飞轮储能系统在1_5MW风机上的应用研究_韩永杰

式中，N 为功率，kW。 当放电深度为 3/4 时，不同负荷比的发电功率
③电磁轴承包括两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承， 时间曲线如图 4 所示。
第2期
韩永杰等：飞轮储能系统在 1.5 MW 风机上的应用研究
200 年
储能科学与技术
2015 年第 4 卷
当飞轮以最高转速 16000 r/min 运行时，储存的
总能量为 10 kW·h，即
E
=
1 2
J
ω2
p max
（1）
式中，Jp 为极转动惯量，kg·m2；ω 为角速度，
rad/s。
由式(1)得飞轮极转动惯量为
Jp
=
2E ω2
max
=25.6
kg·m2
（2）
状态
控制方式 1
控制方式 2
0~8000
启动
恒扭矩
恒扭矩
8000
基速
—
—
8000~16000
充电
恒功率
恒扭矩
16000
最大转速
—
—
16000~8000
发电
恒功率
恒功率
3.2 发电机功率及放电时间 放电时间由负荷决定，在忽略能量转换效率的
情况下，放电时间由式(4)计算
t= E N
（4）
应具有足够的强度和刚度；②飞轮包括金属轮毂和多 层套装的复合材料飞轮，应具有足够的强度和刚度；
3.1 电动机/发电机充放电工作模式 电动机/发电机的控制可以采用恒扭矩和恒功
率控制方式，电动机/发电机工作模式及控制方式见 表 1。
表 1 电动机/发电机工作模式及控制方式
Table 1 Motor/generator operating mode and control mode
转速/r·min−1
1 飞轮储能系统在风力发电中的应用
收稿日期：2014-12-30；修改稿日期：2015-01-09。 基金项目：国家高技术研究发展计划“863”项目（2013AA050802 ），国 家自然科学基金（51203033），黑龙江省科技攻关计划项目（GZ11A208）。 第一作者：韩永杰（1963—），男，高级工程师，研究方向为机械设计理 论与制造工艺、飞轮强度和转子动力学，E-mail：hanyongjie@hrbeu.edu.cn； 通讯联系人：李翀，副教授，研究方向为储能技术与应用、先进制造技术， E-mail：lichong@hrbeu.edu.cn。
第4卷 第2期 2015 年 3 月
储能科学与技术 Energy Storage Science and Technology
Vol.4 No.2 Mar. 2015
物理储能专刊：研究开发
飞轮储能系统在 1.5 MW 风机上的应用研究
韩永杰，任正义，吴 滨，李 翀
（哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001）
飞轮储能装置是飞轮储能系统的核心，其总体方 案直接影响储能系统的性能和运行稳定性及安全性， 确定飞轮储能装置总体方案如图 3 所示。主要由飞轮 转子、电动机/发电机、径向电磁轴承、轴向电磁轴承、 辅助轴承、真空室等组成。飞轮转子包括转子轴、飞 轮轮毂、多层复合材料飞轮等，电动机/发电机、径向 电磁轴承、轴向电磁轴承的转子安装在转子轴上，相 应定子由壳体固定支撑，在转子轴的两端装有辅助轴 承，上述所有部件密封在真空室中，使飞轮转子工作 时具有更小的工作阻力[7]。具体如下：①转子轴采用 整体结构形式，根据零部件的安装形成不同的阶梯，
2 适合于 1.5 MW 风机的飞轮储能系统
2.1 飞轮储能系统的总体方案 飞轮储能系统以直流总线（DC BUS）方式连
接到风能电力线路中，其输入和输出均为直流。图 2 是飞轮储能系统总体方案。储能系统由飞轮储能 装置、能量转换模块（含电机-发电机控制）、磁轴 承控制模块、监控系统、真空系统、冷却系统等组 成。其中控制部分采取上、下位机控制方式，监控 系统由工控机作为上位机，下位机采用 DSP 控制， 分为电力转换模块和磁轴承控制模块。
doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2015.02.012
中图分类号：TH 131.7
文献标志码：A
文章编号：2095-4239（2015）02-198-05
Flywheel energy storage systems for a 1.5 MW wind generator applications
（3）放电深度
取基速 ω0（最低工作转速）为最大转速的 1/2，
则飞轮的放电深度为
λ=
1
−
Fra Baidu bibliotek
ω02 ω2
max
=3/4
（3）
储能系统由机械能转化为电能，存在能量转换
效率问题，为了计算方便忽略效率，则有效发电量 为 Ey = Eλ =7.5 kW·h
（4）电动机/发电机功率
在风力发电机组中，1.5 MW 风机占有较大比
靠性、系统制造成本等方面进行突破。 风能和太阳能等可再生能源大规模接入电网需
要解决两方面主要问题：其一是建设安全、可靠和 高效现代化的智能电网，使其具有接纳可再生能源 的能力；其二是可再生能源接入电网前进行调节， 符合现有电网的接纳能力。飞轮储能技术具有储能 密度大、效率高、成本低、瞬时功率大、响应速度 快、使用寿命长、温度范围广、安全性能好、维护 费用低、环境污染小、不受地理环境限制等优点， 能快速响应电网频率和电压间歇性变化，恢复电网 的质量，在上述两大方面均可发挥其技术优势。
摘 要：飞轮储能在电网级别调频、风力发电平滑输出以及分布式发电和微网等领域均具有技术优势。本文研
究了应用在 1.5 MW 风机上的飞轮储能系统，实现了功率平滑输出的目的，确定了飞轮储能系统技术指标并设
计了总体方案，分析了飞轮储能系统的电动机/发电机的工作模式，为进一步能量转换系统的开发提供了依据。
关键词：飞轮储能；风力发电；电动机/发电机；能量转换
Beacon Power 公司在飞轮储能应用上已走在了 前列[6]，先后建立了 3 个飞轮阵列储能调频电站， 其调节能力可达 10%，并已稳定运行。图 1 为 Beacon Power 20 MW 储能电站示意图，由 200 个飞轮组成 阵列，提供调频服务。Beacon Power 针对飞轮储能 调频服务与目前常规调频进行了对比试验，1 MW 的飞轮储能系统调频能提供 0.48 MW·h 的服务，而 调频速率为 1 MW/5 min 的常规调频仅能提供 0.11 MW·h 的服务，飞轮储能是其 4 倍以上。美国联邦 法案对此也进行了修订，采取优质优价的政策，提 高了诸如飞轮储能等能提供更好调频服务的价格。
飞轮储能技术在电网级调频，可再生能源发电 出力平滑，分布式发电和微电网等方面具有广阔的 应用前景[1-2]。 1.1 电网的调峰和调频
大规模电网级别的储能应用，目前提及较多的是 调峰和调频两种市场需求。调峰是维持中长时间尺度
第2期
韩永杰等：飞轮储能系统在 1.5 MW 风机上的应用研究
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有功功率平衡，需要发电部门根据电力系统中的用电 负荷随着生产和生活的周期性变化规律，相应地安排 发电机的出力以适应用电负荷的变化。调峰的时间尺 度以小时或半天计，能量型储能系统较为适合[3]。
2.2 飞轮储能系统的容量匹配 （1）储能量和最高工作转速 储能量的大小取决于具体的应用场合，考虑 1.5
MW 风机的应用以及将来组成阵列大规模应用，确 定储能量为 E=10 kW·h。
最高工作转速主要决定于飞轮转子的支承条件 以及飞轮的材料强度，综合考虑确定为 nmax=16000 r/min。
（2）飞轮转子极转动惯量
图 2 飞轮储能系统总体方案 Fig.2 Flywheel energy storage system overall design
图 1 Beacon Power 20 MW 储能电站示意图 Fig.1 Beacon Power energy matrix 20 MW plant
illustration
调频是维护电网运行安全性的一项服务，保持 电网频率的稳定。电力的频率是由系统总的发电功 率和用电功率决定的，由于用电侧的功率时常处于波 动状态，如果总的用电超过或者低于额定功率一定范 围，将引起电网频率偏离 50 Hz（中国标准），严重的 偏离将引起发电设备与电网断电，最坏的情况将导致 连锁断电，给电网运行带来安全事故隐患。调频的时 间尺度在秒或分钟级频繁充放电，并且电网在一天 24 小时都在进行调频，需要功率型的储能系统。 1.2 飞轮储能在电网调频中的应用
HAN Yongjie，REN Zhengyi，WU Bin，LI Chong
（Harbin Engineering University，Harbin 150001，Heilongjiang，China）
Abstract：This paper reports a study on the use of flywheel technology for energy storage in a 1.5 MW wind generator. The results show that the system performance meets the requirements of smoothing power output. Further discussion is made on the charge/discharge modes for energy conversion system. Key words：flywheel energy storage system；wind generator；motor/generator；power conversion
由调频对储能技术的要求可知，储能的技术特 性非常适合于电力调频。2008 年美国西北太平洋国 家实验室的分析报告指出，同等规模下比较，储能 系统进行调频的效果是水电机组的 1.7 倍，是燃气 机组的 2.7 倍，是火电机组和联合循环机组的近 20 倍。对飞轮储能系统在电力调频上的应用优势，国 内外诸多学者和机构进行了深入研究[4-5]。
3 飞轮储能系统充放电工作模式
出现更大峰值情况，取发电最大功率为 200 kW。 电动机/发电机为一体化结构，根据发电最大功
率及考虑用于风电调节对储能装置工作的需求，其 充放电时间应该近似相等，所以选择充电最大功率 为 200 kW。当然，根据电动机驱动控制方式不同， 也可以降低最大功率。 2.3 飞轮储能装置总体结构
例，因此，以 1.5 MW 风机来确定飞轮储能系统发
电的最大功率。按 1.5 MW 风机功率需调节 10%计
算，飞轮储能系统发电功率为 150 kW，考虑到可能
图 3 飞轮储能装置总体方案 Fig.3 Flywheel energy storage module overall design
径向磁轴承分别位于飞轮两端，电磁轴承应满足转子 动力学的要求；④电动机/发电机为一体机，采用交流 同步永磁电机形式，应满足系统充电和放电所需功率 和时间要求，电动机/发电机的定子线圈采用水冷方 式；⑤辅助轴承由上、下两个组成，提供系统静止时 的支撑和磁轴承失效时的系统保护；⑥真空系统应保 持真空室内的真空度。
随 ① 着能源结构的变化，风能和太阳能等可再生 能源所占比例不断增加，在一些国家和地区已成为 主要能源。然而，这些新能源具有受风和云等气候 条件影响的随机性，其大规模应用使得电网调峰和 调频、可再生能源发电出力平滑、分布式发电和微 电网等问题日益突出，显然储能是解决这些能源问 题的有效途径之一。
各种新型储能技术层出不穷，目前的储能技术 有抽水储能、常规电池、飞轮储能、超级电容器、 超导储能、压缩空气、液流电池和钠硫电池等多种 形式，每种储能技术均有其突出的优点和应用的局 限性。有待于在使用寿命和容量的规模化、运行可
1.3 飞轮储能用于风力发电中“削峰填谷” 风力发电的能量由于风速因季节、时刻随时变
化而变化，而且变化频率快、幅度大，通常是随机 的，这给风力发电用户在使用上带来困难。飞轮储 能应用到风力发电系统中，发挥响应速度快的优点， 时时进行“削峰填谷”。当风力发电机组输出功率 大于负荷功率时，多余的功率供给飞轮转子，此时 飞轮系统中的电动/发电机处于电动机运行状态，电 能转化为动能；当风力发电机输出功率小于负荷功 率时，风力发电机输出功率与负荷功率之差由飞轮 系统储存的能量提供，此时飞轮系统中的电动/发电 机处于发电机运行状态，释放动能并转化为电能。