磁悬浮飞轮储能技术
飞轮储能
美国Active Power公司磁悬浮飞轮UPS及连续供电系统全球独创的磁悬浮飞轮储能及供电专利技术 高性能环保动力科技的领先者最可靠高品质不间断电源保障专家2007-5-15磁悬浮飞轮UPS简介磁悬浮飞轮UPS(CleanSource UPS)由美国Active Power公司生产。
Active Power是美国环保动力科技的领导者，在免蓄电池不间断电源领域中拥有42项技术发明专利，并且是美国NASDAQ上市公司。
其产品遍布北美、欧洲、南美、亚洲、中东、非洲等40多个国家和地区。
磁悬浮飞轮UPS的创新之处在于利用飞轮系统物理储能代替了传统蓄电池不可靠的化学储能方式，来提供市电供电瞬断或停电时启动发电机所需的过渡能源（详见系统示意图）。
由于磁悬浮飞轮UPS 与生俱来的高能效、高可靠性和环保特性，注定将要逐步替代传统型蓄电池UPS 电源。
与传统型蓄电池UPS电源相比较，磁悬浮飞轮UPS具有以下特点：- 消除了传统UPS中的最不可靠的蓄电池部分，飞轮磁悬浮的可靠性高达99.99999％；- 效率高达98％（传统UPS最高为93%）；- 维护工作量小、成本低；- 占地面积仅为蓄电池型UPS的1/4，能量密度高；- 可扩展性强：单系统120KV A－3.6 MV A；- 无限次数充放电，充电速度快（15秒钟）；- 工作寿命长：产品使用寿命超过为20年；- 对环境温度要求低（启动温度：-20℃－40℃/运行温度：0℃－40℃）；- 抗过载能力强；- 无污染、绿色环保；鉴于磁悬浮飞轮UPS具有以上诸多优点，因而已逐渐被应用于大型数据中心、电信、银行、航空航天、军队、机场、医院以及生产企业高质量用电设备的重要场所。
市电开关F/W柴油发电机连续供电系统组成示意图一、系统的组成及作用：1、磁悬浮飞轮（Flywheel）机械部分是坚固的钢制飞轮（转子），充电完成后，飞轮通过磁力轴承将其悬浮在真空中以7700转/分的速度旋转，来储存机械能量。
磁悬浮飞轮储能技术方案
3．磁悬浮飞轮储能技术方案1）磁悬浮飞轮储能技术原理飞轮储能是一种利用高速旋转的飞轮存储能量的技术，主要由高速飞轮和同轴的电动/发电机、磁悬浮轴承及双向功率变换器构成。
飞轮储能的工作原理：当充电时，采用电动机工作模式，利用电动机驱动飞轮高速旋转，将电能转变为机械能储存，完成充电过程，如图1所示；当放电时，采用发电机工作模式，利用飞轮高速旋转的惯性带动转子旋转，通过发电机将飞轮存储的动能转换成电能输出，如图2所示；飞轮储能通过转子的加速和减速，实现电能的存入和释放。
图1飞轮储能设备充电原理图附图13飞轮储能设备放电原理图2）磁悬浮飞轮储能设备组成磁悬浮飞轮储能设备采用标准机柜式成套设计，柜内包含飞轮储能模块、磁悬浮控制单元、飞轮控制单元、电力电子变流器、真空泵等核心部件。
系统采用大屏幕触摸屏图像用户界面，操作使用方便，如下图所示：附图14磁悬浮飞轮储能设备主要组成部分DC/AC双向变流器（IGBT）磁悬浮飞轮储能设备的充电和放电是通过控制飞轮功率转换模块中的半导体开关来实现的，由于飞轮在真空状态下工作，通过使用IGBT 高频开关，可以减少飞轮定子绕组中存在的电流谐波。
通过使用脉宽调制技术（PWM），IGBT 可实现快速开通和关断，产生近似正弦波的波形。
平稳的波形对于减少谐波和控制电流纹波起到了至关重要的作用。
飞轮控制器模块飞轮系统的核心，包含一个数字控制器，用于监视和控制VDC内的各个子系统。
飞轮控制器的功能包括：飞轮的充电和放电、子系统组件的监测和控制以及处理系统告警、警报、故障和停机。
磁悬浮轴承控制器（MBC）提供飞轮转子的磁悬浮控制，并包含数字控制器、传感器解调器和电流放大器。
MBC通过五轴主动磁悬浮轴承系统来监视和控制飞轮转子的位置。
转子位置信号反馈到MBC的控制模块，通过数字滤波器补偿程序为每路电流放大器输出控制信号，电流放大器向每个轴的传动器（控制器）提供驱动电流，从而将力施加在转子上，保持飞轮转子处于正常位置。
飞轮储能关键技术及其发展现状
飞轮储能关键技术及其发展现状一、本文概述飞轮储能技术，作为一种高效、环保的储能方式，近年来在全球范围内引起了广泛关注。
本文旨在全面解析飞轮储能的关键技术及其发展现状。
我们将深入探讨飞轮储能的基本原理、关键技术要素、应用领域以及当前的发展状况，同时展望其未来的发展趋势。
通过对飞轮储能技术的系统研究，我们期望能够为相关领域的研究者、从业者以及投资者提供有价值的参考信息，推动飞轮储能技术的进一步发展与应用。
文章将首先概述飞轮储能技术的基本概念和工作原理，为读者建立基础理解。
随后，将重点分析飞轮储能技术的关键技术，包括飞轮设计、材料选择、能量转换与存储等方面，揭示这些技术在推动飞轮储能技术发展中的核心作用。
紧接着，文章将讨论飞轮储能技术在不同领域的应用现状，如电力储能、轨道交通、航空航天等，展示其广泛的应用前景。
我们将对飞轮储能技术的发展趋势进行展望，分析当前面临的挑战与机遇，并提出相应的建议与策略。
通过本文的阐述，我们期望能够加深读者对飞轮储能技术的认识，为推动该技术的创新与发展贡献力量。
二、飞轮储能关键技术飞轮储能技术是一种利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的储能技术。
其关键技术主要包括飞轮设计、轴承技术、真空技术、磁悬浮技术、能量转换与控制技术等。
飞轮设计是飞轮储能技术的核心，它直接决定了储能密度和储能效率。
飞轮设计需要解决的关键问题包括飞轮材料的选择、飞轮形状的优化、飞轮强度的保证以及飞轮转动的稳定性等。
目前，常用的飞轮材料包括高强度钢、碳纤维复合材料等，而飞轮形状则多为圆柱形或盘形。
轴承技术是飞轮储能技术中的重要环节，它决定了飞轮转动的平稳性和效率。
飞轮轴承需要承受高速旋转带来的巨大离心力，同时还需要保证飞轮的转动精度和稳定性。
目前，常用的轴承技术包括滚动轴承和磁悬浮轴承，其中磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、低噪音等优点，因此在飞轮储能技术中得到了广泛应用。
为了减小空气阻力，提高飞轮储能效率，飞轮储能系统需要在高真空环境下运行。
基于磁悬浮飞轮储能技术的应急电源车设计和实现
基于磁悬浮飞轮储能技术的应急电源车设计和实现发布时间：2023-01-30T06:32:46.377Z 来源：《中国电业与能源》2022年8月16期作者：薛滨滨李德保[导读] 基于磁悬浮飞轮储能技术的应急电源车，主要包括移动运输车辆薛滨滨李德保山东中诚安源电力科技有限公司山东省德州市 253100【摘要】：基于磁悬浮飞轮储能技术的应急电源车，主要包括移动运输车辆、柴油发电机组、磁悬浮飞轮储能UPS系统、油机快速启动装置、ATS双电源控制器等环节。
目前，磁悬浮飞轮储能技术具有多样化特征，能实现电能向动能方向进行转换，不间断给关键负载提供各种电力能源，实现和市电供电系统进行相互切换，有效推动城市社会经济实现可持续发展。
【关键词】：磁悬浮飞轮储能技术；应急电源车；试验一、前言随着社会经济不断发展，人们日常生活水平不断提高，电网供电稳定性成为政府部门注重的话题。
特别在信息化时代背景下，由于全球气候变暖，导致全国各区域都出现自然灾害，一旦出现电力设备故障，会让整个城市出现大规模断电，给人们日常生活带来严重阻碍。
为避免停电给不同城市经济带来严重影响，给用户提供持续的电网支持，国家电网公司提出以柴油机式应急电源车为基础的城市配电网应急方案，该方案逐渐成为所有供电系统配电网日常运行的重要方法[1]。
目前，柴油机式应急电源具有连续供电时间长、容量大等特征，是目前最常用的应急电源，但在停电时柴油发电机接收启动信号至电压稳定供电，通常需要耗费5分钟，即便快速启动柴油发电机也需要15秒，所以柴油发电机无法实现不间断供电需求。
而柴油发电机需要实现和市电供电的无缝切换，要配备不间断电源UPS，传统UPS是以铅酸电池为主，存在使用寿命短、故障率高、维护成本高昂等问题，无法满足日常供电需求。
因此，磁悬浮飞轮储能技术应运而生，和铅酸电池相比，其具有经济效益高、无污染、使用寿命长等特征，随着高温超导技术和高能永磁技术出现在人们视线范围内，磁悬浮飞轮储能UPS被应用在应急电源车上。
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。
大容量磁悬浮储能飞轮关键技术研究
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三、 项目主要实施内容、技术路线、技术关键及创新点
项目主要实施内容： 本项目主要内容为大容量磁悬浮储能飞轮关键技术研究，针对我国在分布式储能技术领域的应用需 求为背景，以发展新型大容量磁悬浮储能飞轮及其应用为依托，对20KWh的储能飞轮样机进行深入 研究并针对各性能指标要求进行全面的试验与测试，完成大承载力磁轴承结构设计和电磁设计；低功 耗、永磁偏臵混合磁轴承高稳定度数字控制；高比强度复合材料的超高速飞轮转子的设计；新型 HALBACH磁体结构高速高效永磁无刷直流电机优化设计；超高速电机的高精度控制和高效率能量转 换技术以及系统的试验、测试技术。完成高能量密度、大承载力、高效率磁悬浮储能飞轮关键技术攻 关，为形成具有国际竞争力的大容量磁悬浮储能飞轮产品奠定技术基础，使我国储能飞轮技术达到国 际先进水平。 技术路线： 将总体指标按专业进行分解为：低功耗混合磁轴承及控制、高强度飞轮转子的结构设计及高性能材
河 储能系统。
美国BEACON公司的300kW和系列兆瓦级磁悬浮储能飞轮产品，用于电站储能，通信电源UPS等领域。其中
北 ，300kW的磁悬浮储能飞轮额定转速达到40000r/min，储能密度45Wh/kg，储能效率高于80%，设计寿命20年
，实现了高效率、长寿命和节能环保运行。
省 目前国内关于储能飞轮应用的研究尚处于初始研究阶段，进行研究的单位多为科研院所和部分高校，多处
高新技术企业
术 本项目针对我国在分布式储能技术领域的应用需求，以发展新型大容量磁悬浮储能飞轮为依托，充
分利用20KWh储能飞轮样机的研究成果，对大容量磁悬浮储能飞轮进行技术研究，攻克大承载力磁轴
磁悬浮储能飞轮技术研究及应用示范
磁悬浮储能飞轮技术研究及应用示范刘付成李结冻李延宝吕奇超上海航天控制技术研究所上海市空间智能控制技术重点实验室摘要：飞轮储能系统是利用飞轮加、减速旋转实现电能与机械能相互转换的装置。
介绍了飞轮储能的基本原理以及磁悬浮储能飞轮研究的关键技术，并对飞轮储能的目标市场进行分析。
关键词：飞轮储能；基本原理；目标市场DOI: 10.13770/ki.issn2095-705x.2017.02.005Research and ApplicationDemonstration of Maglev EnergyStorage Flywheel TechnologyLiu Fucheng, Li Jiedong, Li Yanbao, Lv QichaoShanghai Aerospace Control Technology InstituteShanghai Space In te llig e n t C ontrol Technology KeyLaboratoryAbstract: Flywheel energy storage system is a device to realizemutual conversion of electric energy and mechanical energy byacceleration and deceleration rotation.The article introduces basicworking principle of flywheel energy storage and key technologyof maglev flywheel energy storage research.The author analyzestarget market of flywheel energy storage.Key words: Flywheel Energy Storage,Basic Working Principle,Target Market能源问题是21世纪人类所面临的重大课题之一，在不断开发新能源的同时，为了更有效地利用现有的能源，需要发展先进的节能技术和储能技术。
飞轮储能的优缺点
飞轮储能的优缺点飞轮储能介绍飞轮储能思想早在一百年前就有人提出，但是由于当时技术条件的制约，在很长时间内都没有突破。
直到20世纪60~70年代，才由美国宇航局（NASA）Glenn研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。
到了90年代后，由于在以下3个方面取得了突破，给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。
（1）高强度碳素纤维复合材料（抗拉强度高达8．27GPa）的出现，大大增加了单位质量中的动能储量。
（2）磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩擦损耗和风损耗都降到了最低限度。
（3）电力电子技术的新进展，如电动／发电机及电力转换技术的突破，为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。
储能飞轮是种高科技机电一体化产品，它在航空航天（卫星储能电池，综合动力和姿态控制）、军事（大功率电磁炮）、电力（电力调峰）、通信（UPS）、汽车工业（电动汽车）等领域有广阔的应用前景。
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，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。
通过电动／发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。
在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械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，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，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与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。
整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。
飞轮储能的优缺点飞轮储能就是在需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。
飞轮储能其中的单项技术国内基本都有了（但和国外差距在10年以上），难点在于根据不。
磁悬浮飞轮储能
磁悬浮飞轮储能
磁悬浮飞轮储能是一种新型的高效能储能技术。
它通过利用磁悬浮技术将旋转的飞轮悬浮在真空或减压的磁力场中，使其无摩擦地旋转，并将其动能储存起来。
当需要释放能量时，可以通过电机将飞轮转动，使其释放出储存的能量。
磁悬浮飞轮储能具有很多优点，比如高效能、长寿命、低维护成本等。
它可以在短时间内释放出大量能量，同时也可以在长时间内稳定地储存能量。
此外，由于磁悬浮技术的应用，磁悬浮飞轮储能系统的机械损耗非常小，因此可以大大减少储能过程中的能量损失。
目前，磁悬浮飞轮储能技术已经开始应用于各个领域，比如航空航天、电力、交通等。
在未来，随着技术的进一步发展和成本的降低，相信磁悬浮飞轮储能将得到更广泛的应用。
- 1 -。
海德馨磁悬浮飞轮储能UPS移动应急电源车
海德馨磁悬浮飞轮储能UPS移动应急电源车2012年3月5日和5月12日，海德馨先后推出了国内首批分体式、大功率磁悬浮飞轮储能UPS移动应急电源车及升级后的一体式磁悬浮飞轮储能UPS移动应急电源车。
这两项产品的核心均采用了真空磁悬浮的飞轮储能技术，将动能转化成电能，为关键负载提供不间断的电力保障，实现了化学储能到机械储能的转变以及零秒切换时间，并在很大程度上节省了铅酸蓄电池的消耗，减少了二氧化碳的排放，大大促进了低碳、节能事业的发展。
与普通应急发电车不同，飞轮储能发电车除了应急发电系统之外，增加了飞轮储能电源系统，相当于大功率的UPS，并与主供电源和用电设备串联。
当主供电源停电时，飞轮储能电源系统会向用电设备供电，并向与之连接的应急发电系统自动发出指令，应急发电系统随即启动供电，确保电力供应不间断。
海德馨磁悬浮飞轮储能式UPS应急电源车是采用美国Active Power公司磁悬浮飞轮UPS及专用汽车底盘组成应急电源车。
采用全球最先进的物理储能磁悬浮飞轮UPS为核心部件，来应对各种突发事件，为负载提供零毫秒级不间断、长时间、高质量的电力供给。
此磁悬浮飞轮储能系统是国家电力应急保障体系里的最高端产品。
针对各种重大活动、庆典及行政事务，该磁悬浮飞轮储能系统可以为客户提供最高级别电力供应保障。
磁悬浮飞轮储能系统采用物理方式储能，无污染，低碳节能。
飞轮转速恒定、低摩擦，低噪音。
海德馨磁悬浮飞轮储能式UPS应急电源车系统组成如下。
一、UPS单元CleanSource UPS （不间断电源）具有最先进的功率调节性能，同时保持现有的业界最小占位面积。
利用飞轮系统物理储能替代了传统蓄电池不可靠的化学储能方式，来提供市电供电瞬断或停电时启动发电机所需的过渡能源。
二、柴油发电机组单元柴油发电机，能够在不到10秒钟内启动并承担负载。
发电机组控制模块与系统无缝连接。
控制模块可以访问关键性能数据和通信数据，协调控制整车系统。
武理工科研团队将“磁悬浮”技术应用于新能源汽车获5亿投资
武理工科研团队将“磁悬浮”技术应用于新能源汽车获5亿投资武汉理工大学机电工程学院胡业发教授团队为班底的新能源汽车技术——“用于新能源汽车高效发电机和高密度飞轮储能系统”,获得5亿元的科技成果转化投资。
据了解,该项技术为世界首创,如成功实现量产投入市场,预计将创造50亿元的市场规模。
飞轮储能系统指的是利用电动机带动飞轮高速旋转,将电能转化成动能储存起来,在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。
飞轮储能装置中有一个内置电机,它既是电动机也是发电机。
在充电时,它作为电动机给飞轮加速;当放电时,它又作为发电机对外供电。
由于在实际工作中,飞轮的转速极快,一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速,所以飞轮一般都要采用碳纤维制成,既轻又强,进一步减少整个系统的重量,同时,为了减少充放电过程中的能量损耗(主要是摩擦力损耗),电机和飞轮都使用磁轴承,使其悬浮,以减少机械摩擦;同时将飞轮和电机放置在真空容器中,以减少空气摩擦,净效率可超过9成。
上世纪90年代,飞轮电池的新概念被提出,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能,由于是电能和机械能的相互转化,不会造成污染。
飞轮储能电池最初只是想将其应用在电动汽车上,但限于当时的技术水平,并没有得到发展。
胡业发介绍,目前一些发达国家正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。
飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。
其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法,而复合材料能够提高储能密度,降低系统体积和重量。
近年来,国内飞轮储能市场开始发力。
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,但均因为体积、质量“变小”的技术难题,暂时只能在飞机、火车、大型机械设备中使用。
“如果能实现将此项技术应用在新能源汽车领域,采用相对小的发动机来提供动力,可达到节能和减排的目的。
”胡业发教授介绍,目前市场上的电动汽车电池充电时间长达数小时,不仅车身重使用不方便,续航能力也不强。
磁悬浮飞轮储能支承系统的控制策略研究
搭建实验平台，对优化后的控制策略 进行实验验证，进一步验证其在实际 应用中的效果和性能。
03
性能指标对比
将优化前后的控制策略进行性能指标 对比，如储能效率、支承刚度、动态 响应等，定量评估优化后控制策略的 性能提升程度。
06
结论与展望
研究成果总结
01
提出了基于磁悬浮飞轮储能支承系统的控制策略，实现 了系统的高效稳定运行。
提高储能效率
优化控制策略以减少能量损失，提高系统的储能效率，使飞轮在储 能过程中能够更有效地存储和释放能量。
实现快速响应和精确控制
控制策略应具备快速响应特性，确保飞轮在瞬态过程中的稳定性和 精确性，同时实现对飞轮位置和速度的高精度控制。
控制策略设计思路及方法
01
基于现代控制理论设计控制器
利用状态空间法、最优控制等现代控制理论方法，设计适用于磁悬浮飞
研究内容和方法
研究内容
本研究旨在针对磁悬浮飞轮储能系统的特点，设计一种高性能的控制策略。具体内容包括：分析系统 动态特性，建立精确的数学模型；设计先进的控制算法，实现系统的高精度、高稳定性控制；通过实 验验证控制策略的有效性和优越性。
研究方法
本研究将采用理论分析、仿真模拟和实验验证相结合的方法进行研究。首先，通过理论分析建立磁悬 浮飞轮储能系统的数学模型；然后，利用仿真软件对控制策略进行设计和优化；最后，搭建实验平台 对控制策略进行实验验证。
轮储能支承系统的控制器，实现对系统状态变量的有效控制。
02
引入先进控制算法
采用如模糊控制、神经网络控制等先进算法，提高控制策略的自适应能
力和鲁棒性，以应对系统参数变化和外部扰动。
03
多层次控制策略设计
针对系统的不同层级和功能需求，设计相应的控制策略，如底层悬浮控
图解磁悬浮飞轮储能UPS原理
图解磁悬浮飞轮储能UPS原理在UPS系统中，磁悬浮飞轮储能可以代替蓄电池储能，原理如图1：
图1 飞轮储能UPS原理
1、正常⼯作模式
当外部有电供给时飞轮在电动机模式下⼯作。
此时接受电能驱动转⼦带动飞轮在真空环境下持续旋转，飞轮以动能形式存储能量，如图2
图2 正常模式
2、应急模式
当供电中断时，飞轮靠惯性继续旋转，此时设备类似⼀台发电机，将动能转换成电能。
图3
图3 应急模式
3、油机供电模式
图4 油机供电模式
4、系统特点
⾼真空度环境减少了飞轮系统在⾼速旋转状态下的各种阻⼒，充分利⽤存储的机械能，采⽤磁悬浮轴承并可以控制飞轮的旋转姿态，使机/电转换效率⾼达99.5％。
磁悬浮储能飞轮状态监测系统
磁悬浮储能飞轮状态监测系统磁悬浮储能飞轮状态监测系统近年来，随着能源需求的不断增长，越来越多的国家正在积极寻求高效、可持续的能源解决方案。
而储能技术一直被认为是解决能源瓶颈问题的有效手段之一。
磁悬浮储能飞轮作为一种新兴的储能技术，具有高能量密度、快速响应以及长寿命等优势，因而备受关注。
然而，磁悬浮储能飞轮在运行过程中频繁受到各种外界因素的干扰，例如振动、磁场等。
而这些外界因素可能会对飞轮的运行稳定性和寿命产生不良影响。
因此，建立一种有效的磁悬浮储能飞轮状态监测系统，对磁悬浮储能飞轮的运行状态进行实时监测和评估，具有重要的意义。
磁悬浮储能飞轮状态监测系统主要由传感器、数据采集系统和数据分析系统组成。
传感器负责感知和采集飞轮运行过程中的各项参数数据，例如飞轮转速、振动、温度等。
数据采集系统负责将传感器采集到的数据进行整合和存储，并通过数据链接的方式将数据传输至数据分析系统。
数据分析系统则通过对采集到的数据进行分析和处理，提取出有价值的信息，并对磁悬浮储能飞轮的运行状态进行实时监测和评估。
在传感器方面，首先需要选择合适的传感器类型，能够准确地感知飞轮运行过程中的各项参数。
同时，传感器的数量和布局也需要合理设计，以保证对飞轮各部件的监测覆盖面较广。
数据采集系统方面，应具备较高的数据采集频率和存储能力，以适应飞轮高速旋转过程中产生的大量数据。
此外，为确保数据的可靠性，需要采取相应的数据传输和存储安全措施。
数据分析系统是整个状态监测系统的核心部分，其主要任务是对采集到的数据进行精确分析和处理，提取出具有实际意义的信息。
首先，通过对数据进行滤波和融合处理，可以消除部分数据噪声和干扰，减少误判的发生。
然后，通过建立相应的数据模型和算法，可以对飞轮的运行状态进行准确评估。
同时，针对不同的监测指标，可以设置相应的警报机制，及时发现潜在问题并采取相应的措施。
最后，通过对长期监测数据进行统计和分析，还可以为飞轮运行状态的演化趋势提供参考。
飞轮储能关键技术
飞轮储能系统关键技术分析及应用现状摘要：本文从飞轮储能系统的结构原理入手，首先介绍了飞轮储能系统的结构组成、工作原理及其工作模式，然后对飞轮转子、支承轴承、真空室、电动/发电机及电力电子装置等关键技术进行了全面的分析，并介绍了关键技术的国内外研究现状，在此基础上对飞轮储能的应用现状进行了阐述。
关键词：飞轮储能；关键技术；应用现状中图分类号：TK02 文献标识码：A 文章编号：0、刖言随着中国经济的快速发展，能源和环境问题成为了中国快速发展主要阻碍。
然而，在能源如此短缺的情况下，使用目前的耗能设备和耗能方式却使得世界上总能量的50%〜70%白白的浪费了[1]。
因此在开发新能源的同时，研究如何回收存储被白白浪费的能量也是非常重要的。
目前的储能方式主要有：化学储能、物理储能和超导储能，在这几种储能方式中化学储能技术比较成熟，并已得到广泛的应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响显著、对环境污染严重。
超导储能对技术要求高、对环境要求苛刻暂时还不适合大规模应用。
由于物理储能是利用物理方法将能量春初起来，所以不存在对环境污染问题比较适合当今的发展要求。
物理储能方式主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。
在这几种物理储能方式中飞轮储能以其在使用寿命、充电时间、效率方面的突出特点得到了广泛的关注。
1、飞轮储能系统的结构及工作原理1.1飞轮储能系统基本的结构飞轮储能系统又称飞轮电池其基本结构是由飞轮、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个部分组成[2]。
其中飞轮是飞轮电池的关键部件，一般选用强度高密度相对较小的复合材料制作；轴承是支撑飞轮的装置，由于磁悬浮支承可以降低摩擦损耗提高系统效率而成为了支撑技术的研究热点；飞轮电池的电机是一个集成部件，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能的相互转换；电力电子控制装置主要是对输出和回馈的电能进行控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机的各种工作要求的控制；真空室的功用有两个即为飞轮提供真空环境降低风阻损耗和在飞轮高速旋转破裂时起到保护周围人员和设备的作用。
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磁悬浮飞轮储能技术
随着科技的不断进步，储能技术也在不断的发展，其中磁悬浮飞轮储能技术备受瞩目。
磁悬浮飞轮储能技术是指利用磁悬浮技术，将飞轮悬浮在真空中，并通过高速旋转来储存能量。
磁悬浮飞轮储能技术的优势在于其高效、可靠和环保。
首先，磁悬浮技术可以有效减少能量损失，提高能量转换效率。
其次，磁悬浮飞轮储能系统可以长时间稳定地运行，不受外部环境影响，保证了系统的可靠性。
最后，磁悬浮飞轮储能系统没有排放有害物质，对环境无污染，符合可持续发展的要求。
磁悬浮飞轮储能技术有着广泛的应用前景。
首先，在可再生能源领域，磁悬浮飞轮储能技术可以有效解决能源储存问题，为可再生能源的大规模应用提供支撑。
其次，在航空航天领域，磁悬浮飞轮储能技术可以为航空器提供动力支持，实现长时间飞行。
此外，磁悬浮飞轮储能技术还可以应用于高速列车、电网备用电源等领域。
磁悬浮飞轮储能技术的发展离不开科技创新和产业合作。
在科技创新方面，需要加强对磁悬浮技术的研究和开发，提高技术水平和应用能力。
在产业合作方面，需要建立产学研一体化的合作模式，促进技术转化和产业化进程。
磁悬浮飞轮储能技术是一种高效、可靠、环保的储能技术，具有广泛的应用前景。
在未来的发展中，我们需要加强科技创新和产业合
作，推动磁悬浮飞轮储能技术的进一步发展和应用。