飞轮储能的关键技术分析及研究状况

在众多储能技术中，飞轮储能系统(flywheel energy storage system，FESS)以效率高、容量大、响应快和对环境友好等优点，越来越受到国内外学者的重视。

飞轮储能系统是由高速飞轮、磁轴承系统、永磁电动/发电机、能量转换控制系统以及附加设备组成，它是以高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质，利用电动发电机和能量转换控 制系统来控制能量的输入和输出，达到充电和放电的目的。

飞轮储能系统作为一种逐渐成熟的储能技术，已经应用到包括航空航天、电动汽车、电力等领域，逐步取代化学电池储能，成为储能行业一支 不可忽视的力量。飞轮储能系统旋转时不会发生任何化学反应，其是纯粹的机械运动，对环境非常友好，因而受到越来越广泛的关注。

飞轮储能系统的工作状态根据暂态运行通常分为充电和放电2 部分，其工作原理是当外部电能充足时，系统将电能通过飞轮电动机转化为机械能 储存起来;当系统外部电能不足时，将飞轮存储的 机械能转化为电能输出到外部负载。

作为一种新型的物理储能方式，飞轮储能与传统化学电池相比，具备有以下优点：

1)充放电迅速。从收到电网侧的调节信号到飞轮储能系统做出反应，时间极短，并且在之后数分钟时间内能够完成整个系统的充/放电过程，符合电网的短时响应与调节需求，相比于蓄电池、抽水 蓄能、压缩空气等，具有较快的充/放电时间。

2)工作效率高。一般的飞轮储能系统工作效率可以达到90%左右，相比于抽水蓄能的 60%以及蓄电池储能的70%，具有明显的优势，而且采用磁悬浮轴承的飞轮储能系统，其工作效率更高，接近 95%。

3)使用寿命长。飞轮储能系统虽价格昂贵，但是设计良好，其年平均维护费用极低，充放电次数明显优于蓄电池储能等，其达到了百万数量级，且一般免维护的时间是在10a以上。

4)环保无污染。由于机械储能的缘故，飞轮储能不会排放出污染环境的物质，其是一种环境友 好型的绿色储能技术。此外，飞轮储能系统还具有模块性、建设时间短、事故后果影响低等优点。


图1 飞轮储能能量示意图

飞轮储能技术的应用主要集中在储能和峰值动力使用2大类，具体应用体现在以下几方面：

1)UPS不间断电源。不间断电源(UPS)是一种利用储能装置向负载提供高质量电能的设备，在医疗设备、通信、计算机系统领域有着广泛的应用。目前UPS逐渐倾向于使用飞轮储能装置等新型储能设备，既减少了环境污染，延长了使用寿命，同时也提高了工作效率。文献[1]对传统的UPS系统进行了改进，采用飞轮储能技术替代传统的化学电池，并且研究了旋转下飞轮储能系统充、放电控制策略，优化了飞轮充电曲线，改进了智能 控制算法;文献[17]搭建了用飞轮储能系统作为后备电源的新型UPS系统，并进行监测和分析，验证了其可行性，同时给出了相应的国内推广建议。

2)节能。能源利用率一直是我们比较关注的话题，节能已经得到广泛的共识。传统的机械装置，进行机械 制动后能量被转化为热能而流失，造成了一定程度上的浪费，降低了能源的使用效率。因此，通过飞轮储能装置把这部分能量转化为动能存储起来，在需要的时候，输出到系统中，可以减少能量损失， 提高能量的利用率，目前主要的应用领域集中在新 能源汽车和城市轨道交通等方面。

飞轮储能系统可以单独或与其他动力装置一起混合用于电动汽车上，能够改善电动汽车的经济性和动力性，间接减少尾气排放和对环境的污染程度。城市轨道交通由于定点停车，不断地处于启动停靠状态，因此，电能转换而来的机械能处于持续不断的浪费中。采用飞轮储能装置，依靠动能回收系统(KERS)进行能量回收与释放，相对于使用锂电池，飞轮储能系统效果更优。

3)传统电力系统。飞轮储能技术应用于传统电力系统，其能够较 好地调节有功功率，削峰填谷，增大功率因数，稳定电压和频率，并对改善电能质量和稳定负荷具有良好的作用。暂态稳定性问题一直是电力系统稳定 运行和分析的重点，依靠飞轮储能的瞬时功率大、响应迅速、充放电完成时间短等特点，投入到电力系统中，能够快速主动地参与电力系统动态过程，消除扰动并缩短暂态过程，尽量避免了电压崩溃、低频振荡等危险状况的出现，为电力系统恢复到稳 定运行起到了积极作用。

2002年，日本 Kansai电力公司将飞轮储能技术应用于3.3kV电力系统中，用于改善电网的稳定性，其效果显著。文献[21] 应用飞轮储能系统补偿阻尼系统的低频振荡，从佳安装地点、参数整定策略角度分析，仿真结果验证了飞轮储能系统在抑制低频振荡，提高系统稳定性方面的能力。

飞轮储能装置和电机结合在一起，离不开电机的辅助，因此电机的选择与控制将直接 影响到飞轮储能装置。文献[22]提出永磁无刷直流电机回馈制动新6拍脉宽调制方式，并将其应用于高速飞轮储能系统，在改善相电流波形，减小无刷直流电机在高速发电机状态下转矩脉动起到了一定作用。

4)微网。目前，微网(Microgrid)作为一个小型发配电系统，能够实现自我监控、自我调节，既可以并网运行，也能独立运行。因此，相对于传统大电网而言，微网由于分布式电源多、位置灵活、分散等特点，需要有储能系统的支撑做保障。

在微网能量充足时，飞轮储能系统将多余的能量存储起来，稳定端电压;当微网发生故障，或出现功率性缺额现象时，将存储的能量释放出去，增强了局部供电可靠性，维持了微网的频率稳定。

文献[23]将飞轮储能系统应用于微网，作为微网的储能元件，提出了并网时的控制策略，在主网络出现故障时，起备用电源作用，支撑了微网的可靠性;在微网和主网络正常时段，可以改善电能质量，削峰填谷。

文献[24]在微网系统中应用柴油发电机和飞轮储能系统，柴油发电机可以提供强大的功率支撑，稳定负荷，飞轮储能系统可以调节负荷波动、削峰填谷2者结合，并采取适当的控制方式，仿真实验证明了混合系统在微网系统中的有效性和经济性。

5)可再生能源的并网。飞轮储能技术的一个关键应用领域是可再生能源的并网。当前，风力发电、光伏发电等新能源因为清洁、巨量、可再生等优点，受到越来越多的关注。但是由于风光等可再生能源自身的间歇性和波动性，并网后增大了电网的冲击，对电力系统的安全稳定运行造成了一定的影响。而飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源，能稳定并网频率和电压，减小可再生能源的波动性，削峰填谷，降低对电网的冲击，有效地改善可再生能源并网过程中产生的电能质量问题，确保安全性和可靠性。

文献[26-27]提出了风力发电结合的飞轮储能系统，综合了频率和功率的调节与控制，根据实际风速，仿真得出平稳输出功率，实现电网频率控制;文献[28]的研究对象是永磁直驱风力发电机，分析了当前控制方法下，把飞轮储能系统安装在直流端侧，研究有功功率的平滑输出，设计了相应的飞轮储能系统能量控制策略，并给出了平滑功率值的计算方法;文献[29]创新性 地将广义动量概念应用于可再生能源，提出了能量补偿的新控制方法。该控制从调节飞轮储能系统转速出发，对可再生发电的动量进行计算，并对电网系统进行可靠的监视与能量补偿。