简论飞轮储能系统关键技术及其研究现状
飞轮储能技术及其在石油工程上的应用_概述说明以及解释
飞轮储能技术及其在石油工程上的应用概述说明以及解释1. 引言1.1 概述飞轮储能技术是一种利用高速旋转飞轮来存储和释放能量的先进技术。
随着石油工程领域对能源存储和利用效率的要求不断提高，飞轮储能技术逐渐引起了人们的关注。
本文旨在介绍和探讨飞轮储能技术在石油工程上的应用潜力以及相关的优势和局限性。
1.2 文章结构本文分为五个主要部分：引言、飞轮储能技术概述、石油工程中的能量储存需求和挑战、飞轮储能技术在石油工程中的优势和局限性分析以及结论。
每个部分将详细说明相关内容，并通过案例和数据进行支撑，以全面阐述该领域的发展现状和未来前景。
1.3 目的本文旨在通过对飞轮储能技术及其在石油工程中应用的详细概述，帮助读者深入了解该技术背后原理与机制，并准确评估其在解决石油钻井过程中能量浪费问题上的潜力。
同时，我们将分析飞轮储能技术在应用过程中所面临的挑战和局限性，并提供相应的解决措施和发展方向，以期为相关研究者和从业人员提供相关参考和借鉴。
以上是“1. 引言”部分的内容介绍。
2. 飞轮储能技术概述2.1 飞轮储能技术原理飞轮储能技术是一种通过将机械能转化为旋转动能，并将其存储在旋转的金属轴上的方法。
它基于动力学原理，利用高速旋转的金属轴来存储和释放机械能。
当外部力使飞轮旋转时，它会获得机械能；而当需要释放能量时，它会逆向作用，将存储的机械能转化为有用的功。
2.2 飞轮储能系统组成与工作原理飞轮储能系统通常由以下几个组件构成：主要是由一个强大的电机驱动的大质量金属或复合材料制成的飞轮、驱动系统、控制系统和发电机组成。
该系统通过直接连接到驱动系统，经过电动机提供动力以加速飞轮达到目标运行速度，并将多余的功率通过发电机回馈到电网中。
在工作过程中，电动机向飞轮传递驱动力使其开始加速旋转。
一旦达到设计速度，控制系统便可以确保飞轮保持恒定的旋转速度。
当有能量需求时，系统可以通过切断电动机的供电来释放能量。
这时飞轮便会逆向作用，通过自身惯性继续提供功率。
飞轮物理储能系统分析及应用
飞轮物理储能系统分析及应用随着人们生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，随着储能技术日趋成熟和成本快速下降，中国储能产业快速发展，逐步从研发示范向商业化阶段过渡，但整体来看储能产业还处于发展初期阶段，仍存在发展前景不明晰、技术标准不完善、商业模式和市场机制不清晰等问题。
从发展规模、技术经济性、产业链等方面总结中国储能发展现状，基于“源-网-荷-储”协调规划理论，从宏观层面展望新能源大规模发展形势下中长期储能发展前景，研究储能在电力系统中的合理运行方式、与新能源消纳关系等重要问题;从微观层面对储能在电源侧、电网侧和用户侧等场景的应用关键问题及发展对策进行分析，并提出相关建议，为推动中国储能产业健康发展提供参考。
标签：飞轮储能系统;交流侧储能;直流侧储能;储能前景分析1、引言通过对相关一系列储能技术进行分析和研究，就能对我国电力系统在实际运行过程中的状况进行全面的了解。
通过运用新能源，能科学有效的处理能源大规模缺乏这一问题。
在对系统自身稳定性进行加强的基础上，还能对其全面性给予保证，进一步提高功率在波动过程中的指令，加强电能质量，对出现的问题进行科学处理。
现阶段无论是储能系统的前期规划，还是中期进行推动的过程，都能加强经济性，对资源配置进行不断优化的基础上，还能保证不同场合的储能系统都能得到科学有效的运用。
2、飞轮物理储能系统简介飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理的方式实现储能，通过电动机/发电机互逆式双向电机，实现电能与高速旋转的飞轮的机械动能之间的相互转换与存储，并通过电力电子设备实现与不同系统之间的接入与控制。
当充电时，采用电动机工作模式，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电动机带动飞轮加速旋转，将电能转变为机械能存储，完成充电过程;当放电时，采用发电机工作模式，利用发电机将飞轮高速旋转的动能转变为电能，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成放电过程。
飞轮储能技术研究进展
I 油气、地矿、电力设备管理与技术China Science & Technology Overview飞轮储能技术研究进展罗桂平卫宏强孟德超宋浩强(华驰动能（北京）科技有限公司，北京101111)摘要：储能是智能电网、能源互联网的重要组成部分和关键支撑技术。
近年来储能产业发展迅猛，各类储能技术也日趋成熟。
本文对各种储能技术进行了介绍，着重分析了飞轮储能技术的特性，对其国内外研究现状及进展进行阐述，以期推动飞轮储能技术在 电力行业中的大规模应用。
关键词：储能；飞轮；智能电网；新能源中图分类号：TH133.7文献标识码：A 文章编号：1671-2064(2020)20-0104-040. 引言能量具有多种形式，包括电能、机械能、声能、化学 能、电磁能、光能、热能及核能等。
储能是使能量转化为 比较稳定的存在形态，再通过介质或设备把能量存储起 来，以备在需要时释放的过程，主要是指电能的储存，此 外还有储热、储氢等。
1. 储能分类及特点1.1电化学储能电化学储能主要指各种电池储能，包括铅酸（铅碳） 电池、锂电池、钠硫电池和液流电池等，其在能量密度、系 统效率、响应速度等方面具有明显优势。
电化学储能主要 适用于调峰、削峰填谷等快速响应的大规模应用场景[11。
(1)铅酸电池。
铅酸电池具有安全性高、系统成本低等优点，可进行深度的充放电。
液流电池适用于平抑新能 源发电波动、辅助调峰、边远地区供电等，主要包括全钒 液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池等[41。
1.2电磁储能(1)超级电容器。
超级电容器的电荷以静电方式存储在双电层界面上，其具有功率密度大、充放电速度快、循 环寿命长、工作温度范围宽等优点，以及能量密度低、自 放电率较高等劣势，可应用于功率大、时间短的场景，如 电力调频、平抑波动、轨道交通能量回收等。
(2)超导磁储能。
超导磁储能是利用超导线圈进行储能的一种技术，具有功率密度大、响应速度快、能量转换效率高、循环寿命长等优势，主要应用于改善电能质量、 稳定电力波动等场景。
飞轮储能装置在轨道交通中的应用研究
飞轮储能装置在轨道交通中的应用研究随着城市轨道交通的迅速发展，如何提高能源利用效率、减少环境污染成为亟待解决的问题。
在此背景下，飞轮储能技术的应用显得尤为重要。
本文将探讨飞轮储能装置在轨道交通中的应用及其带来的益处。
首先，飞轮储能装置是一种高效的能量存储系统，它通过高速旋转的飞轮来储存和释放能量。
这项技术如同一座“能量银行”，在轨道交通系统中起着至关重要的作用。
当列车制动时，产生的能量可以被飞轮吸收并储存起来；而在列车启动或加速时，这些储存的能量又能被迅速释放，为列车提供动力。
这一过程不仅提高了能量的循环利用率，还减少了对外部电网的依赖，实现了节能减排。
其次，飞轮储能装置在轨道交通中的应用，可以显著提高系统的运行效率。
传统的轨道交通系统中，列车制动时产生的能量往往以热能的形式散失，造成了巨大的能源浪费。
而飞轮储能技术的引入，就像是给轨道交通系统装上了一台“能量回收机”，能够将这些原本被浪费的能量收集起来，用于列车的再次启动，从而降低了整体能耗。
然而，飞轮储能技术在轨道交通中的应用并非一帆风顺。
它的推广和应用面临着成本高昂、技术成熟度不足等问题。
这些问题如同一道道“门槛”，需要我们跨越。
但是，随着技术的不断进步和成本的逐步降低，飞轮储能技术在轨道交通领域的应用前景无疑是光明的。
此外，飞轮储能装置的应用还能够带来其他附加效益。
例如，它可以减少轨道交通系统对电网的冲击，提高电网的稳定性；同时，由于减少了能量的浪费，也间接降低了轨道交通运营的成本。
综上所述，飞轮储能装置在轨道交通中的应用具有重要的现实意义和广阔的发展前景。
它不仅能够提高能源利用效率、减少环境污染，还能够提升轨道交通系统的运行效率和经济性。
当然，要实现这一目标，还需要我们在技术研发、成本控制等方面做出更多的努力。
但我相信，在不久的将来，飞轮储能技术定会在轨道交通领域大放异彩，为城市的绿色发展贡献自己的力量。
飞轮磁悬浮储能技术在地铁系统中的应用研究
飞轮磁悬浮储能技术在地铁系统中的应用研究地铁系统是现代城市公共交通中的一种重要方式，为人们出行提供了极大的便利。
然而，由于地铁系统的运营规模庞大，能耗较高，加之受制于供电系统的限制，如何优化地铁的能源利用和减少能耗成为了一个亟待解决的问题。
飞轮磁悬浮储能技术是目前比较先进的储能技术之一，具有高效能、高性能、高可靠性等优点。
该技术被广泛应用于各个领域，如工业自动化控制、提供紧急备用电源、电动汽车充电等方面。
相信在地铁系统中也会有广阔的应用前景。
飞轮磁悬浮储能技术的原理是利用机械能与电能之间的相互转化来储存能量。
具体来说，当电网供电不足时，通过控制系统运行飞轮转速，使飞轮吸收电能，从而将其转换成机械能储存。
当电网供电充足时，通过控制系统降低飞轮转速，将储存的机械能转化成电能，供应给车站、列车及其它设备使用。
飞轮磁悬浮储能技术在地铁系统中的应用主要是用于储存制动能量，减少制动能量的浪费。
在地铁站和列车行驶时，通过能量回收系统将制动能量收集起来，存储于飞轮中。
当运营需要时，飞轮释放储存的能量给列车运行或车站用电。
飞轮磁悬浮储能技术具有以下优点：首先，与传统的化学储能技术相比，飞轮储能技术无需额外消耗化学物质，运转成本低，储能效率高。
其次，由于飞轮几乎无摩擦，能保持较长时间的高速运转，因此能够提供连续的高稳定功率输出。
此外，该技术能在极短的响应时间内对储存的能量进行释放或吸收，能够满足地铁系统的瞬时高功率需求。
同时，由于飞轮储能系统无需使用化学物质，并且一般采用环保材料，因此有着比其他储能技术更好的环保性能。
然而，飞轮磁悬浮储能技术也有一些局限性。
首先，需要能够保证其高速旋转，因此需要有较高的制造技术、工艺技术和材料技术支持。
其次，飞轮储能系统占地面积较大，对安装环境和地面载荷要求较高。
而且由于其大容量的储能系统，其成本和维护成本较高，每个地铁站需要建造大型的储能设施和配套的控制系统。
综上所述，飞轮磁悬浮储能技术在地铁系统中的应用还需要进一步深入的研究和探索。
飞轮储能技术及应用
飞轮储能技术及应用汤双清㊀著华中科技大学出版社内容提要本书是以作者多年来从事飞轮储能技术的研究成果,经过整理加工而成的㊂主要介绍了飞轮储能系统的发展历史与现状㊁飞轮电池的主要部件和一些关键技术㊂重点介绍了永磁磁力轴承悬浮力和刚度的计算理论㊁电动磁力轴承的原理和设计计算理论㊁飞轮电池能量转换理论以及飞轮储能系统在分布式发电系统中的应用㊂本书可作为科研院所和高等学校从事飞轮相关技术研究与开发的工程技术人员的参考书,也可作为从事磁力轴承和电机控制方面研究与开发的工程技术人员的参考书㊂作者简介汤双清,男,1962年7月出生于湖北孝感㊂1984年本科毕业于原葛洲坝水电工程学院机械工程系,1989年2月硕士毕业于东南大学机械工程系,1999年9月至2000年2月在法国瓦朗谢纳大学做访问学者,2004年2月博士毕业于华中科技大学机械科学与工程学院㊂现为三峡大学教授,中国机械工程学会会员,湖北省机械工程学会青年分会常务理事兼副秘书长,湖北省金工教学委员会常务理事,湖北省机械原理教学委员会常务理事,三峡大学 151 人才学术带头人㊂主要从事机械设计及理论方面的教学与科研工作,在机器人机构学和人工智能㊁计算机集成制造㊁加工过程数控㊁机电系统动态设计理论与方法㊁磁悬浮轴承及飞轮储能技术等领域有所成就㊂主持研究的课题及项目主要有: 工业机器人动力学参数识别 ㊁ 工业机器人的远㊁近程控制 ㊁ 新型磁力轴承悬浮机理研究 ㊁ 飞轮电池磁悬浮支承系统研究 ㊁ 超细长轴加工方案及制造设备研究 等项目㊂参与国家级研究项目有:国家自然科学基金3项,国家 九五 攀登计划项目子课题1项㊂在国内外刊物上发表论文近50篇,EI检索收录8篇㊂前㊀㊀言飞轮储能既是一个古老的话题,也是一个当今比较热门的话题㊂随着社会的进步和经济的发展,人类对能源的需求与日俱增;能源危机已经初现端倪,它将严重制约人类社会的飞速发展,甚至可能危及人类的生存㊂尽管采用飞轮储能技术并不能增加能源的供给,但它可以扩充能源的供应源,使原来不能直接应用的能源变得可以间接利用,从而可以从根本上缓解能源供应紧张的局面㊂此外,采用飞轮储能技术还可以改善电力供应质量,避免或减缓用电高峰拉闸限电的弊端,进而提高人们的生活质量㊂飞轮储能技术应用十分广泛,涉及卫星和空间站上的后备电源,多种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS),电动汽车㊁分布式发电㊁运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,电网负载调节㊁脉冲动力设备等㊂飞轮储能技术涉及多种学科与技术,主要包括:机械科学㊁电气科学㊁磁学㊁控制科学和材料科学等多学科,以及复合材料的成型与制造技术㊁高矫顽力稀土永磁材料技术㊁磁悬浮技术㊁传感技术㊁用于VVVF (变压变频)的电力电子技术㊁高速双向电动机/发电机技术等关键技术㊂为了让更多的读者了解飞轮储能技术,为努力营造一个节约型的和谐社会尽微薄之力,作者将近年来研究的成果经过整理和加工编写成这本专著,供从事飞轮储能研究与开发的工程技术人员参考㊂限于作者的水平,书中难免有错误和不妥之处,敬请读者批评指正㊂著㊀者序能源工业是现代文明的支柱之一,是工业发展的主体,也是国民经济持续发展的基础,缺少能源,社会将很难发展,没有能源,人类将无法生存㊂中国‘能源发展 十一五 规划“日前公布㊂规划指出, 十一五 时期我国能源建设的总体安排是:有序发展煤炭;加快开发石油天然气;在保护环境和做好移民工作的前提下积极开发水电,优化发展火电,推进核电建设;大力发展可再生能源㊂适度加快 三西 煤炭㊁中西部和海域油气㊁西南水电资源的勘探开发,增加能源基地输出能力;优化开发东部煤炭和陆上油气资源,稳定生产能力,缓解能源运输压力㊂十一五 期间,我国将重点建设五大能源工程:能源基地建设工程㊁能源储运工程㊁石油替代工程㊁可再生能源产业化工程㊁新农村能源工程㊂飞轮储能作为一种储能技术,早在蒸汽时代就有所应用,但直到20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究,那时才真正将飞轮作为一种单独的储能装置,而不是早期仅用于机器速度波动的调节㊂之后,对飞轮储能的研究如雨后春笋,方兴未艾㊂飞轮储能系统也称飞轮电池,与化学电池相比,它的优点主要体现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油还高,因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命只取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,因此较长,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~95%,这意味着有更多可利用的能量,更少的热耗散,而化学电池最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产天㊁国防㊁汽车工业㊁电力产业㊁医疗和通信等在内的多个行业与领域㊂因此,研究与开发飞轮电池的市场前景广阔㊂飞轮电池虽说不能 制造 能量,但它可以将零星的能量积聚起来使用,或将多余的能量储存起来在需要时再使用,而且还具备携带性,是一种储能更大的动力源,它的广泛使用将会引起电力工业的一场革命㊂本书是作者多年来对飞轮储能技术研究的一种总结与提炼,难免还有一些没有考虑周全的地方㊂因此,希望这本书的问世能得到同行专家和广大读者的帮助㊁批评与指正㊂2007年9月目㊀㊀录第1章㊀绪论(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.1㊀引言(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域(2)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理(2)………………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.2㊀飞轮电池的应用领域(4)……………………………………………㊀㊀1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况(5)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.1㊀磁力轴承研究现状(6)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.2㊀飞轮研究现状(10)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.3㊀飞轮电池辅件分析(14)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.4㊀飞轮电池其他研究热点(16)…………………………………………㊀㊀1.4㊀飞轮储能技术的发展机遇和展望(17)………………………………㊀㊀1.5㊀本书各章简介(18)……………………………………………………第2章㊀飞轮电池转子的支承、驱动和控制方案(20)………………………………㊀㊀2.1㊀飞轮电池系统结构方案(21)…………………………………………㊀㊀2.2㊀组合磁悬浮支承系统方案的拟定(22)………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.1㊀支承飞轮转子的磁力轴承(22)………………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.2㊀组合磁悬浮的支承系统方案(23)……………………………………㊀㊀2.3㊀集成式电动机/发电机的选型分析(24)………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.1㊀飞轮电池所用电机(24)………………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.2㊀永磁同步电机数学模型(27)…………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.3㊀永磁同步电机的控制策略(29)………………………………………㊀㊀2.4㊀电动机/发电机的控制方案拟定(31)…………………………………㊀㊀本章小结(32)…………………………………………………………………第3章㊀电动磁力轴承的悬浮机理(34)…………………………………………㊀㊀3.3㊀转子的磁力分析(38)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.1㊀导体环1所受电磁力分析(39)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.2㊀导体环i 所受电磁力分析(40)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.3㊀转子的受力分析(40)………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.4㊀最优的导体环数的确定(41)…………………………………………㊀㊀3.4㊀电动磁力轴承的稳定性分析(42)……………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.1㊀转子稳定运转条件的建立(42)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.2㊀系统稳定运转的最低速度和临界阻尼的确定(46)……………………㊀㊀3.5㊀阻尼系统的设计(46)…………………………………………………㊀㊀3.6㊀电动磁力轴承的可行性和特性分析(48)……………………………㊀㊀3.7㊀设计实例(50)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(51)…………………………………………………………………第4章㊀永磁体空间磁场的计算方法(53)………………………………………㊀㊀4.1㊀引言(53)………………………………………………………………㊀㊀4.2㊀磁化磁体的物理计算模型(54)………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.1㊀Maxwell 方程组及交界面条件(54)……………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.2㊀等效磁荷模型(56)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.3㊀等效电流模型(59)…………………………………………………㊀㊀4.3㊀永磁体周围空间磁场计算的数值方法(60)…………………………㊀㊀㊀㊀4.3.1㊀稳恒电磁场问题的统一表示形式和对应的变分方程(61)……………㊀㊀㊀㊀4.3.2㊀等效磁荷模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.3㊀等效电流模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.4㊀变分问题的有限元法(63)……………………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.5㊀轴对称问题的有限元格式(65)………………………………………㊀㊀4.4㊀圆柱形永磁体空间磁场的计算实例(67)……………………………㊀㊀㊀㊀4.4.1㊀永磁体及周围空间求解域的几何建模与网格划分(68)………………㊀㊀㊀㊀4.4.2㊀对整个求解域的求解(68)……………………………………………㊀㊀本章小结(70)…………………………………………………………………第5章㊀永磁轴承构形综合及其磁力和刚度的计算方法(72)…………………㊃2㊃飞轮储能技术及应用㊀㊀5.3㊀永磁轴承悬浮力的计算理论(76)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.1㊀重要的数学关系推导(76)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.2㊀Maxwell 应力张量及其磁力计算公式(77)……………………………㊀㊀㊀㊀5.3.3㊀虚功原理对应的磁力计算公式(79)…………………………………㊀㊀5.4㊀磁力计算的数值方法(80)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.1㊀Maxwell 力对应的数值方法(80)………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.2㊀虚功力对应的有限元法(81)…………………………………………㊀㊀5.5㊀磁力轴承刚度计算的有限元法(84)…………………………………㊀㊀5.6㊀永磁轴承应用实例分析(85)…………………………………………㊀㊀㊀㊀5.6.1㊀通用圆环形永磁体构成的永磁轴承特性分析(85)……………………㊀㊀㊀㊀5.6.2㊀带锥面磁隙的永磁轴承特性分析(88)………………………………㊀㊀5.7㊀永磁轴承磁场和悬浮力的实验分析(91)……………………………㊀㊀㊀㊀5.7.1㊀永磁轴承的实验方案(91)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.2㊀永磁轴承磁场和悬浮力测试(93)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.3㊀测试结果分析(96)…………………………………………………㊀㊀本章小结(98)…………………………………………………………………第6章㊀飞轮电池能量转换原理与矢量控制(100)……………………………㊀㊀6.1㊀引言(100)………………………………………………………………㊀㊀6.2㊀飞轮电池能量转换方案(100)…………………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.1㊀飞轮电池能量转换系统的要求(100)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.2㊀飞轮电池能量转换系统分析(101)……………………………………㊀㊀6.3㊀PWM 变流器的工作原理分析(103)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.1㊀单相PWM 变流器工作原理(103)……………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.2㊀三相电压型PWM 变流器工作原理(108)……………………………㊀㊀6.4㊀PWM 变流器的数学模型(111)………………………………………㊀㊀㊀㊀6.4.1㊀三相电压型PWM 变流器的数学模型(111)…………………………㊀㊀㊀㊀6.4.2㊀基于虚拟磁链的PWM 变流器数学模型(115)…………………………㊀㊀6.5㊀IGBT 模型和整流器的仿真模型(118)………………………………㊀㊀6.6㊀飞轮电池能量转换系统的矢量控制(119)……………………………㊃3㊃目录㊀㊀㊀㊀6.6.3㊀开关逻辑作用顺序(126)……………………………………………㊀㊀本章小结(127)………………………………………………………………第7章㊀飞轮电池在分布式发电系统中的应用(128)…………………………㊀㊀7.1㊀引言(128)………………………………………………………………㊀㊀7.2㊀含有飞轮电池的太阳能发电站的系统控制结构(129)………………㊀㊀7.3㊀太阳能电池的工作原理㊁种类及选用(131)…………………………㊀㊀7.4㊀飞轮储能单元(133)……………………………………………………㊀㊀7.5㊀动力系统的调节与控制(135)…………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.1㊀单相逆变器(135)……………………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.2㊀三相整流/逆变器(139)……………………………………………㊀㊀7.6㊀系统仿真(140)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(144)………………………………………………………………第8章㊀结语(145)………………………………………………………………㊀㊀8.1㊀全文总结(145)…………………………………………………………㊀㊀8.2㊀研究展望(146)…………………………………………………………参考文献(148)……………………………………………………………………㊃4㊃飞轮储能技术及应用第1章㊀绪㊀㊀论1.1㊀引㊀㊀言飞轮储能系统作为一种使能技术已经应用到包括航空航天㊁电动汽车㊁通信㊁医疗㊁电力等领域[1]㊂早在20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统的研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究㊂之后,英㊁法㊁德㊁日等西方国家也相继投入大量的人力㊁物力进行飞轮电池的研究,而我国从20世纪90年代才开始进行这方面的研究㊂飞轮储能系统又称飞轮电池或机电电池[2],它已经成为电池行业一支新生的力量,并在很多方面有取代化学电池的趋势㊂与化学电池相比,飞轮电池的优势主要表现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油的还高[3],因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命,而且飞轮也不会受到损害;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~ 95%,这意味着有更多可利用的能量㊁更少的热耗散,而化学电池的能量转换效率最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产品);⑧当它与某些其他装置组合使用时,如用于卫星上与卫星姿态控制装置结合在一起时,它的优势更加明显㊂现代飞轮电池使用复合材料飞轮和主动㊁被动组合磁悬浮支承系统[4]已实现飞轮转子转速达60000r/min以上,放电深度达75%以上,可用能量密度大于20Wh/lb(44W㊃h/kg)㊂而镍氢电池的能量密度仅有5~6W㊃h/lb(11~12 W㊃h/kg),放电最大深度不能超过40%㊂总体来说,目前飞轮电池的可用能量密度最低也在40W㊃h/kg以上,最高的已经达到944W㊃h/kg,可见它的优势是十分明显的㊂当它用于电动汽车上时[5],使得现代汽车制造业者完全不必考虑汽车废气的排放,从而真正开创无废气排放汽车的历史㊂不管飞轮电池应用于哪个领域,对飞轮电池的开发研究都会涉及以下几个方面的新技术:复合材料的成型与制造技术;高矫顽力稀土永磁材料技术;磁悬浮技术;用于VVVF(变压变频)电机的电力电子技术;高速双向电动机/发电机技术㊂这些技术通过系统工程技术(包括系统结构仿真和分析)而被融合在一起㊂尽管飞轮电池技术有了长足的进展,但由于它涉及机械科学与技术㊁电机学㊁电力电子技术㊁电磁学㊁传感技术与控制科学㊁材料科学等多学科诸方面的技术,所以到目前为止,国内外仍没有一套成熟的理论和设计方法指导飞轮储能系统的设计㊂即便在国外已有开发出的飞轮电池可供使用,但仍有诸多方面需要改善,而且价格昂贵㊂只有大幅降低其价格并提高其可靠性,才有大范围推广应用的可能㊂本书着重介绍作者这几年关于经济型飞轮电池的研究成果,使读者能更好地了解国内外飞轮电池的研究现状,也为有志于从事飞轮储能的读者提供研究参考㊂1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理1.飞轮电池的组成典型的飞轮储能系统一般是由三大主体㊁两个控制器和一些辅件所组成:①储能飞轮;②集成驱动的电动机/发电机;③磁悬浮支承系统;④磁力轴承控制器和电机变频调速控制器;⑤辅件(如着陆轴承㊁冷却系统㊁显示仪表㊁真空设备和安全容器等)㊂图1.1所示为一种飞轮电池的结构简图[6]㊂其中:1为飞轮;2为含有水冷却的径向磁轴承的定子;3为径向磁轴承;4为轴向磁轴承;5为含有水冷却的电㊃2㊃飞轮储能技术及应用机定子;6为电机内转子部分;7为电机外转子部分;8为真空壳体㊂图1.1㊀飞轮电池结构简图1 飞轮;2 径向磁轴承的定子;3 径向磁轴承;4 轴向磁轴承;5 电机定子;6 电机内转子部分;7 电机外转子部分;8 真空壳体㊀2.飞轮电池的工作原理飞轮电池类似于化学电池,它有以下两种工作模式㊂(1) 充电 模式㊂当飞轮电池充电器插头插入外部电源插座时,打开启动开关,电动机开始运转,吸收电能,使飞轮转子速度提升,直至达到额定转速时,由电机控制器切断与外界电源的连接㊂在整个充电过程中,电机作电动机用㊂(2) 放电 模式㊂当飞轮电池外接负载设备时,发电机开始工作,向外供电,飞轮转速下降,直至下降到最低转速时由电机控制器停止放电㊂在放电过程中,电机作为发电机使用㊂这两种工作模式全部由电机控制器负责完成㊂飞轮转子在运动时由磁力轴承实现转子无接触支承,而着陆轴承则主要负责转子静止或存在较大的外部扰动时的辅助支承,避免飞轮转子与定子直接相碰而导致灾难性破坏㊂真空设备用来保持壳体内始终处于真空状态,减少转子运转的风耗㊂冷却系统则负责电机和磁悬浮轴承的冷却㊂安全容器用于避免一旦转子产生爆裂或定子与转子相碰时发生意外㊂显示仪表则用来显示剩余电量㊃3㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃4㊃飞轮储能技术及应用和工作状态㊂1.2.2㊀飞轮电池的应用领域飞轮电池的应用十分广泛,但主要分为两大类型[1]~[7]:一是作为储能用的,如卫星和空间站的电源,车辆的动力装置,各种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS)等;二是作为峰值动力用的,如电力系统峰值负载的调节,分布式发电系统中电网电力的波动调节,混合动力车辆负载的调节,运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,脉冲动力设备等㊂1.在电动汽车和军用车辆上的应用目前,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,极大地改善汽车的动力性和经济性以及汽车尾气的排放状况[8]~[11]㊂飞轮储能系统在军事车辆的脉动负载和运行负载调节方面也担负重要角色,如德克萨斯大学奥斯丁电动力学研究中心(UT-CEM)就为军用车辆开发了脉动负载和运行负载调节的飞轮储能系统[12],该系统能储存25MJ的能量,能提供5MW的瞬时功率,可满足14t级军用车辆的脉动动力要求㊂2.在卫星和航天器上的应用Fare公司㊁马里兰大学及受NASA资助的刘易斯(Lewis)研究中心共同开发了空心飞轮系统[13][14],它是将马里兰大学的500W㊃h的空心飞轮系统按比例缩小成50W㊃h的空心飞轮系统㊂该系统用于近距离地球轨道(LEO)卫星和地球同步轨道(GEO)卫星的动力装置,取代了原先的化学电池㊂同时,它结合飞轮储能和卫星的姿态控制,使其优势更加明显[15][16]㊂3.在电热化学炮、电磁炮上的应用飞轮储能系统在电磁炮应用中具有明显优势,有一种8级逐级驱动的线性感应线圈发射炮能将3kg的炮弹以2km/s的速度发射[17]㊂电热化学炮要求在1~5ms内将脉动动力传到枪炮后膛,而由飞轮储能装置构成的脉冲盘交流发电机(PDA)就能适应这种要求[18]㊂4.用于电力质量和电网负载调节电力质量问题是一直困扰着电力工业的老大难问题㊂但随着UPS市场的发展壮大,各种重要的敏感设备(如计算机㊁通信设备和医疗设备等)受电网电力波动或突然的电力供应中断而造成的损失问题逐步得到了解决[19]㊂作为飞轮储能系统,它完全可以担负起UPS的职能,而且电力供应质量可大大改善,供电时间可大大延长㊂此外,大功率㊁高储能的飞轮储能系统还可以用来调节电网用电高峰的电力供应,使其电网负载更加平稳[20]~[22]㊂在以风力发电的机组中,应用飞轮储能系统可使输出电压更加平稳[23][24]㊂5.不间断电源(UPS)不间断供应电源有着强大的应用市场㊂除目前通用的UPS 外,飞轮电池作为一支新生的力量已经逐步参与到UPS 市场中来[25][26]㊂1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况飞轮的起源可以追溯到一百多年以前的瓦特蒸气机时代,那时的飞轮主要用来保持机器的平稳运转,用途比较单一㊂第一次真正具有划时代意义的里程碑是A.Stodola 博士撰写的关于飞轮转子形状和应力分析的书[3],该书于1917年首次被翻译成英文,直到今天它仍然有很重要的参考价值㊂下一个大的里程碑诞生于20世纪70年代早期,由于出现的石油禁运和天然气危机[1],飞轮储能才开始引起人们的足够重视㊂当时,美国能量研究发展署(ERDA)和美国能源部(DoE)开始资助飞轮储能系统的许多应用研究与开发,如针对电动汽车的超级飞轮的研究㊂刘易斯(Lewis)研究中心(LeRC)在ERDA 的协助和美国航空航天局(NASA)的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于混合车辆的飞轮系统的传动系统㊂NASA 同时也资助戈达德(Goddard)空间飞行中心(GSFC)研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承㊂20世纪80年代,尽管DoE 削减了飞轮储能研究的资助,但NASA 继续资助空间飞行中心研究卫星飞轮系统的电磁轴承,同时还资助了兰利(Langley)研究中心(LaRC)及马歇尔(Marshall)空间飞行中心(MSFC)关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究㊂直到20世纪90年代,飞轮储能才真正进入高速发展期㊂这期间,磁悬浮技术的快速发展,提供了高速或超高速旋转机械的无接触支承,配合真空技术,使摩擦损耗包括风损耗降到最低水平;同时,高强度复合材料的大量涌现,如高强度的碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8.27Gpa)的出现,使飞轮转子不发生破坏的转速极大地提高,允许线速度可达500~1000m /s,已超过音速,从而大大地增加了飞轮储能系统的储能密度;电机技术的快速发展,尤其是大功率密度双向电动机/发电机的诞生使得飞轮电池驱动能力进一步增强;电力电子技术的新进展,尤其是变频调速技术的高速发展为飞轮储存的动能㊃5㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃6㊃飞轮储能技术及应用与电能之间高速㊁高效率的转化提供了条件㊂飞轮储能技术必须借助于磁悬浮技术㊁电机技术㊁电力电子技术㊁传感技术㊁控制技术和新型材料(复合材料和高矫顽力永磁材料)技术,并将这些技术有机地结合起来才能真正研制出具有实用价值的飞轮储能系统㊂迄今为止,国内外对飞轮电池的研究主要集中在以下几个方面:(1)磁力轴承(含高温超导磁力轴承);(2)飞轮技术;(3)电机及其控制技术;(4)安全与容器;(5)面向不同应用对象的飞轮储能系统的综合研究等㊂1.3.1㊀磁力轴承研究现状早在19世纪上半叶,人们就开始试验永磁体的无接触悬浮,但并未成功㊂1842年剑桥大学的昂箫(Earnshau)教授[27]通过大量的实验证明,永磁体与永磁体之间或永磁体与软磁体之间不可能实现全部6个自由度上的稳定悬浮,也就是说至少在1个自由度上是不稳定的㊂直到1937年,维吉尼亚大学的霍尔摩斯(B.A.Holmes)教授才利用磁化磁体㊁电磁铁和位置传感器等元器件成功地实现了物体的稳定悬浮,从而标志着磁悬浮时代的到来[28]㊂后来,经过人们大量的实验验证和理论分析,终于找出了实现物体无接触稳定悬浮的几种方法,如利用抗磁性材料[29],与时变场相互作用的导体[30],陀螺力矩[31],超导材料[32]和反馈控制系统[28]等㊂事实上,到目前为止,在上述5种悬浮物体的方法中仅有超导材料和反馈控制系统用于实际的工业应用之中㊂磁悬浮轴承(也称磁力轴承),按控制方式的不同主要有两大类[33][34]:其一是主动磁力轴承(active magnetic bearing,AMB),也就是人们通常称作的电磁轴承,是一种有源磁力轴承;其二是被动磁力轴承(passive magnetic bearing,PMB),也称无源磁力轴承㊂被动磁力轴承目前有两种,即永磁磁力轴承(permanent magnetic bearing,PMB)和超导磁力轴承(superconducting magnetic bearing,SMB),其中永磁磁力轴承简称永磁轴承㊂目前对磁力轴承的研究主要集中在对主动磁力轴承(即电磁轴承)[35][36]和超导磁力轴承[37]~[40]的研究上,而对永磁磁力轴承[41]的研究较少㊂主动磁力轴承最主要的特征是通过控制电磁铁线圈的电流变化来产生时变磁场,以便调整在受到外界干扰时轴承所需的悬浮力,确保转子始终在预定位置平稳运转㊂因此,这类轴承的承受变负载的能力很强,而且有较强的运动稳定性,这对于那些时常受到外界扰动的支承来说又是必须的,如高速切削机床主轴的电磁轴承就采用了主动磁力轴承㊂但这类轴承也存在几个方面的不足:其一,它必须安装多个位置传感器以便时刻监测转子的位置,一旦有一个传感器失效,轴承就不能正常工作,从而降低了系统的可靠性;其二,由于控制线圈的存在,要消耗系统一部分的电能,从而降低了储能效率;其三,由于控制系统的存在,增加了系统的复杂性,也增加了系统失效的可能性㊂所有这些除大幅增加了系统的费用外,也降低了系统的可靠性㊂尽管近期有人开始研究无传感器的主动磁力轴承[42],但控制难度很大,而且可靠性更低㊂超导磁力轴承的主要特征是利用超导体在临界温度以下具有的迈斯纳效应(meissner effect),磁通线不能穿过超导体,即超导体是在磁场中呈现完全抗磁性来实现物体悬浮的㊂但一般来说,超导体的临界温度很低,即使现在所称的高温超导体的临界温度最高的也只有-130ħ㊂因此,要保证超导体的正常工作就必须提供制冷设备,保障超导体始终工作在临界温度以下,这势必增加系统的能量消耗,也增加了系统的投资,同时也增加了失效的可能性㊂永磁磁力轴承的主要特征是利用定子和转子上的永磁体之间或永磁体与软磁体之间的吸力或斥力来支承轴向或径向的负载,结构简单,但承受变载荷的能力较差,稳定性没有主动磁力轴承好,不过,由于它无需传感器和控制线圈,也无需制冷设备,经济性较好,这对那些仅承受静态载荷的应用是具有明显优势的㊂1.电磁轴承电磁轴承是由致动器(actuator)㊁传感器和控制系统三个部件组成㊂致动器是由一组缠绕在定子铁芯上的线圈构成(每个象限至少有一个磁极)㊂对于径向轴承,在转子圆周上至少要安装三个传感器,传感器系统负责测量转子轴的位置,并将位置信号反馈到控制系统,控制系统再将位置信号与参考信号比较来确定转子的位置误差,再经功率放大器控制致动器电磁铁的电流㊂致动器可以用单独的电磁铁(EM)或者由电磁铁和永久磁铁(PM)组合构成,其对应的轴承分别称为EM 轴承和EM /PM 轴承[35]㊂图1.2所示为EM 轴承致动器的两种构形,其中图1.2(b)的布置是一种通用构形,它将产生比图1.2(a)布置更低的运动和磁滞损耗㊂图1.3所示为6种EM /PM 轴承致动器构形,除图1.3(f)仅有轴向主动控制外,其他5种既具有径向主动控制又具有轴向支承定位的功能㊂从上述两种致动器的构形可以看出,EM 致动器在构造上通常比EM /PM 致动器㊃7㊃第1章㊀绪㊀㊀论。
飞轮储能技术研究报告
飞轮储能技术研究报告1飞轮储能技术原理简介飞轮储能的概念起源于20世纪70年代，但囿于当时的技术水平，该技术并没有得到实际应用；直到20世纪90年代，随着碳纤维材料的广泛应用和磁轴承技术的发展，飞轮电池被美国科学家研发成功。
它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能，实现电能和机械能的相互转化，工作过程中不会造成任何污染。
飞轮储能(Flywheel Energy Storage)属于一种物理储能的方式，通过电力电子设备驱动飞轮进行高速旋转，利用飞轮高速旋转时所具备的动能进行能量存储，通过电动/发电一体化双向高效电机配合真空中的飞轮实现电能和动能的双向转换，如图1所示。
图1飞轮储能系统的工作原理飞轮储能系统主要由高强度合金或复合材料做成的飞轮转子、高速轴承、电动/发电机、电力转换器、真空安全罩等部分组成，如图2所示。
图2 飞轮储能系统的本体结构飞轮储能设施充放电的具体实现方式为：（1）当飞轮存储能量时，电动/发电一体化双向高效电机实现电动机运行状态，将电能转换为飞轮转子的动能，飞轮转速升高实现能量的存储；（2）当飞轮释放能量时，电动/发电一体化双向高效电机实现发电机运行状态，将高速旋转的飞轮转子动能转换为电能，飞轮转速下降实现能量的释放。
飞轮所存储的能量计算公式为：221ωJ E =，其中J 为飞轮的转动惯量，ω为飞轮旋转的角速度。
从上述公式中可以看到，飞轮存储的能量值与飞轮转速的平方，以及飞轮的转动惯量成正比。
飞轮的转动惯量取决于飞轮的质量分布和半径，在飞轮体积和质量分布一定的情况下通过提高飞轮的转速可以更为显著地提高飞轮存储的能量值。
飞轮储能系统的控制策略原理如图3所示：图3 飞轮储能系统的控制策略从图3可以看到，飞轮储能系统共有三种工作状态，分别为充电、维持和放电，可根据系统电压的高低自动响应充放电动作。
当系统电压抬高，电压值U>U2+a 时，飞轮储能系统处于充电状态，吸收外部电能进行存储，充电的功率随系统电压的升高而增大；当系统电压降低，电压值U <U2-a 时，飞轮储能系统处于放电状态，向外部释放电能，放电的功率随系统电压的降低而增大；当系统电压值在空载电压附近波动时，为飞轮的旋转维持区域[U2-a, U2+a]，飞轮执行维持转速指令，处于不充电、不放电的空转状态。
飞轮储能技术
飞轮储能技术研究汽车08-2班张吉泉0707130226摘要：介绍了飞轮储能技术的基本原理和应用•飞轮储能技术作为一种新型能源储备方式，具有大储能、高功率、无污染、适用广、维护简单、可实现连续工作等优点越来越为世界各国所重视，成为研究热点。
关键词：飞轮储能；电力；复合材料；飞轮电池引言：近年来•世界各地屡屡发生大面积停电等重人电力事故•美国、加拿人、英国、瑞典、意人利等都遭遇了地铁瘫痪、民航、铁路运输中断等事故•经济损失达上千亿美元•大面积停电和严重缺电能够迅速波及整个网络•其损失和造成的影响都是难以估量的•采取一些有效的措施把用电低谷时多余的电能储存起来•在用电高峰时释放出来缓解用电压力是各国都在积极考虑的问题•现在己采取的储能技术有机械储能（飞轮、抽水、弹簧、压缩空气等）、热能蓄能（显热、潜热、蒸发、融解、升华等卜电磁蓄能（电容器、超导等）和化学蓄能（蓄电池、合成燃料、浓度差发电、物理化学能量等）•其中发展最快、规模最大的是抽水蓄能•其次是压缩空气蓄能•排在第二位的就是飞轮蓄能•飞轮蓄能装置可配置在城市和用电中心附近的变电所•用来调峰调频•它的规模己达几十和几百MW 级•特别是由于高温超导磁力轴承的开发和应用•将加速飞轮储能技术的发展•与其他形式的储能方式相比较•飞轮储能具有大容量、高效率、无限循环寿命、零排放、无污染和装置对环境无要求等优点1飞轮储能原理飞轮储能系统主要包括3个部分：⑴转子系统;（2）支撑转子的轴承系统；（3）转换能量和功率的电动/发电机系统•另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统•基木结构如图1所示•图1飞轮储能结构示意图1 .1飞轮转子飞轮转子是飞轮储能系统的一个重要的组成部分.储存在飞轮内的动能E用下式表示为轮所用材料强度的限制•其转动角速度有一个上限•超过此上限•飞轮将会因离心力而发生破坏•因此•储能计算公式则可表示为' 式中e为飞轮单位重量的储能能。
新型高效飞轮储能技术及其研究现状
具 有 较高 的 比强 度 ； 是飞 轮 的 结 构 形式 。 三
（ ）飞轮材 料选 择 任 何储 能 装 置 一个 重要 １
提 供 的 电能 ， 功率 电 子 变 换 器 驱 动 电机 带 动 飞 经 轮高 速旋 转 ， 轮 以动能 的形式 把 能量 储 存起 来 ， 飞 从 而 完成 电能一 机 械 能 转换 的储能 过 程 。 电机 维
了飞轮 储 能 的研 究现状 与应 用前 景 。
关 键 词 ： 轮储 能 系统 ； 键 技术 ； 究 现 状 ； 用前 景 飞 关 研 应
中图 分类 号 ： ＴＨ１ ３ ７ ３． 文 献标 识 码 ： Ａ
赵 韩 教 授
２ １世 纪 人 类 面 临 着 实 现经 济 和 社 会 可 持 续 发展 的 重 大 挑 战 ， 境 和 能 源 问 题 已成 为全 球 最 环 重要 的课 题 。 不 断 开 发新 能源 的同 时 ， 在 如何 更有 效地 利 用现 有 能 源 ， 已引起 了人 们 的 日益 关 注 。 能
轮 储 能 就 是 利 用 现 代 功 率 电子 技 术 ， 由工 频 电 网
飞轮 储 能 系统 的一 个 重 要组 成 部 分 是 高速旋 转 的 飞 轮 转 子 ， 于 飞 轮 转 子 的设 计 一 般 考 虑 三 对 方 面 的 问题 ｒ ： 是 飞 轮本 身 的强 度 ， 限定 了飞 ４一 ］ 它 轮 的 最大 储 能量 ； 是 飞轮 材 料 的 选 择 ， 二 要求 材 料
２ １ 飞 轮 转 子 设 计 ．
池 ， 一 种 机 一 电能 量 转换 和储 存 装置 。 是 飞轮 储 能 系 统 主要 由 高 速 飞 轮 、 动／ 电机 、 承 支 承 系 电 发 轴 统 、 率 电 子 变换 器 、 功 电子控 制 设 备 以及 附加 设 备 （ 如真 空 泵 、 急 备用 轴 承 ） 紧 等组 成 ， 一 种积 木 式 是 的集 成 系统 。 １是 飞轮 储 能 系统工 作 原理 图 。 图 飞
飞轮储能系统控制方式的研究
飞轮储能系统控制方式的研究摘要：飞轮储能系统是当前一种高储能效率、放电速度快、无污染的储能装置，目前已经被应用在多个领域，如航空航天、电动汽车、电力系统调峰等，并发挥着非常不错的效果。
本文主要以飞轮储能系统控制方式的研究为主题，通过对飞轮储能系统的结构和工作原理进行分析，明确了飞轮储能系统的具体储能过程。
并通过基于PWM变流器的理论基础，设计了一种由异步电机、双向变流器和飞轮所组成的飞轮储能控制系统，通过对飞轮储能系统的电网侧变流器采用基于前馈解耦的电压外环、电流外环双闭环控制策略，从而对飞轮储能的充放电过程进行控制。
关键词：飞轮储能系统；控制方式；充放电前言：电能储存一直都是各国所讨论的重点话题，目前电力储存的方式较多，如化学蓄电池的储能方式，虽然化学蓄电池的成本较低，但是对于环境会产生较大的污染。
相比较于化学蓄电池储能方式，飞轮储能系统具有着功率高、充放电速度快、使用寿命长、无污染、可循环利用等优点。
随着目前能源紧缺的问题日益突出，飞轮储能技术已经成为当热门研究方向，各国纷纷将目光放在飞轮储能系统上，加强对飞轮储能技术的研究。
1.飞轮储能系统的工作原理和模型1.飞轮储能系统的工作原理飞轮储能系统也被称之为飞轮电池，主要是由飞轮转子、轴承系统、集成式发电机、高中空、安全保护罩等元件组成。
飞轮储能系统是通过将电能转换为可储存的机械能，实现能量的充放与储存。
由于飞轮是围绕中心轴高速旋转的，当轮体围绕中心轴以角速度进行旋转时，那么飞轮储能系统中所储存的能量则可以表示为：（1）式中：表示为飞轮转子的转动惯量。
从（1）式可以看出，想要提高飞轮储能系统所储存的能量，可以从两个方面进行：1.提高飞轮的转动惯量；2.提高飞轮的旋转速度。
但是，一般转动惯量较大的飞轮其体积也比较大，这种飞轮一般称之为低速飞轮，而转速较快的称之为高速飞轮，虽然高速飞轮储能密度较高，但其对材料抗拉力的需求也会提高，因此，材料抗拉力的大小，也决定着飞轮储能密度的多少。
2024飞轮储能在新型电力系统中的应用研究与探索报告
2024飞轮储能在新型电力系统中的应用研究与探索报告今天一起来探索一个超级有趣的东西——飞轮储能在新型电力系统中的应用。
这就好比是一场奇妙的科学冒险，让我们一起出发！想象一下，家里的电灯、电视、冰箱等各种电器，都需要电才能工作。
电就像是它们的“能量粮食”。
可是，电有时候供应得不太稳定，就像吃饭的时候，有时候菜上得快，有时候上得慢。
这时候，就需要有个聪明的“小助手”来帮忙调节，这个“小助手”就是飞轮储能。
那什么是飞轮储能？简单来说，它就像是一个超级大的旋转陀螺。
你看，平时玩的小陀螺转起来的时候是不是有一股力量？飞轮储能的大陀螺转起来的力量可大！当电力系统里的电多出来的时候，就像我们吃不完的饭菜可以放进冰箱保存起来一样，多余的电会让这个大陀螺转得更快，把电的能量储存起来。
等到用电高峰，电不够用的时候，大陀螺就会慢慢释放出它储存的能量，让电器们都能正常工作，就像从冰箱里拿出饭菜来吃一样。
比如说，在一个炎热的夏天，大家都开着空调，这时候用电的人特别多，电力系统就会有点忙不过来。
如果没有飞轮储能这个“小助手”，可能有些地方的电就会不够用，空调就会“罢工”，那可就难受。
但是有了飞轮储能，它就会把之前储存的能量放出来，让大家都能继续凉快地享受空调带来的舒适。
再想象一下，在一个偏远的小山村，那里的电力供应不太稳定。
有时候风大的时候，风力发电机发的电很多，多出来的电就可以让飞轮储能这个“大陀螺”转起来储存起来。
等到风小了，发电少的时候，“大陀螺”就开始发挥作用，把储存的电放出来，让小山村的夜晚也能亮堂堂的，小朋友们可以在明亮的灯光下开心地写作业、玩耍。
在新型电力系统中，飞轮储能还有很多其他的好处。
它反应特别快，就像短跑运动员一样，能在很短的时间内把能量释放出来。
比如说，突然有一个大工厂开始大量用电，电力系统一下子压力变大了，飞轮储能马上就能“挺身而出”，提供额外的电力支持，让整个电力系统不会出现混乱。
而且，飞轮储能还很环保。
飞轮储能技术及其应用
飞轮储能技术及其应用
飞轮储能技术是一种高效、可靠的储能方式。
飞轮储能系统由飞轮、轴、轴承、电机和发电机等组成，其工作原理是将电能转化为动能，存储在高速旋转的飞轮中，当需要释放能量时，再将动能转换为电能输出。
飞轮储能技术具有高能量密度、快速响应、长寿命、低损耗和对环境友好等优点，已经广泛应用于电力系统稳定、储能系统备用、轨道交通制动能量回收等领域。
未来，飞轮储能技术有望成为新能源储能的重要组成部分，为能源转型和可持续发展做出贡献。
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飞轮储能
先进飞轮储能电源工程应用研究进展来源：计测网日期：2010-2-8 点击：137 所属分类：电源摘要：先进飞轮储能电源研究目前集中于三项关键技术：为提高飞轮储能密度的复合材料设计与制作；高效高速大功率永磁无刷电机研制以及重型飞轮的高温超导磁体悬浮轴承技术。
经过30 余年以工程应用为目标的飞轮储能电源系统实验研究为飞轮电源的工业化应用奠定了坚实的基础，低速飞轮作为不间断电源UPS 的储能元件在10 年前开始在不间断电源工程中得到商业推广应用，高速飞轮因其技术难度大而至今处于工程试用研发阶段。
飞轮储能电源技术在国内研究广泛，理论研究丰富，但工程应用研究进展缓慢。
关键词：飞轮储能；不间断电源；工程应用煤电、核电能源的大规模连续生产与电力用户分散、间歇之间的矛盾为储能电源技术的发展提供了广阔的空间。
风能、太阳能等可再生能源固有的波动特性更是对现代储能技术提出了紧迫的需求。
电动汽车的技术瓶颈之一就是如何将电网电能高效、快捷、重复地分散到车辆的独立电源之中。
储能技术与人类对能源的利用相伴而生，比如人们在生产、生活中离不开广泛使用的各型化学电池。
储能技术发展到现在，除了广为人知的化学电池之外，还有机械储能、电储能、热储能等。
新型化学电池一直是储能电源技术重点，其使用次数偏低和污染环境风险是其主要缺点[1]。
飞轮储能早在内燃机上广为使用，但仅作为运转平稳的调节部件。
具有电池功能的飞轮电机系统（飞轮机械电池）研制始于20 世纪50 年代，工程师设想用超级飞轮储能并作为汽车的主要动力源。
具有工程实用意义的飞轮机械电池在20 世纪90 年代陆续出现，美国Active 电源公司到2007 年底已为商家提供上千套飞轮电机作为不间断电源的电池[2]。
如图1 所示，现代飞轮储能电源的典型特征是借助功率电子技术控制下的电机既作电动机驱动飞轮储能，又能作发电机在飞轮带动下发电运行释放能量。
飞轮储能电源系统由飞轮、轴承、电机、控制器和辅助系统组成。
飞轮储能
飞轮储能1飞轮储能的工作原理和基本结构1.1飞轮储能的工作原理飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置。
该系统采用物理方法进行储能，并通过电动/发电互逆式双向电机实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换和储存。
在储能时，外界电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮转子加速旋转，直至达到设定的某一转速。
在飞轮加速旋转的过程中，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械动能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。
之后，飞轮以设定的那一转速旋转，直到接受到一个能量释放的控制信号。
释能时，电机作为发电机使用，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。
在释能的过程中，飞轮的转速不断的下降。
整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出。
作为电能存储的手段之一，它与其它形式的储能方式相比，优缺点列于下表。
储能技术的比较环境控制无显著一些一些无无一些可用性正在开发，少量已用现在现在，地理限制现在，地理限制正在开发正在开发现在1.2飞轮储能的基本结构典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电机/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。
在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。
图1所示是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统结构示意图。
飞轮本体是飞轮储能系统的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量。
目前多采用碳素纤维材料制作。
轴承的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。
目前应用的飞轮储能系统多采用磁悬浮系统，减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，提高储能效率。
飞轮储能系统的机械动能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的。
电动/发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。
飞轮储能技术在电力系统中的应用
飞轮储能技术在电力系统中的应用(四川大学四川成都610065)摘要：本文分析了储能技术在电力系统发展和变革中的地位和作用，粗略介绍了四大类储能技术。
详细介绍了飞轮储能技术的基本原理、技术特点、发展现状、存在的主要问题及需要突破的关键技术等进行了较全面的综述。
对飞轮储能技术用于电力系统调峰的必要性和可行性进行了分析, 并和目前技术成熟的抽水蓄能电站进行了比较。
对一个电力系统进行了静态稳定潮流计算, 结果表明, 飞轮储能机组可以提高电力系统的静态稳定性, 还可提高电力系统的暂态稳定性和供电可靠性。
关键词：电力系统；储能；飞轮储能；调峰；系统稳定0 引言储能技术已被视为电网运行过程中“采一发一输一配一用一储”六大环节中的重要组成部分。
系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。
储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革。
飞轮储能技术是将能量以飞轮的转动动能的形式来存储，当飞轮储存能量时, 飞轮储能系统作为电动机运行, 飞轮加速。
当飞轮释放能量时, 飞轮储能系统作为发电机运行, 飞轮减速。
其在电力系统中的应用越来越成熟，主要应用于对电力系统和提高系统的稳定性。
1 储能技术的定位和作用传统能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，极大地促进了新能源的发展，其发电规模也快速攀升。
以传统化石能源为基础的火电等常规能源通常按照用电需求进行发电、输电、配电、用电的调度；而以风能、太阳能为基础的新能源发电取决于自然资源条件，具有波动性和间歇性，其调节控制困难，大规模并网运行会给电网的安全稳定运行带来显著影响。
储能技术的应用可在很大程度上解决新能源发电的随机性和波动性问题，使间歇性的、低密度的可再生清洁能源得以广泛、有效地利用，并且逐步成为经济上有竞争力的能源。
飞轮储能系统研究进展、应用现状与前景
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简论飞轮储能系统关键技术及其研究现状
作者：魏民
来源：《科学与信息化》2020年第02期
摘要飞轮储能技术的研究价值非常高并且其应用的前景非常好，这篇文章简单介绍了飞轮储能的工作原理以及飞轮转子，轴承支撑系统，电动机/发电机等三项较为重要的技术，并在这三项比较重要的技术上面重点对飞轮的储能系统进行了详细的阐述。
关键词飞轮;储能系统;关键;现状
引言
目前的储能的设备有化学储能，物理储能以及其他的储能是设置。
在物理储能的方法中，飞轮储能特点较为突出，充电时间较为短暂，充放电效率等方面而受到非常广大的关注。
1 飞轮储能系统工作原理
飞轮储能装置，又被叫作机电电池系统，也叫作飞轮电池，是一种机械和电能的转换和存储系统。
飞轮储能的系统一般由速度较高的飞轮，电动机/发电机，轴承支撑装置，电力电子
转换装置，电子控制装置和附加装置（比如说真空泵，应急备用轴承）等组成。
它是一个集成性能较为强大的系统，飞轮储能是现代电力电子技术的应用。
电子电力转换器作为主要的驱动装置，以带动飞轮以较高的速度旋转[1]。
电机则一直处在较为稳定的速度，一直等到释放能量的控制信号为止。
如图1所示：
2 飞轮储能系统关键技术分析
飞轮储能系统的结构由飞轮转子，支撑轴承，电动发电机等其他组成。
接下来，对飞轮储能的三项较为重要的技术进行一定的分析。
2.1 飞轮转子
飞轮储能系统中最核心的部分就是飞轮的转子。
整个系统的能量转换和飞轮的旋转有着非常大的关系。
飞轮旋转时的动能E表示为
其中，J为ω的旋转惯性和角速度-飞轮。
从公式可以看出，为了增加飞轮的能量存储，可以增加飞轮转子的惯性并且可以提高飞轮的速度。
2.2 支承轴承技术分析
由于高摩擦损耗和低极限转速，机械轴承不适合单独支持高速飞轮储能系统。
由于其高的支撑强度和紧凑的结构，机械轴承能够对轴承进行短时间的保护，这种轴承会由快速充放电飞轮系统对其进行一定的支持[2]。
2.3 电动/发电机技术分析
在飞轮的储能系统中，机械能和电能之间的相互的能量转换是通过集成的电动机/发电机共同来完成的，因此电动机/发电机的性能将会对飞轮储能系统的效率造成直接的影响。
在飞轮储能系统的充电的时候，飞轮的速度将会增加到设计的最高的速度。
在这个过程中，电动机/发电机的速度也在按照一定的比例增加。
在放电的时候，伴随着飞轮速度的一定程度的降低，电动机/发电机的速度也会下降。
因此，在飞轮储能系统的充电和放电过程中，电动机/发电机的速度不断变化。
在现有条件下，飞轮储能系统可以选择开关磁阻电动机，感应电动机，永磁电动机等。
3 国内外飞轮储能关键技术的发展现状
最近这些年来，飞轮储能的技术发展是非常的快的。
国内外都在这种储能技术上投入了非常多的金钱和人力资源。
截止到现在为止，已取得可喜的成绩。
基于飞轮储能的三项的核心技术，介绍了飞轮储能技术的发展现状。
3.1 飛轮转子技术现状
休斯敦大学的德克萨斯州超导体中心主要的研究的方向是主轴形飞轮的开发。
这是等应力的设计，形状系数等于或接近于。
这种材料也是玻璃纤维复合材料，储存的能量比较多，大约为1kWh，重量相对较轻，大约重为19kg，飞轮直径30.48cm。
Satcon Technology Corporation开发的雨伞飞轮。
这种结构有利于电动机的布局，非常有利于系统的稳定性，具有较大的惯性矩，节省了材料，并具有合理的轮毂强度设计。
NASA的Glenn中心和Penn州立大学的先进复合材料制造中心等部门已经采用湿式缠绕工艺生产了复合飞轮[3]。
3.2 机械轴承
TSI公司应用的润滑油技术比较先进，使用的轴承的材料比较精密和设计方法及计算机动态分析技术，成功开发了包含固体润滑油的陶瓷轴承。
基于真空盖的新型超低损耗轴承的摩擦系数已经达到了非常的低，仅仅是0.00001。
4 结束语
飞轮储能技术的特点是储存的能量大，效率非常的高，没有其他的污染，使用的范围比较广，没有噪音，使用时间短，维护简单，连续工作等优点。
它已成为现在世界上讨论范围比较广的话题。
这篇文章主要对飞轮储能的工作原理进行了简单的介绍，并重点阐述了飞轮转子，轴承支撑系统，电动发电机等比较重要的技术，并把国内外的关键技术的发展现状进行了简单的介绍。
希望今后的飞轮发展更加的快捷。
参考文献
[1] 胡长伟.飞轮储能电池充放能控制系统的研究与优化[D].南京：南京航空航天大学，2019.
[2] 丁泉.飞轮储能用三自由度磁轴承结构参数设计及控制研究[D].镇江：江苏大学，2017.
[3] 张新宾，储江伟，李洪亮，等.飞轮储能系统关键技术及其研究现状[J].储能科学与技术，2015，4（1）：55-60.
作者简介：
魏民（1985-），男，北京人;学历：硕士，现就职单位：沈阳远大电力电子科技有限公司。