飛輪儲能系統的發展與工程應用現狀

劉文軍，賈東強，曾昊旻，肖 浩，朱 晉，邱遠軍

(1.國網湖南省電力有限公司經濟技術研究院，長沙 410007； 2.能源互聯網供需運營湖南省重點實驗室，長沙 410007；3.國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 100075； 4.湖南省送變電工程有限公司，長沙 410035；5.中國科學院電工研究所，北京 100190； 6.仙桃市第一人民醫院，仙桃 433099)

0 引 言

2020年9月，我國向世界莊嚴承諾，力爭于2030年前實現碳達峰，于2060年前實現碳中和[1]。同年12月，我國進一步闡述了“雙碳”(碳達峰、碳中和)目標，提出到2030年風電和太陽能發電的總裝機容量將突破12億千瓦[1]。風電、太陽能發電等新能源發電具有間歇性與隨機性的特點，若大規模高比例地接入電力系統，將給電力系統的運行帶來安全穩定問題[2-6]。儲能裝置的采用可以在很大程度上解決新能源發電的間歇性與隨機性問題, 廣泛地開發利用新能源[7-10]。因此，突破規模化電力儲能關鍵技術，有效提升電力系統對新能源的消納水平，已是國內外諸多研究人員的探索方向[11-16]。

飛輪儲能具有瞬間功率大、循環壽命長、運行損耗低、環境友好、不受地理環境限制等優點，作為目前“碳達峰、碳中和”背景下最具有發展前途的電力儲能技術之一，早已受到國內外眾多學者的關注[17-20]。文獻[21]簡述了飛輪儲能在混合動力汽車、鐵路、風力發電系統、混合發電系統等領域的應用，給出了電機、軸承和電力電子接口三個飛輪儲能器件的優缺點，并討論了所使用的新型和傳統電力電子變換器。文獻[22] 討論了飛輪儲能系統所用的不同類型電機、軸承、電力電子變換器拓撲以及多種應用場合。文獻[23] 概述了飛輪儲能系統的結構和在電力系統和微電網的應用，并討論了挑戰、問題和未來工作。文獻[24]分析了用于飛輪轉子的材料以及使用這些材料的原因，并描述了不同應用場景。文獻[25] 分析了飛輪儲能系統給電動汽車充電提供大功率充電電源的適用性。文獻[26] 探索了飛輪儲能在船舶中壓直流電源系統中的應用。

本文介紹了飛輪儲能系統在國內以及國外的研究發展現狀, 闡述了飛輪儲能系統在相關典型場合的工程應用現狀，并展望了飛輪儲能系統的應用前景。

1 國外技術現狀

近20年來，國外對飛輪儲能系統的研究保持著濃厚的興趣，美國、德國、法國、日本、英國、西班牙等國都一直進行著研究[21-24,27]。

飛輪儲能系統通常由飛輪轉子、軸承、電機、電力電子變換器等關鍵部件組成，如圖1所示。下面將逐一對這些關鍵部件在國外的技術發展現狀予以介紹。

圖1 飛輪儲能系統結構圖

1.1 飛輪轉子

飛輪轉子是飛輪儲能系統能量存儲的載體,其主要作用就是通過高速旋轉將能量以機械能的形式存儲。

飛輪旋轉時所存儲動能E:

(1)

式中：J、ω分別表示飛輪轉子的轉動慣量和旋轉角速度。

由式(1)可知，飛輪轉子儲能量與其角速度平方成正比。增加飛輪轉子的儲存能量，可以通過提高轉子的旋轉速度來實現，但轉子轉速會受到轉子材料強度的限制，如果轉速過高，飛輪轉子會因離心應力太大而發生碎裂。

另外，表征飛輪儲能系統性能的一個重要指標是儲能密度，也就是單位質量所儲存的能量。對于特定結構與形狀的飛輪轉子，它的儲能密度em：

(2)

式中：m為轉子質量；σ為轉子材料的極限強度；ρ為轉子材料密度；Ks為飛輪轉子的形狀系數。表1為幾種典型的飛輪轉子材料的典型參數[28]，由表1可見，碳素纖維與玻璃纖維復合材料具有較高的抗拉強度和較低的密度。

表1 飛輪轉子常用材料參數[28]

因此，為提高飛輪轉子轉速和儲能密度，國外先進的高速飛輪儲能系統皆首選強度高、密度低的碳素纖維或玻璃纖維復合材料作為飛輪轉子的材料。例如，美國Beacon Power公司的飛輪轉子采用的是質量輕、強度高的復合材料轉子，如圖2(a)所示[29-30]；美國德州大學(UT-CEM)研制的應用于鐵路機車的飛輪儲能系統也采用復合材料飛輪轉子，如圖2(b)所示[31]。

圖2 復合材料飛輪轉子

1.2 軸承支撐

適當的軸承設計可以減少損耗和維護需求。機械軸承是最早的軸承類型，它們具有高摩擦、高損耗、高速場合使用時壽命低并因磨損而需要定期保養與潤滑等缺點，磁浮軸承在20世紀80年代出現后，長壽命、高響應速度、高負載能力、低損耗、適用高速場合等特點變為可能。復雜的控制系統是磁浮軸承的主要缺陷，為了防備磁浮軸承的故障/過載，仍有必要配備備用的機械軸承[21]。磁浮軸承主要有以下4種類型：

(1)永磁軸承(以下簡稱PMB)。PMB是利用永磁體同性相斥的原理來實現軸承定、轉子之間徑向或者軸向懸浮的，其通常由一對或多個永磁磁環在徑向或軸向排列而成[32]。PMB最吸引人的特點是無需電源的低損耗及低成本。但是根據Earnshaw定理可知，PMB本質上是不穩定的，需要和機械軸承、超導磁軸承等其它類型軸承一起聯合使用。

(2)電磁軸承(以下簡稱AMB)。AMB也稱主動磁軸承，主要由轉子、位置傳感器、控制器和執行器4部分組成, 其中執行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。AMB采用反饋控制技術，通過控制電磁力的大小來對主軸在軸向和徑向進行定位，使飛輪轉子穩定懸浮在平衡位置[32]。

AMB與傳統機械軸承相比，具有轉子摩擦損耗低、噪聲低、控制能力優、剛度高、壽命長等優點，因而被廣泛使用。但其功率放大器損耗較高，并且軸承設計和控制復雜。AMB通過和機械軸承的聯合使用可以降低控制的復雜性，并使系統可行、經濟，且更趨穩定，但需要對電磁干擾敏感的復雜控制策略。目前，國外采用AMB的有美國Beacon Power等公司[29]。

(3)超導磁軸承(以下簡稱SMB)。SMB的基本原理是高溫超導體和永磁體間電磁相互作用的軸對稱模型，通過利用超導體的抗磁性和釘扎性實現轉子懸浮，一般用高溫超導氧化釔鋇銅(YBCO)塊材作定子，常規的永磁體作轉子[28]。

SMB具有自穩定、摩擦損耗低、壽命長等幾大優點，但需低溫制冷機，增加了系統的體積和成本。超導磁軸承是高溫超導飛輪儲能系統(以下簡稱HTS-FESS)的核心部件。目前，國外研究HTS-FESS的單位主要有美國波音公司、日本ISTEC、德國ATZ公司等。這些單位的HTS-FESS采用超導磁軸承為主，并輔助以永磁軸承或電磁軸承[28]。

(4)組合式磁軸承。以上三種單一磁軸承各具有優缺點，如表2所示，在實際應用中經常將幾種軸承組合起來使用[33-35]。

表2 三種單一磁浮軸承特點[33]

1.3 高速電機

高速電機是飛輪儲能系統進行機械能與電能轉換的接口。現代飛輪儲能系統中只有一個電機，它既要在充電時充當電動機，又要在放電時充當發電機。

永磁電機具有結構簡單、成本低、調速范圍寬、磁密度高、無勵磁損耗、轉速和效率高等優點，目前在國外飛輪儲能系統的研究與應用中被較多采用[27]。美國Beacon Power公司的飛輪產品采用的就是永磁同步電機。

1.4 電力電子變換

電力電子變換器是飛輪電機和供電系統的連接紐帶,起著電力變換的作用。隨著電力電子技術的發展，電壓的頻率和幅度都變得更容易控制。在飛輪儲能系統中，電力電子變換器可以使用不同類型的具備雙向模式運行的電路拓撲，比較常見的有交流-直流-交流等拓撲結構。

1.5 真空室

為了降低飛輪轉子高速旋轉時轉子與空氣之間的摩擦損耗，需要將飛輪轉子置于真空室之中。真空室內的真空環境一般通過真空泵將真空室內空氣抽出并對真空室進行密封來獲得。對于高密封性能的真空室來說，維持真空只需真空泵間歇工作。目前，美國Beacon Power等公司就采用了真空技術。

1.6 飛輪陣列儲能系統

單臺飛輪儲能系統的功率和能量有限，為了獲得更大的功率和能量，還可以將多臺飛輪儲能系統組合成飛輪陣列儲能系統[36]。

2 國內研究與發展概況

國內自20世紀80年代開始關注飛輪儲能技術，自90年代開始了關鍵技術基礎研究[27]。

中科院電工研究所制作了一臺混合SMB樣機，轉軸采用軸向型SMB、PMB和AMB共同支撐懸浮，最高轉速達到了9 600 r/min[28]。該所還設計了一種采用PMB和機械軸承相結合的磁浮軸承[37]。

2003年～2008年清華大學研制了一臺300 W·h的電磁懸浮飛輪儲能樣機，該樣機采用復合材料轉子和AMB。2012年清華大學與中原石油勘探局合作研制了一臺100 kW電動/500 kW發電的飛輪儲能工程樣機，該樣機采用了重型低速合金鋼飛輪轉子(質量1 200 kg)、大型永磁吸力軸承和永磁同步電機[38-39]。2017年清華大學為鉆機混合動力傳動系統研制了一套1 MW/60 MJ飛輪儲能系統[40]。

北京航空航天大學和中國科學院長春光學精密儀器研究所面向航天應用領域研究磁懸浮姿態控制/儲能兩用飛輪，重點研究了磁懸浮軸承技術、飛輪轉子結構和電機技術[41-42]。

華中科技大學采用飛輪儲能型柔性功率調節器來提高電力系統的穩定性，該柔性功率調節器采用雙饋感應電機，并于2007年研制了一臺10 kW容量的柔性功率調節器樣機[43]。

華北電力大學研制的飛輪儲能系統采用鋼轉子和永磁-流體動壓混合支撐軸承，轉子極限轉速10 000 r/min,并進行了飛輪儲能系統加速儲能試驗[44-47]。

國內飛輪儲能行業中，盾石磁能科技有限責任公司為解決電氣化軌道交通制動能量回收和牽引電網電壓波動等問題,研發了一款333 kW/36 000 r·min-1大功率高速飛輪儲能裝置[48]；沈陽微控新能源技術有限公司研制的VDC產品最大輸出功率450 kW，最高轉速37 000 r/min[49]。

此外，在高速電機技術方面，文獻[50]分析了飛輪儲能用高速電機在國內外的研究現狀，闡述了飛輪儲能用高速永磁同步電機的關鍵技術。

在軸承支撐技術方面，文獻[51] 基于替代映射的觀點建立了非線性主動磁軸承的模型；文獻[52] 設計一種將徑向超導磁軸承和軸向電磁軸承集成于一體的混合磁懸浮軸承結構，用來在超導飛輪儲能系統中支撐飛輪轉子；文獻[53-54] 針對主動AMB高速飛輪轉子系統的振動抑制問題,分別提出了一種模態分離-狀態反饋內模控制算法和一種基于不平衡系數辨識的自適應不平衡補償控制算法；文獻[55]建立了一臺小容量電機外置式徑向型的超導飛輪樣機；文獻[56] 介紹了高溫超導飛輪的結構、研究現狀和存在的問題以及未來的發展趨勢；文獻[57] 對磁懸浮框架飛輪和高精度磁軸承的研究現狀及其未來的發展趨勢進行了詳細闡述；文獻[58]分析了各種磁懸浮軸承的懸浮力和剛度，并介紹了飛輪儲能用磁懸浮軸承的研究進展。

在系統控制方面，文獻[59] 分析了飛輪電機高速運轉時滑模觀測器估算角度存在偏差的原因，提出一種補償截止頻率等于電機電氣頻率的自適應低通濾波器固定滯后角的角度偏差消除方法，并對滑模觀測器進行了改進。文獻[60] 提出了一種基于背靠背雙PWM變流器的飛輪儲能系統并網控制方法；文獻[61] 提出了一種計及總損耗功率估計與轉速前饋補償的飛輪儲能系統放電控制策略；文獻[62] 基于浸入不變流形原理設計了一種母線電壓自適應非線性控制器。

在飛輪陣列儲能系統研究方面，文獻[63]給出了飛輪陣列儲能系統的設計方法、并聯拓撲結構與控制策略；文獻[64]針對并網型風儲微網提出了一種基于飛輪陣列儲能系統的分層優化控制方法；文獻[65]研究了并聯到同一直流母線的飛輪陣列儲能系統協調控制策略；文獻[66]利用現有單臺飛輪儲能產品設計出容量為1 MW的飛輪陣列儲能系統，但尚未見到該飛輪陣列儲能系統在國內的具體工程實踐數據。

在應用探索研究方面，文獻[67] 針對車載飛輪電池系統關鍵技術和存在的技術瓶頸進行了分析；文獻[68] 針對電氣化鐵路牽引負荷功率峰值引起的電能質量問題,提出了一種基于牽引負荷功率來控制飛輪充放電的能量管理策略；文獻[69-70] 對飛輪電池應用于汽車能量回收的前景進行了展望；文獻[71] 對飛輪儲能輔助燃煤機組調頻動態過程進行了仿真研究；文獻[72]設計了應用于改善電網電能質量的飛輪儲能系統雙層結構能量管理系統；文獻[73] 進行了飛輪儲能系統在平滑光伏波動以及孤網調頻方面調節微電網電能質量的研究。

總體來看，國內飛輪儲能系統主要還處在實驗室研發和樣機研制階段，理論研究比較豐富,工程應用研究進展較為緩慢，進入市場的成熟飛輪產品還相對較少。在復合材料飛輪轉子技術、軸承支撐技術、系統控制技術、飛輪陣列儲能技術等方面與發達國家仍存在一定差距[27]。

3 工程應用現狀

3.1 電力系統調頻

2011年美國Beacon Power公司在紐約的Stephentown鎮建成第一座20 MW/5 MW·h飛輪儲能調頻電站，如圖3所示，并于2014年在賓夕法尼亞州Hazel市建成其第二座20 MW調頻電站[74]。

圖3 Beacon Power公司飛輪儲能調頻電站

3.2 風電等間歇式新能源發電

隨著人們對能源安全問題的日益重視，風力發電等新能源得到了廣泛應用。但是風力發電具有間歇性、隨機性，會導致系統的穩定性問題增加。飛輪儲能系統可以與風力發電等間歇式新能源相配合來供電，可以避免柴油發電機的頻繁起停，提高風電滲透率，降低發電成本與電價。圖4為飛輪儲能系統在葡萄牙亞速爾群島應用的電路示意圖。飛輪儲能系統接到了三相400 V/50 Hz的交流電網中[27,75]。

圖4 飛輪儲能系統在葡萄牙亞速爾群島的應用

3.3 不間斷電源

在電力系統中，存在大量對電能質量要求高的用戶，例如半導體制造業、銀行的計算機系統、通信系統、醫院的精密醫療設備等。當外部電網中斷或供電質量異常時，為確保這些用戶連續可靠供電，可配備飛輪儲能不間斷電源(以下簡稱UPS)[76]。例如美國Active Power公司生產的飛輪儲能UPS產品已經在全球被各大數據中心、電信運營商等廣泛采用，其雙變換UPS和在線交互式UPS產品結構圖分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

圖5 Active Power公司UPS產品結構圖

3.4 軌道交通

軌道交通中使用的電力機車都存在著電機制動的問題。傳統電阻制動把制動能量通過發熱形式消耗掉，而再生制動能夠實現制動能量的再利用。再生制動通過制動時將機車動能轉化為電能使機車減速，并在短時間內回饋給電網或存儲起來，直到需要時再使用。將機車進站減速時的制動能量存儲到飛輪儲能系統中，在機車提速駛出時飛輪儲能釋放所存儲的能量，實現制動能量再利用[66,77-79]。比如，美國紐約地鐵就采用了飛輪儲能，實現機車制動能量的再利用[29]。

3.5 脈沖功率電源

脈沖功率技術是將能量儲存起來以后，再瞬間以脈沖大功率釋放的技術，在高科技領域及國防軍事上應用較多。飛輪儲能因瞬間功率大而可作為脈沖功率電源[27]。例如，德國IPP研究所的托卡馬克裝置就采用了飛輪儲能作為脈沖功率電源[80]。

4 結語與展望

飛輪儲能系統由于具有瞬時功率高、能效高、響應速度快、維護低、壽命長、環境友好、充放電次數無限制等優點，已經獲得了廣泛的應用。本文論述了飛輪儲能系統的國內外研究發展現狀與工程應用現狀。

可以看出，飛輪儲能系統適用于電力系統調頻、風電等間歇式新能源發電、不間斷電源(UPS)、軌道交通制動能量回收、脈沖功率電源等領域；未來飛輪儲能技術將朝著復合材料飛輪轉子、組合式磁軸承、高速電機、雙向電力電子控制、陣列式運行等方向發展。

國家能源技術革命創新行動計劃(2016年～2030年)提出在2030年前發展10 MW 級飛輪儲能裝備制造技術。隨著技術的進步，飛輪儲能必將在電力系統等領域取得更加廣泛的應用，并將在推動構建以新能源為主體的新型電力系統、助推“碳達峰、碳中和”目標實現等方面發揮重要作用。