飞轮储能系统的发展与工程应用现状

刘文军，贾东强，曾昊旻，肖 浩，朱 晋，邱远军

(1.国网湖南省电力有限公司经济技术研究院，长沙 410007； 2.能源互联网供需运营湖南省重点实验室，长沙 410007；3.国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100075； 4.湖南省送变电工程有限公司，长沙 410035；5.中国科学院电工研究所，北京 100190； 6.仙桃市第一人民医院，仙桃 433099)

0 引 言

2020年9月，我国向世界庄严承诺，力争于2030年前实现碳达峰，于2060年前实现碳中和[1]。同年12月，我国进一步阐述了“双碳”(碳达峰、碳中和)目标，提出到2030年风电和太阳能发电的总装机容量将突破12亿千瓦[1]。风电、太阳能发电等新能源发电具有间歇性与随机性的特点，若大规模高比例地接入电力系统，将给电力系统的运行带来安全稳定问题[2-6]。储能装置的采用可以在很大程度上解决新能源发电的间歇性与随机性问题, 广泛地开发利用新能源[7-10]。因此，突破规模化电力储能关键技术，有效提升电力系统对新能源的消纳水平，已是国内外诸多研究人员的探索方向[11-16]。

飞轮储能具有瞬间功率大、循环寿命长、运行损耗低、环境友好、不受地理环境限制等优点，作为目前“碳达峰、碳中和”背景下最具有发展前途的电力储能技术之一，早已受到国内外众多学者的关注[17-20]。文献[21]简述了飞轮储能在混合动力汽车、铁路、风力发电系统、混合发电系统等领域的应用，给出了电机、轴承和电力电子接口三个飞轮储能器件的优缺点，并讨论了所使用的新型和传统电力电子变换器。文献[22] 讨论了飞轮储能系统所用的不同类型电机、轴承、电力电子变换器拓扑以及多种应用场合。文献[23] 概述了飞轮储能系统的结构和在电力系统和微电网的应用，并讨论了挑战、问题和未来工作。文献[24]分析了用于飞轮转子的材料以及使用这些材料的原因，并描述了不同应用场景。文献[25] 分析了飞轮储能系统给电动汽车充电提供大功率充电电源的适用性。文献[26] 探索了飞轮储能在船舶中压直流电源系统中的应用。

本文介绍了飞轮储能系统在国内以及国外的研究发展现状, 阐述了飞轮储能系统在相关典型场合的工程应用现状，并展望了飞轮储能系统的应用前景。

1 国外技术现状

近20年来，国外对飞轮储能系统的研究保持着浓厚的兴趣，美国、德国、法国、日本、英国、西班牙等国都一直进行着研究[21-24,27]。

飞轮储能系统通常由飞轮转子、轴承、电机、电力电子变换器等关键部件组成，如图1所示。下面将逐一对这些关键部件在国外的技术发展现状予以介绍。

图1 飞轮储能系统结构图

1.1 飞轮转子

飞轮转子是飞轮储能系统能量存储的载体,其主要作用就是通过高速旋转将能量以机械能的形式存储。

飞轮旋转时所存储动能E:

(1)

式中：J、ω分别表示飞轮转子的转动惯量和旋转角速度。

由式(1)可知，飞轮转子储能量与其角速度平方成正比。增加飞轮转子的储存能量，可以通过提高转子的旋转速度来实现，但转子转速会受到转子材料强度的限制，如果转速过高，飞轮转子会因离心应力太大而发生碎裂。

另外，表征飞轮储能系统性能的一个重要指标是储能密度，也就是单位质量所储存的能量。对于特定结构与形状的飞轮转子，它的储能密度em：

(2)

式中：m为转子质量；σ为转子材料的极限强度；ρ为转子材料密度；Ks为飞轮转子的形状系数。表1为几种典型的飞轮转子材料的典型参数[28]，由表1可见，碳素纤维与玻璃纤维复合材料具有较高的抗拉强度和较低的密度。

表1 飞轮转子常用材料参数[28]

因此，为提高飞轮转子转速和储能密度，国外先进的高速飞轮储能系统皆首选强度高、密度低的碳素纤维或玻璃纤维复合材料作为飞轮转子的材料。例如，美国Beacon Power公司的飞轮转子采用的是质量轻、强度高的复合材料转子，如图2(a)所示[29-30]；美国德州大学(UT-CEM)研制的应用于铁路机车的飞轮储能系统也采用复合材料飞轮转子，如图2(b)所示[31]。

图2 复合材料飞轮转子

1.2 轴承支撑

适当的轴承设计可以减少损耗和维护需求。机械轴承是最早的轴承类型，它们具有高摩擦、高损耗、高速场合使用时寿命低并因磨损而需要定期保养与润滑等缺点，磁浮轴承在20世纪80年代出现后，长寿命、高响应速度、高负载能力、低损耗、适用高速场合等特点变为可能。复杂的控制系统是磁浮轴承的主要缺陷，为了防备磁浮轴承的故障/过载，仍有必要配备备用的机械轴承[21]。磁浮轴承主要有以下4种类型：

(1)永磁轴承(以下简称PMB)。PMB是利用永磁体同性相斥的原理来实现轴承定、转子之间径向或者轴向悬浮的，其通常由一对或多个永磁磁环在径向或轴向排列而成[32]。PMB最吸引人的特点是无需电源的低损耗及低成本。但是根据Earnshaw定理可知，PMB本质上是不稳定的，需要和机械轴承、超导磁轴承等其它类型轴承一起联合使用。

(2)电磁轴承(以下简称AMB)。AMB也称主动磁轴承，主要由转子、位置传感器、控制器和执行器4部分组成, 其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。AMB采用反馈控制技术，通过控制电磁力的大小来对主轴在轴向和径向进行定位，使飞轮转子稳定悬浮在平衡位置[32]。

AMB与传统机械轴承相比，具有转子摩擦损耗低、噪声低、控制能力优、刚度高、寿命长等优点，因而被广泛使用。但其功率放大器损耗较高，并且轴承设计和控制复杂。AMB通过和机械轴承的联合使用可以降低控制的复杂性，并使系统可行、经济，且更趋稳定，但需要对电磁干扰敏感的复杂控制策略。目前，国外采用AMB的有美国Beacon Power等公司[29]。

(3)超导磁轴承(以下简称SMB)。SMB的基本原理是高温超导体和永磁体间电磁相互作用的轴对称模型，通过利用超导体的抗磁性和钉扎性实现转子悬浮，一般用高温超导氧化钇钡铜(YBCO)块材作定子，常规的永磁体作转子[28]。

SMB具有自稳定、摩擦损耗低、寿命长等几大优点，但需低温制冷机，增加了系统的体积和成本。超导磁轴承是高温超导飞轮储能系统(以下简称HTS-FESS)的核心部件。目前，国外研究HTS-FESS的单位主要有美国波音公司、日本ISTEC、德国ATZ公司等。这些单位的HTS-FESS采用超导磁轴承为主，并辅助以永磁轴承或电磁轴承[28]。

(4)组合式磁轴承。以上三种单一磁轴承各具有优缺点，如表2所示，在实际应用中经常将几种轴承组合起来使用[33-35]。

表2 三种单一磁浮轴承特点[33]

1.3 高速电机

高速电机是飞轮储能系统进行机械能与电能转换的接口。现代飞轮储能系统中只有一个电机，它既要在充电时充当电动机，又要在放电时充当发电机。

永磁电机具有结构简单、成本低、调速范围宽、磁密度高、无励磁损耗、转速和效率高等优点，目前在国外飞轮储能系统的研究与应用中被较多采用[27]。美国Beacon Power公司的飞轮产品采用的就是永磁同步电机。

1.4 电力电子变换

电力电子变换器是飞轮电机和供电系统的连接纽带,起着电力变换的作用。随着电力电子技术的发展，电压的频率和幅度都变得更容易控制。在飞轮储能系统中，电力电子变换器可以使用不同类型的具备双向模式运行的电路拓扑，比较常见的有交流-直流-交流等拓扑结构。

1.5 真空室

为了降低飞轮转子高速旋转时转子与空气之间的摩擦损耗，需要将飞轮转子置于真空室之中。真空室内的真空环境一般通过真空泵将真空室内空气抽出并对真空室进行密封来获得。对于高密封性能的真空室来说，维持真空只需真空泵间歇工作。目前，美国Beacon Power等公司就采用了真空技术。

1.6 飞轮阵列储能系统

单台飞轮储能系统的功率和能量有限，为了获得更大的功率和能量，还可以将多台飞轮储能系统组合成飞轮阵列储能系统[36]。

2 国内研究与发展概况

国内自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术，自90年代开始了关键技术基础研究[27]。

中科院电工研究所制作了一台混合SMB样机，转轴采用轴向型SMB、PMB和AMB共同支撑悬浮，最高转速达到了9 600 r/min[28]。该所还设计了一种采用PMB和机械轴承相结合的磁浮轴承[37]。

2003年～2008年清华大学研制了一台300 W·h的电磁悬浮飞轮储能样机，该样机采用复合材料转子和AMB。2012年清华大学与中原石油勘探局合作研制了一台100 kW电动/500 kW发电的飞轮储能工程样机，该样机采用了重型低速合金钢飞轮转子(质量1 200 kg)、大型永磁吸力轴承和永磁同步电机[38-39]。2017年清华大学为钻机混合动力传动系统研制了一套1 MW/60 MJ飞轮储能系统[40]。

北京航空航天大学和中国科学院长春光学精密仪器研究所面向航天应用领域研究磁悬浮姿态控制/储能两用飞轮，重点研究了磁悬浮轴承技术、飞轮转子结构和电机技术[41-42]。

华中科技大学采用飞轮储能型柔性功率调节器来提高电力系统的稳定性，该柔性功率调节器采用双馈感应电机，并于2007年研制了一台10 kW容量的柔性功率调节器样机[43]。

华北电力大学研制的飞轮储能系统采用钢转子和永磁-流体动压混合支撑轴承，转子极限转速10 000 r/min,并进行了飞轮储能系统加速储能试验[44-47]。

国内飞轮储能行业中，盾石磁能科技有限责任公司为解决电气化轨道交通制动能量回收和牵引电网电压波动等问题,研发了一款333 kW/36 000 r·min-1大功率高速飞轮储能装置[48]；沈阳微控新能源技术有限公司研制的VDC产品最大输出功率450 kW，最高转速37 000 r/min[49]。

此外，在高速电机技术方面，文献[50]分析了飞轮储能用高速电机在国内外的研究现状，阐述了飞轮储能用高速永磁同步电机的关键技术。

在轴承支撑技术方面，文献[51] 基于替代映射的观点建立了非线性主动磁轴承的模型；文献[52] 设计一种将径向超导磁轴承和轴向电磁轴承集成于一体的混合磁悬浮轴承结构，用来在超导飞轮储能系统中支撑飞轮转子；文献[53-54] 针对主动AMB高速飞轮转子系统的振动抑制问题,分别提出了一种模态分离-状态反馈内模控制算法和一种基于不平衡系数辨识的自适应不平衡补偿控制算法；文献[55]建立了一台小容量电机外置式径向型的超导飞轮样机；文献[56] 介绍了高温超导飞轮的结构、研究现状和存在的问题以及未来的发展趋势；文献[57] 对磁悬浮框架飞轮和高精度磁轴承的研究现状及其未来的发展趋势进行了详细阐述；文献[58]分析了各种磁悬浮轴承的悬浮力和刚度，并介绍了飞轮储能用磁悬浮轴承的研究进展。

在系统控制方面，文献[59] 分析了飞轮电机高速运转时滑模观测器估算角度存在偏差的原因，提出一种补偿截止频率等于电机电气频率的自适应低通滤波器固定滞后角的角度偏差消除方法，并对滑模观测器进行了改进。文献[60] 提出了一种基于背靠背双PWM变流器的飞轮储能系统并网控制方法；文献[61] 提出了一种计及总损耗功率估计与转速前馈补偿的飞轮储能系统放电控制策略；文献[62] 基于浸入不变流形原理设计了一种母线电压自适应非线性控制器。

在飞轮阵列储能系统研究方面，文献[63]给出了飞轮阵列储能系统的设计方法、并联拓扑结构与控制策略；文献[64]针对并网型风储微网提出了一种基于飞轮阵列储能系统的分层优化控制方法；文献[65]研究了并联到同一直流母线的飞轮阵列储能系统协调控制策略；文献[66]利用现有单台飞轮储能产品设计出容量为1 MW的飞轮阵列储能系统，但尚未见到该飞轮阵列储能系统在国内的具体工程实践数据。

在应用探索研究方面，文献[67] 针对车载飞轮电池系统关键技术和存在的技术瓶颈进行了分析；文献[68] 针对电气化铁路牵引负荷功率峰值引起的电能质量问题,提出了一种基于牵引负荷功率来控制飞轮充放电的能量管理策略；文献[69-70] 对飞轮电池应用于汽车能量回收的前景进行了展望；文献[71] 对飞轮储能辅助燃煤机组调频动态过程进行了仿真研究；文献[72]设计了应用于改善电网电能质量的飞轮储能系统双层结构能量管理系统；文献[73] 进行了飞轮储能系统在平滑光伏波动以及孤网调频方面调节微电网电能质量的研究。

总体来看，国内飞轮储能系统主要还处在实验室研发和样机研制阶段，理论研究比较丰富,工程应用研究进展较为缓慢，进入市场的成熟飞轮产品还相对较少。在复合材料飞轮转子技术、轴承支撑技术、系统控制技术、飞轮阵列储能技术等方面与发达国家仍存在一定差距[27]。

3 工程应用现状

3.1 电力系统调频

2011年美国Beacon Power公司在纽约的Stephentown镇建成第一座20 MW/5 MW·h飞轮储能调频电站，如图3所示，并于2014年在宾夕法尼亚州Hazel市建成其第二座20 MW调频电站[74]。

图3 Beacon Power公司飞轮储能调频电站

3.2 风电等间歇式新能源发电

随着人们对能源安全问题的日益重视，风力发电等新能源得到了广泛应用。但是风力发电具有间歇性、随机性，会导致系统的稳定性问题增加。飞轮储能系统可以与风力发电等间歇式新能源相配合来供电，可以避免柴油发电机的频繁起停，提高风电渗透率，降低发电成本与电价。图4为飞轮储能系统在葡萄牙亚速尔群岛应用的电路示意图。飞轮储能系统接到了三相400 V/50 Hz的交流电网中[27,75]。

图4 飞轮储能系统在葡萄牙亚速尔群岛的应用

3.3 不间断电源

在电力系统中，存在大量对电能质量要求高的用户，例如半导体制造业、银行的计算机系统、通信系统、医院的精密医疗设备等。当外部电网中断或供电质量异常时，为确保这些用户连续可靠供电，可配备飞轮储能不间断电源(以下简称UPS)[76]。例如美国Active Power公司生产的飞轮储能UPS产品已经在全球被各大数据中心、电信运营商等广泛采用，其双变换UPS和在线交互式UPS产品结构图分别如图5(a)、图5(b)所示。

图5 Active Power公司UPS产品结构图

3.4 轨道交通

轨道交通中使用的电力机车都存在着电机制动的问题。传统电阻制动把制动能量通过发热形式消耗掉，而再生制动能够实现制动能量的再利用。再生制动通过制动时将机车动能转化为电能使机车减速，并在短时间内回馈给电网或存储起来，直到需要时再使用。将机车进站减速时的制动能量存储到飞轮储能系统中，在机车提速驶出时飞轮储能释放所存储的能量，实现制动能量再利用[66,77-79]。比如，美国纽约地铁就采用了飞轮储能，实现机车制动能量的再利用[29]。

3.5 脉冲功率电源

脉冲功率技术是将能量储存起来以后，再瞬间以脉冲大功率释放的技术，在高科技领域及国防军事上应用较多。飞轮储能因瞬间功率大而可作为脉冲功率电源[27]。例如，德国IPP研究所的托卡马克装置就采用了飞轮储能作为脉冲功率电源[80]。

4 结语与展望

飞轮储能系统由于具有瞬时功率高、能效高、响应速度快、维护低、寿命长、环境友好、充放电次数无限制等优点，已经获得了广泛的应用。本文论述了飞轮储能系统的国内外研究发展现状与工程应用现状。

可以看出，飞轮储能系统适用于电力系统调频、风电等间歇式新能源发电、不间断电源(UPS)、轨道交通制动能量回收、脉冲功率电源等领域；未来飞轮储能技术将朝着复合材料飞轮转子、组合式磁轴承、高速电机、双向电力电子控制、阵列式运行等方向发展。

国家能源技术革命创新行动计划(2016年～2030年)提出在2030年前发展10 MW 级飞轮储能装备制造技术。随着技术的进步，飞轮储能必将在电力系统等领域取得更加广泛的应用，并将在推动构建以新能源为主体的新型电力系统、助推“碳达峰、碳中和”目标实现等方面发挥重要作用。