导致电能质量下降。应用飞轮储能装置，可以在风速较高时储存部分能量，在风速较低时补偿发电机输出电压功率，提高电源输出品质，同时增加分布式发电机组与电网并网运行时的可靠性。另外，在太阳能发电无光、风力发电无风等情况下，储能装置能够起到过渡作用，持续向用户供电。

3 结语

总体而言，飞轮储能在陆用电网电站的应用已经比较成熟，在舰船等独立电站上的应用仍处于起步阶段，工程化应用较少，但是已经引起了研究者的高度重视，美国海军下一代综合电力路线图明确指出未来舰船将配备储能系统。随着综合电力系统的发展、大功率负载的增加、电力推进的普及、电磁弹射的使用和高能武器的装备，电力系统供电品质与稳定性问题逐步显现，飞轮储能的作用也必将日益突出。

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Developments and Applications of Flywheel Energy Storage Technology

Wang Wei1，Gao Yuan2，Jiang Xiaoyi3

（1. Unit 92557 of PLA, Guangzhou 510720, China; 2. Navy Deputy Office in No.431 Shipyard, Huludao 125004, China; 3. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, wuhan 430033, China）

TM619

A

1003-4862（2013）01-0031-04

2012-05-04

国家自然科学基金项目（51007093）

王巍（1975-），男，工程师。研究方向：舰船消磁技术。