飞轮储能系统概述

飞轮储能系统概述
1飞轮储能产品结构及工作原理
飞轮储能技术是利用互逆式双向电机（电动/发电机）实现电能与高速旋转飞轮的机械能之间相互转换的一种储能技术。

飞轮储能系统除了飞轮转子以外，还必须拥有电磁悬浮轴承、高速永磁同步电动/发电机、电力电子整流逆变控制装置、真空室及真空维持系统等五大部分组成，用以保证储能飞轮转子系统在无摩擦、无磨损的环境中高效运转。

图1 飞轮储能装置结构示意图
飞轮转子是飞轮储能系统的关键核心部件。

目前市场上较为常见的是钢制飞轮，采用碳纤维材料制造的飞轮转子比较少，主要原因是碳纤维飞轮设计存在比较大的技术难度，再加上国内目前技术开发能力主要是模仿、引进、消化国外技术，真正能做到自主研发的企业不多。

常见飞轮外形分为轮式、盘式或柱式等。

电磁悬浮轴承是飞轮转子系统的支承部件，这种支承方式的主要特点是无摩擦、无损耗、高效率。

可以显著降低飞轮储能过程中的自耗电能量损失。

电动/发电机是一种可逆高速永磁同步电机，即具有电动机和发电机双重功能。

当由外部电力接入时，电机可以拖动飞轮升速达到最大储能转速，到达这个转速即表示飞轮储能充电完成（充满了电）。

此时切断外部电源，电能已经转化成了机械能保持惯性高速旋转。

当外部有负载接入时，高速永磁同步电机在飞轮机械转矩的作用下对外发电。

电机的电动/发电状态是通过电力电子整流逆变控制装置来实现的。

真空室及真空维持系统主要作用是为飞轮提供真空环境以降低风阻损耗。

飞轮储能系统是将能量以高速旋转飞轮的转动动能的形式来存储起来的装置。

它有三种模式：充电模式、放电模式、保持模式。

充电模式即飞轮转子从外界吸收能量,使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来，充电过程飞轮做加速运动，直到达到设定的转速；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能,再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现机械能到电能的转化，此时飞轮将做减速运动，飞轮转速将不断降低，直到达到设定的转速；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。

由此，整个飞轮系统实现了能量的输入、输出以及存储。

从产品技术上看，根据转子旋转速度、转子材料选择、轴承类型的不同，飞轮储能系统有多种不同的分类方式。

其中根据飞轮储能系统中飞轮转子旋转速度的不同，飞轮储能系统分为中低速飞轮储能系统及高速飞轮储能系统两大类；根据飞轮轴系轴承的不同，飞轮分为机械轴承飞轮储能系统、磁悬浮轴承飞轮储能系统和组合式轴承飞轮储能系统等；根据飞轮转子材料的不同，飞轮分为复合材料转子飞轮以及金属材料飞轮两大类。

另外还可以根据飞轮应用场景不同，将飞轮储能产品分为能量型飞轮储能技术及功率型飞轮储能技术。

功率型飞轮储能产品特点是单体飞轮储能电池容量小，功率大，充放电时间短。

从目前调研的产品参数来看，最大单体容量在50千瓦时，充放电时间不超过20分钟，这种参数非常适用于数据中心应急电源应用，在市电断电，柴发还未达到供电要求之间的十几分钟作为电源补充。

而能量型飞轮储能产品特点是单体飞轮储能电池容量大，功率小，充放电时间达到1-2小时，小时级别的充电时长更适用于新能源电站入网的要求。

能量型飞轮储能产品的技术难点在于大容量飞轮的设计与制造，目前普遍采用的钢制飞轮因其能量密度低，并不适用，必须要采用碳纤维飞轮，而大容量碳纤维飞轮设计技术之前国内外并没有攻克。

目前大规模电储能以抽水储能为主，各种正在研发的新型储能技术具有良好的应用前景，如飞轮储能、超级电容器储能、超导磁储能、压缩空气储能、锂离子电池、液流电池和钠硫电池储能等。

电能存储按容量可分为长时大能量、短时高功率两种，长时大容量的抽水储能电站可以在电网规模上提供数小时的电能供给；而短时高功率的飞轮储能可为高端用户端提供高品质不间断电能供给。

高品质电能供给、过渡电源、能源管理对储能时间尺度分别为秒分、分时和数小时。

各种储能方式的技术对比下表所示。

从中可以看出，飞轮储能具有效率高（达90%）、瞬时功率大（单台兆瓦级）、响应速度快（数毫秒）、使用寿命长（10万次循环和15年以上）、环境影响小等诸多优点，是目前最有发展前途的短时大功率储能技术之一。

表1 各种储能方式的技术对比
4飞轮储能在数据中心的应用
磁悬浮式飞轮储能UPS引发了人们越来越多的关注。

这种技术抛弃了传统UPS利用铅酸蓄电池进行储能的方式。

在现代数据中心中，迅速增长的业务需求，日益增加的运营成本，有限的机房空间和更高的能量密度，已经成为云计算时代下，数据中心及其电源管理系统建设面临的最大挑战。

传统电源系统中的蓄电池需要空调制冷，而且24小时连续运转，耗能巨大。

磁悬浮式飞轮储能UPS系统则无需空调，大大节省了运营成本；而且，其占用的空间也大幅减小；维护成本低，无需更换电池；寿命长达20年。

在传统UPS供电系统中，当电力发生中断时，蓄电池会支撑系统正常运转，与此同时，柴油发动机开始启动，以此保证数据中心主机正常工作、空调连续运转。

蓄电池型UPS在此过程中，提供了“分钟级”的电力供电。

而飞轮储能型UPS受制于机械储能，仅仅能够提供30s到1min 电力供电，这也是飞轮UPS被诟病的主要原因。

然而，专家指出，如今，市电电源的可性达到99.9%，有些重要的负载都采用双路市电供电，市电的可靠性可以说已经达到了99.99%。

万一市电中断，后备电源的可靠性也可以达到99.9%，从市电到后备电源的切换，在技术上只需要10s的时间，这是一个公开的标准。

目前，欧洲已经将这
个时间定了8s。

可以断定，飞轮储能型UPS能提供30s的电力完全能够满足从市电到后备电源的可靠切换的要求。

5国内外飞轮储能技术发展概况
飞轮储能技术发展1967-2019年经历53年的历程。

美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多，技术处于领先地位。

欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。

目前国外主流技术采用第三代飞轮储能技术，其采用NASA提出的碳纤维和磁悬浮技术。

近年来，国内飞轮储能技术整体提高。

2014年9月16日国内第一台飞轮200千瓦工业化磁飞轮调试成功，各项实验测试指标均达良好，这项具有完全知识产权的储能技术和产品填补了国内科技和市场的空白。

盾石磁能的GTR 飞轮储能装置在城市轨道交通应用项目在轨道交通领域达到国际先进水平。

但从总体上来看，国内飞轮储能技术的发展现状落后国外十年，许多成果尚处于研究阶段，在推广应用上还会有一段路要走。

6现阶段的应用存在问题
高速飞轮储能系统技术门槛较高，复合材料结构技术、磁轴承技术、真空中的高速高效电机技术仍然有一些亟待解决的课题：如复合材料的使用寿命评估、电磁轴承和高温超导磁轴承的工程化应用
问题、大功率高速电机转子材料和结构设计问题以及高速轴系的机电耦合转子动力学问题。

能量密度不够高，能量释放只能维持较短时间，一般只有几十秒钟。

对于数据中心，飞轮储能秒级的放电时间是否可靠存在考量。

7飞轮储能技术的前景
飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，它与超导储能技术、燃料电池储能技术等各种先进的储能技术，是近年来出现的、具有很大发展前景的储能技术。

虽然目前化学电池(铅酸蓄电池、锂离子蓄电池等)储能技术已经发展得非常成熟，但是，铅酸蓄电池有污染环境的风险，磷酸铁锂蓄电池的充放电次数受到一定的限制。

而飞轮储能技术就是一种具有无限的充放电次数和绿色环保型的储能技术。

随着多学科优化设计技术、复合材料技术、磁支撑技术和电动机/发电机一体机技术的不断进步，现代飞轮储能系统已经成为一种绿色的能量存储装置，鉴于飞轮储能技术的特性和优点，未来飞轮系统将在电力系统领域，包括可再生能源并网、调频等方向、轨道交通工具、UPS、航天航空等军工领域将发挥重要作用。

随着飞轮市场及应用领域的不断扩大，飞轮储能技术为了满足不用应用领域的需求，飞轮储能系统将向高功率密度、高能量密度、低损耗、低成本等方向发展，围绕这几方面，飞轮储能单元关键技术主要有以下几方面发展趋势：（1）电机及其变流器系统将向低成本方向发展；
（2）高能量密度转子将向复合材料方向发展；（3）支撑轴承将向磁悬浮及复合轴承方向发展；（4）飞轮储能单机储存能量由十千瓦时向百千瓦时发展；（5）大容量飞轮储能系统将向模块阵列化方向发展。

2021年3月，全国人大表决通过十四五规划和2035年远景目标纲要，明确提出在电力系统调节方面要推动飞轮储能等储能示范项目。

2021年7月，国家发改委、能源局发布《国家发展改革委国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》，明确提出开展飞轮储能的规模化试验示范。

现在，发展大规模储能已成为国家战略，而我国也已成为可再生能源及城市交通电动化（城轨及电动汽车）的最大市场，这为飞轮储能技术提供了广阔市场。

随着“新基建”的新一轮能源储能技术变革，飞轮储能应用将进入快速发展期。