飛輪物理儲能系統分析及應用

王世國

摘要：隨著人們生活質量在不斷提高，對于電力的需求在不斷加大，隨著儲能技術日趨成熟和成本快速下降，中國儲能產業快速發展，逐步從研發示范向商業化階段過渡，但整體來看儲能產業還處于發展初期階段，仍存在發展前景不明晰、技術標準不完善、商業模式和市場機制不清晰等問題。從發展規模、技術經濟性、產業鏈等方面總結中國儲能發展現狀，基于“源-網-荷-儲”協調規劃理論，從宏觀層面展望新能源大規模發展形勢下中長期儲能發展前景，研究儲能在電力系統中的合理運行方式、與新能源消納關系等重要問題;從微觀層面對儲能在電源側、電網側和用戶側等場景的應用關鍵問題及發展對策進行分析，并提出相關建議，為推動中國儲能產業健康發展提供參考。

關鍵詞：飛輪儲能系統;交流側儲能;直流側儲能;儲能前景分析

1、引言

通過對相關一系列儲能技術進行分析和研究，就能對我國電力系統在實際運行過程中的狀況進行全面的了解。通過運用新能源，能科學有效的處理能源大規模缺乏這一問題。在對系統自身穩定性進行加強的基礎上，還能對其全面性給予保證，進一步提高功率在波動過程中的指令，加強電能質量，對出現的問題進行科學處理?，F階段無論是儲能系統的前期規劃，還是中期進行推動的過程，都能加強經濟性，對資源配置進行不斷優化的基礎上，還能保證不同場合的儲能系統都能得到科學有效的運用。

2、飛輪物理儲能系統簡介

飛輪儲能系統是一種機電能量轉換的儲能裝置，突破了化學電池的局限，用物理的方式實現儲能，通過電動機/發電機互逆式雙向電機，實現電能與高速旋轉的飛輪的機械動能之間的相互轉換與存儲，并通過電力電子設備實現與不同系統之間的接入與控制。

當充電時，采用電動機工作模式，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電動機帶動飛輪加速旋轉，將電能轉變為機械能存儲，完成充電過程;當放電時，采用發電機工作模式，利用發電機將飛輪高速旋轉的動能轉變為電能，經電力轉換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成放電過程。

2.1飛輪系統核心組件

飛輪模塊：系統核心部件，可實現20年免維護

圖形用戶界面：提供系統狀態監測、系統功能設定等功能

飛輪控制單元：實現飛輪儲能系統的監測、控制、通信等功能

磁懸浮軸承控制單元：實現五軸主動磁懸浮軸承的監測與控制功能

雙向變流器：對飛輪電機變頻電壓進行轉換，滿足不同應用場景接入電壓的要求

真空泵：維持飛輪殼體內的真空度，以減少風阻損失，從而提高飛輪能量效率

2.2飛輪物理儲能系統主要特點：

高安全性：純物理儲能過程，無化學反應，全方位參數監測，SOC狀態透明，安全可控

綠色環保：全生命周期綠色無污染，飛輪采用合金鋼材料，退役后可全部回收利用，處理成本低

長壽命：基于主動磁懸浮軸承，無機械摩擦，核心部件長達20年使用壽命，>200萬次循環充放電壽命

高功率：單臺飛輪儲能設備的功率高達數百千瓦，功率密度高，可組成數兆瓦級的飛輪儲能系統

快充放：基于IGBT電力電子技術，實現毫秒級快速充放電響應

寬溫域：運行溫度范圍寬，無需精密溫控環境

易部署：模塊化、標準化設計，運輸和施工方便，容易選址，建設周期短

2.3應用簡介（沈陽微控新能源技術有限公司產品）

VDC飛輪物理儲能系統

VDC系列產品的主要運行模式：平時處于“浮充”狀態，維持37000rpm的最高轉速持續運行，最大化儲存能量;需要放電時，給負載提供大功率輸出。VDC系列產品作為飛輪儲能UPS（免蓄電池）解決方案，已經在數據中心、電力行業、電信行業、半導體加工行業、醫療行業、機場等領域得到成熟的應用。

REGEN飛輪物理儲能系統

REGEN系列產品安全可靠性高，使用壽命長，適用于頻繁的充電和放電運行。在充電狀態下，將電能轉換成飛輪的動能儲存;在放電狀態下，將飛輪儲存的動能轉換成電能輸出。REGEN系列產品作為能量回收的優化解決方案，已經在地鐵軌道交通領域得到成熟的應用。REGEN系列產品在微電網、新能源場站、調頻輔助服務、船舶電力推進、電動公交車等領域均能提供優化的儲能解決方案。

飛輪陣列儲能系統

系統簡介

將多臺模塊化的飛輪儲能單元并聯起來組成飛輪陣列儲能系統，是獲得大容量、高功率飛輪儲能系統的解決方案，基于成熟的飛輪儲能單元，采用智能化的飛輪陣列管理系統，實現從數百千瓦級到數十兆瓦級的飛輪儲能系統，可滿足直流電網和交流電網對不同規模飛輪儲能的需要。

系統主要技術特點

系統可滿足直流電網和交流電網不同電壓規格的接入要求

系統采用模塊化的設計理念，組態靈活，兼容性強，擴容方便、滿足不同容量、不同功率的飛輪儲能需求

系統采用智能化的飛輪陣列管理系統，集成了數據監測控制子系統和能量管理子系統，實現對飛輪陣列的全方位管控

系統提供對外通訊和調度接口，可接受本地和遠方的調度指令，進行充放電控制

系統充放電響應速度快，一致性好，每臺飛輪儲能單元的電量狀態和轉速直接對應，完全透明，可精確控制飛輪陣列內的每一臺飛輪儲能單元同步充電或放電。

3、飛輪儲能技術在電力系統中的應用

在火電機組AGC調頻領域，通過“飛輪+鋰電”混合儲能系統與火電機組進行聯合AGC調頻，可以提高儲能系統響應AGC指令的能力，提高調節精度，進一步提高綜合K值，同時可以延長鋰離子電池的使用壽命，提高其安全性。

在分布式智能微電網方面，適合采用飛輪儲能為主的環?；旌蟽δ芊绞?。由于電網轉動慣量小、運行方式復雜，新能源發電和用電負荷的不確定性和波動性對運行狀態影響小，電網穩定控制難度高，能滿足毫秒至分鐘級高頻次的飛輪儲能技術就非常重要。

在新能源領域，隨著新能源裝機比例和發電量占比的不斷提升，儲能作為穩定電力系統運行的重要手段，將承擔系統調節和保障穩定的重要作用。無論是分布式光儲配套還是集中式新能源與儲能的協同，儲能與新能源的結合是我國乃至全球儲能技術發展的必然趨勢。飛輪儲能作為功率型的儲能技術，與其他能量型的儲能技術相結合組成混合儲能系統，進行協同控制，可以更好地滿足新能源發電對配套儲能的需求，系統整體性能更優。

飛輪儲能是用物理方法實現電能存儲， 是一種高度機電一體化產品， 是最有發展前途的儲能技術之一。飛輪儲能與其他幾種典型儲能方式性能相比，飛輪儲能使用壽命可達到20年以上，超過了其他幾種儲能方式，并且由于飛輪儲能是機械儲能方式，對于工作溫度沒有特定的要求，對于環境幾乎沒有影響。飛輪儲能具有較大的容量密度和功率密度，維護周期長，系統穩定性強，適用于調峰調頻，電能質量調節，輸配電系統穩定性，UPS等場合。

結語

飛輪儲能技術能夠有效解決大規模波動性可再生能源并網帶來的系列問題，滿足系統調峰消納需求，增強暫態支撐能力，提高并網容量，從而提升可再生能源的整體并網友好性，作為一種新興的儲能方式，飛輪儲能擁有傳統化學電池無法比擬的優點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術的發展方向，可以預見，伴隨著技術和材料學的進步，飛輪儲能將在未來的各行各業中發揮重要的作用。

參考文獻

[1]（英）戴維·林登，托馬斯B.雷迪，著.電池手冊[M].3版.汪繼強，譯.北京：化學工業制版社，2007.

[2]彭彬，朱勇，馬天馳.基于應用層邏輯的分布式集群架構在生物計算中的應用[J].計算機系統應用，2007，16（6）：62-66.

[3]張永東，金晶.儲能技術在電力系統中的應用現狀與前景[J].信息系統工程，2018，289（1）：104.