飛輪儲能技術發展與應用

王巍，高原，姜曉弋

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飛輪儲能技術發展與應用

王巍1，高原2，姜曉弋3

（1. 海軍92557部隊，廣州 510720；2. 海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，葫蘆島 125004；3. 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

隨著綜合電力系統的發展，飛輪儲能的應用引起了研究者的高度重視。本文首先分析了飛輪儲能的技術特點，然后闡述了當前飛輪儲能技術的發展概況，最后介紹了飛輪儲能的應用情況。

綜合電力系統 飛輪儲能 特點 發展 應用

0 引言

艦船綜合電力系統（Integrated Power System，簡稱IPS）是一種新型的動力系統，是將艦船原動機能量完全轉化為電能，同時提供推進用電、高能耗用電和全船其它負載用電的電能綜合利用與統一管理系統[1]。與傳統意義上的電力系統相比，艦船綜合電力系統能夠優化總體系統設計，整合艦船動力平臺，簡化動力系統結構，提高艦船作戰能力，提升武備系統性能，支撐艦船高能武器，代表了未來艦船電力系統的發展趨勢。但是，IPS是一個典型的剛性高階非線性獨立供電系統，電能由艦船電站發出并配送至全船，供電距離短，系統耦合性強，在系統內任何一處發生擾動都將影響到全系統的動態特性。隨著現代艦船電氣化程度的不斷提高，各種新技術設備的不斷裝備，艦船電力系統容量不斷增大，系統穩定性問題更加突出。全電力推進中推進電機的容量基本可以跟發電機容量相比，電機啟動、制動和調速過程會對電網產生很大的沖擊；艦船的導航、數據處理、自動控制設備需要高品質的供電；脈沖功率等新概念武器需要瞬時吸收和釋放大能量。

系統功率失衡是造成電力系統穩定性問題的主要原因，通過儲能系統對電網電壓和功率進行補償，以改善電能質量、維持系統穩定，則是滿足上述各種需求、將各種不利影響最小化的有效途徑，以美國為代表的世界各強國海軍均在此方面進行了探索研究。

1 飛輪儲能技術的發展概況

早在20世紀中葉就有人提出飛輪儲能器的設想，但由于當時的飛輪材料和軸承問題沒有得到解決而一直停滯不前。直到20世紀90年代，由于以下三方面的突破，才給飛輪儲能帶來了新的活力：一是高強度碳素纖維和玻璃纖維的出現，飛輪允許線速度可達500~1000 m/s，大大增加了單位質量的動能儲量；二是電力電子技術的新進展，給飛輪電機與系統的能量交換提供了靈活的橋梁；三是電磁懸浮超導磁懸浮技術的發展，配合真空技術，極大程度地降低了機械摩擦與風力損耗[2]。

一套典型的飛輪儲能裝置結構如圖1所示，主要由飛輪、電機、變流器組成。

1.1 飛輪

飛輪固定在電機轉子上，是飛輪儲能系統的最主要儲能部分，儲存在其中的動能

式中，為飛輪轉動慣量，為飛輪旋轉角速度。由式（1）可知，為了增加飛輪儲能系統的存儲能量，一般可以采用兩類方法，一類是增大飛輪的轉動慣量，但是這樣會帶來動態響應問題，另一類是提高飛輪的轉速，但是必須考慮飛輪旋轉時所能承受的最大離心應力。對于結構和形狀一定的飛輪，儲能密度正比于材料的比強度（許用應力與密度之比），因此現代飛輪一般采用強度高、密度小的纖維復合材料。金屬材料飛輪外緣線速度可達300~500 m/s，高強度的碳纖維復合材料允許線速度達到600~1200 m/s。進行這方面研究的機構或公司包括：美國Lawerence Livermore National Laboratory、美國Trinity Flywheel公司、美國飛輪系統公司、美國Argonne National Laboratory、美國馬里蘭大學、美國休斯頓大學的德克薩斯超導中心、美國Satcon技術公司、伊朗Shiraz大學機械工程系等，德國、波蘭等國也開展了這方面的研究工作[2-4]。

1.2 電機系統

電機系統包括電機本體和軸承兩大部分。

飛輪儲能裝置中的電機需要有較大的轉矩和輸出功率、較長的穩定使用壽命、低空載損耗和高能量轉換效率，并且需適應大范圍的速度變化。在飛輪儲能系統中，電機可工作在電動機和發電機兩種狀態。在充電時，它作為電動機給飛輪加速，當放電時，則作為發電機向電網供電，此時飛輪的轉速不斷下降，而當飛輪空閑運轉時，整個裝置以最小損耗運行。由于電機轉速高，運轉速度范圍大，散熱條件差，電機的工作性能要求非常高。從系統結構和降低功耗的思想出發，現在常用的電機有永磁無刷電機、三相無刷直流電機、磁阻電機和感應電機。從系統結構及降低功耗出發，國外研究單位一般均采用永磁無刷同步電動/發電互逆式雙向電機。電機功耗還取決于電樞電阻、渦流電流和磁滯損耗，因此無鐵靜子獲得廣泛應用，轉子選用釹鐵硼永磁磁鐵。馬里蘭大學、美國勞倫斯國家實驗室以及美國Indigo能源公司等均在這方面有所研究[2,5]。

在電機支承方面，目前一般有有機械支撐和磁懸浮兩種基本方式，而磁懸浮又可分為永磁懸浮、電磁懸浮、超導磁懸浮等。普通的機械軸承會出現潤滑、散熱、磨損等問題題，消耗飛輪所儲存的能量，縮短儲能時間，降低儲能效率，所以使用非接觸軸承是首選。采用這類支承方式的飛輪一般用于快速充放電系統，如美國Kaman電磁公司研制的電磁炮、電化學炮，要求在幾個毫秒時間產出200 kA的放電，以滿足負載的需要。現在磁懸浮軸承技術已經很成熟，能夠在徑向和軸向上對軸定位，配合真空技術，能夠以接近于無摩擦的狀態承載電機，是飛輪的理想軸承[4,5]。

1.3 變流系統

變流器一般采用IGBT進行PWM控制，設計為能量可回饋的雙向變換器，在額定工作點附近能夠達到90%以上的轉換效率，但是輕載時效率會降低。儲能電機從電網吸收能量而增速時，變流器作逆變器運行；電機向電網釋放能量而減速時，以逆變電路的續流二極管為能量回饋的回路，變流器作整流器運行。控制模塊監控飛輪轉子的轉速、電網電壓以及系統潮流，根據系統的拓撲結構確定合適的控制策略，向變流器發出控制信號，使電機工作在儲能狀態、釋能狀態或保持狀態。

文獻[6]針對電動汽車制動過程中的能量損耗問題，采用AC-DC-AC的兩級拓撲結構實現電動汽車交流電網、直流母線和飛輪儲能系統之間的能量傳遞。文獻[7]則研究了基于AC-DC-AC兩級拓撲結構的飛輪儲能電池UPS系統。這類拓撲結構適用于交流電網，無法應用于直流電制IPS中。

文獻[8]采用AC-DC的單級拓撲結構實現直流母線和飛輪儲能系統的能量傳遞，并在飛輪儲能系統的DC側和直流母線之間增加了Boost-Buck斬波環節，以穩定DC輸出電壓。文獻[9]和文獻[10]則是在本質上采用了AC-DC分別加Buck斬波和Boost斬波的拓撲結構。這類拓撲結構可以應用于直流電網，但由于在基本AC-DC變流基礎上增加了斬波器，體積和重量均有所增加，對于IPS而言，艦船（特別是潛艇和小型水面艦艇）的空間和噸位都非常有限，因此需要研究更為輕便的拓撲結構。

文獻[11]將DVR應用于艦船輻射狀供電網絡，采用轉子磁場定向SVPWM對飛輪儲能電機進行控制，對關鍵負載進行了電壓跌落補償，其研究得到了美國海軍的支持。文獻所涉及的DVR多用于AC-DC-AC拓撲，控制量局限于交流側，但是其研究思路對綜合電力系統直流網絡具有參考價值。

目前，馬里蘭大學已開發出“敏捷微處理器電力轉換系統”。在電動模塊時，“敏捷微處理器電力轉換系統”功能為電動機控制器，而發電模塊時，其功能為交流轉換器。該轉換系統全部為固定部件，由固態開關、濾波器、控制電路及二極管組成，屬共振轉換器。美國Beacon Power公司采用脈沖寬度調制轉換器，實現從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉換。飛輪系統具有穩速、恒壓功能，此功能是運用一個專利算法自動實現，而不需要指定的主動或從動元件[12]。

2 飛輪儲能技術的應用

飛輪儲能因其效率高、建設周期短、壽命長、高儲能、充放快捷、充放電次數無限以及無污染等優點而應用廣泛，自Beacon電力成功將大規模飛輪儲能系統應用于電網級儲能領域后，飛輪儲能贏得儲能業界更高關注。

飛輪儲能技術在許多領域都已經有廣泛的應用，特別是在美國、日本、德國等發達國家，儲能技術已經發展得比較成熟，主要體現在以下方面[2-5], [13-15]。

2.1 不間斷電源（UPS）

UPS不間斷電源是一種利用市電或蓄電池能源向負載提供高質量交流電源的設備。飛輪儲能裝置正在逐步取代UPS中的化學蓄電池，特別是用在通信行業的UPS中，由于很多工作在戶外，工作環境差，一般的化學蓄電池不能適應，而飛輪儲能裝置對環境無要求，工作適應能力較強。

美國Active Power公司主要生產作為不間斷電源（UPS）的飛輪電池系統來取代傳統的鉛-酸電池，以適應當今高品質電力的要求。美國Vista公司將飛輪引入到風力發電系統，實現全程調峰，飛輪機組的發電功率為300 kW，大容量儲能飛輪的儲能為277 kWh。加拿大CANMET能源研究中心開發用于UPS的飛輪電池，功率1500 W，能量1100 Wh，重量65 kg，轉速15000~45000 r/min。

2.2 飛輪電池

隨著電動機車的發展，飛輪儲能裝置已經開始使用在混合電動汽車中。汽車制動過程中，將制動能耗通過電動機轉化為飛輪的機械動能儲存起來，成為再生能源，當汽車需大功率工作時，飛輪再通過發動機將動能釋放以供系統使用。這種用途也有的用在火車和軍用電池坦克上。

Texas大學和Texas能源貯備局等聯合組成的Texas電動汽車計劃研究出可以存貯2kWh能量、功率達100 - 150 kW的飛輪電池，主要用于電動汽車，在軍事上用于戰斗車輛、電磁炮、電磁懸浮（在高機動多用途輪式車和Ml坦克上已用）、電磁干涉，其運行時的損耗只有1%。AFS公司和美國Honeywell公司的飛輪電池已經被安裝在德國的BMW汽車做實驗。ARPA也在進行電動汽車的研究和開發，包括Mll3軍用人員運輸車、Bradley步兵戰斗車、高機動多用途輪式車、M939AI貨運卡車、電動航空器等。

2.3 航空航天

飛輪儲能裝置也應用在航天飛機和低軌道運行衛星之中。美國的Satcon技術公司、NASA Leqis研究中心、馬里蘭大學都已開發了衛星姿態控制用飛輪系統，NASA已做過太空運行試驗。前蘇聯已成功地將磁懸浮飛輪應用到空間站姿態控制中。Hytech設計的Kinmo飛輪電池能在60000r/min的轉速下可靠運行，經過90000次充、放電后性能不下降，被Boing公司核準作為NASA“十年空間站計劃”的電池供應者，美國陸軍工程部已經訂購了7套用于John H Kerr水電站。

2.4 電網電站

飛輪儲能技術已經開始應用在陸用電網中，其主要作用是電力系統峰值調節。由于飛輪儲能發電系統能夠可在任意時間間隔、以任意規模方便地進行能量存儲與釋放，可以就近分散放置，且零排放、低噪聲，適應環境保護的要求，因而被認為是近期最有希望和最有競爭力的新型調峰技術。另外，由于它的充放功率可以很大，并聯或串聯在電網中也能起到改變系統阻尼、增加電網穩定性的作用。

美國的馬德蘭大學已于1991年開發出了用于電力調峰的24 kWh電磁懸浮飛輪系統,飛輪重172.8 kg,工作轉速范圍11610r/min~46345 r/min，破壞轉速為48784 r/min，系統輸出恒壓110 V/240 V，全程效率為81%。德國在1996年著手研究儲能5 MWh/100 MWh的超導磁懸浮儲能飛輪電站，電站由10只飛輪模塊組成，系統效率96%。日本沖繩電力公司開發了210 MJ的慣性儲能系統，以穩定電網頻率。2011年7月12日，美國Bescon Power公司在紐約Stephen鎮建設的世界上第一個20 MW大規模飛輪儲能儲能項目實現正式投運。

飛輪儲能還適合應用到太陽能發電、風力發電等系統中。在風力發電特別是分布式風力發電中，風速的變化會使原動機輸出的機械功率發生變化，引起發電機輸出功率波動，導致電能質量下降。應用飛輪儲能裝置，可以在風速較高時儲存部分能量，在風速較低時補償發電機輸出電壓功率，提高電源輸出品質，同時增加分布式發電機組與電網并網運行時的可靠性。另外，在太陽能發電無光、風力發電無風等情況下，儲能裝置能夠起到過渡作用，持續向用戶供電。

3 結語

總體而言，飛輪儲能在陸用電網電站的應用已經比較成熟，在艦船等獨立電站上的應用仍處于起步階段，工程化應用較少，但是已經引起了研究者的高度重視，美國海軍下一代綜合電力路線圖明確指出未來艦船將配備儲能系統。隨著綜合電力系統的發展、大功率負載的增加、電力推進的普及、電磁彈射的使用和高能武器的裝備，電力系統供電品質與穩定性問題逐步顯現，飛輪儲能的作用也必將日益突出。

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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

國家自然科學基金項目（51007093）

王巍（1975-），男，工程師。研究方向：艦船消磁技術。