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：22
1ωJ 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。

除了以母线电压作为飞轮储能系统充放电的控制参数外，还可以选择母线电流、能量潮流等七种电能参数作为控制参数，控制逻辑不变，此处不再详述。

2飞轮储能的分类
从飞轮的特性上分，可分为功率性飞轮和能量型飞轮。

功率型飞轮，指存储的能量总量较小，但是单体功率较大，充放电速度较快，响应较为迅速，且可以频繁充放电的飞轮，这种飞轮适合于电网调频、负荷侧功率波动较大且频繁的应用场景；
能量型飞轮，是指存储的能量总量较大，充放电时间较长的飞轮，这种飞轮适合电网调峰、负荷侧功率短期波动较小的应用场景。

从飞轮的材质上分，目前市场上成熟的技术包括钢制飞轮和复合材料飞轮两类。

钢制飞轮的研究时间较长，应用较成熟，但飞轮工作时一旦发生事故，高速旋转的飞轮会击碎容器飞出，造成较大危险；
复合材料飞轮因其材质和结构的特殊性，具备钢制飞轮储能装置所不能具备的诸多优势，如设备运行绝对安全（无转子解体后击穿壳体的风险）、可频繁深度充放电（北京地铁在用GTR飞轮储能装置每小时充放电次数高达350次以上）、生命周期内基本免维护（无需定期探伤，维护项目只涉及定期更换冷却液）等，也因此多被选用到对设备安全性要求较高，需要设备充放电次数较频繁，要求设备具备便捷确定和少维护的应用场景，如：航空航天（卫星储能电池，综合动力和姿态控制）、核工业（铀浓缩离心机与棒控电源）、军事（大功率电磁炮）、轨道交通（地铁再生制动能量回收，电动汽车能量回收与加速性能提高）等。

3典型飞轮储能项目简介
目前，飞轮储能技术已经在美国、加拿大等国家得到较好的推广，并已积累15年以上的运行经验；在我国，飞轮储能技术也已经得到
逐步推广普及，各类示范项目运行情况良好，逐步得到市场认可。

根据公开资料整理的国内外主要飞轮制造商和研究机构的产品技术指标如图4所示。

图4 主要飞轮储能产品列表
目前美国公司Beacon Power在美国纽约州及宾夕法尼亚州建有两个电网侧飞轮储能项目，规模均为20MW，分别于2011年6月和2014年7月全面投入商运，目前为止运行安全且取得较好的经济效益，如图5所示；加拿大公司Temporal Power在安大略省也建了一座规模为5MW的飞轮储能项目，2016年2月投运，运行良好，该储能电站主要配合附近的20 MW风电场运行，可以平滑风电出力也可对风电场提供无功补偿，如图6所示；飞轮储能同样适用于光伏电站：2018年4月Amber Kinetics公司在美国马萨诸塞州与370 kW光伏发电系统配套运行128 kW/512 kWh的飞轮项目投运，运行情况良好，如图7所示。

图5 宾夕法尼亚州20MW飞轮调频电站
图6 安大略省风电场配套5MW飞轮储能电站
图7 马萨诸塞州光伏配套128kW飞轮储能电站
目前飞轮储能技术已在国内火电机组联合调频、轨道交通能量回收、新能源消纳等领域得到推广。

国内部分火电机组-飞轮联合调频
项目如图8所示；北京地铁房山线飞轮储能项目于2019年4月投运，运行情况良好，用户反馈意见如图9；英利集团开展的飞轮储能促进新能源消纳项目于2016年6月投运，运行情况良好，用户反馈意见如图10。

图8 国内部分火电机组-飞轮联合调频项目
图9 北京地铁飞轮储能项目意见书图10英利集团飞轮储能项目意见书
4飞轮储能与其他储能方式的技术特性对比分析
目前，已开发并得到成熟应用的储能技术主要可分为物理储能和化学储能两大类，如图11所示。

物理储能主要包括抽水储能、飞轮
储能、压缩空气储能、蓄热蓄冷技术等；化学储能则包括各类蓄电池、超级电容器、可再生燃料电池（如金属—空气电池，氢能：电解水制氢—储氢—燃料电池发电）、液流电池和电制氢、电制天然气技术等。

储能
技术
手段
物理储能
化学储能
机械式储能
储热/蓄冷技术
电气储能
电化学储能
化学类储能
抽水蓄能
压缩空气储能
飞轮储能
储热技术
蓄冷技术
超级电容器
超导储能
锂离子电池
钠硫电池
铅酸电池
液硫电池
电制氢
电制天然气图11常用储能技术手段
根据CNESA（中关村储能产业技术联盟）全球储能项目库的统计，截至2019年底，全球已投运储能项目累计装机规模184.6GW，同比增长1.9%。

其中，抽水蓄能的累计装机规模最大，为171.0GW，同比增长0.2%；电化学储能的累计装机规模紧随其后，为9520.5MW；在各类电化学储能技术中，锂离子电池的累计装机规模最大，为
8453.9MW。

如图12和图13所示。

图12 全球储能市场累计装机规模（截止2019年年底）
图13 全球电化学储能市场累计装机规模及增长情况
根据CNESA全球储能项目库的统计，截至2019年底，我国已投运储能项目累计装机规模32.4GW，占全球市场总规模的17.6%，同比增长3.6%。

其中，抽水蓄能的累计装机规模最大，为30.3GW，同比增长1.0%；电化学储能的累计装机规模位列第二，为1709.6MW，同比增长59.4%；在各类电化学储能技术中，锂离子电池的累计装机规模最大，为1378.3MW。

如图14所示。

图14 中国储能市场累计装机规模（截止2019年年底）近几年，我国电化学储能技术一直保持快速增长态势，年复合增长率（2015-2019）达到79.7%，相对而言，物理储能技术虽然增速缓慢，但是压缩空气储能和飞轮储能在2019年均实现了各自的应用突破：国内GW级压缩空气储能项目——葛洲坝肥城1.25GW/7.5GWh 盐穴压缩空气储能电站开工建设；国内兆瓦级飞轮储能技术应用方面也实现0的突破——北京地铁房山线广阳城站GTR 1MW飞轮储能实现商用，填补了国内应用飞轮储能装置解决城市轨道交通再生制动能量回收方式的空白。

在众多储能技术方式中，飞轮储能具有其特殊优势：与各类化学储能方式相比，飞轮储能具有储能密度高、充放电速度快、效率高、寿命长、无需特殊维护、无污染、应用范围广、适应性强等优点；与抽水蓄能、压缩空气储能等物理储能方式相比，飞轮储能具有建设地点不受自然环境条件限制、充放电速度快、应用范围广等优点。

飞轮储能与其他常用储能方式的优缺点对比见表1。

类型建设占地单位运维环境安全使用能量转换调频容量
条件面积造价成本污染性寿命效率能力
飞轮储能不受
限
小高低小高
25年
以上
95%以上
毫秒
级
小
抽水蓄能受限大低低小高
30~50
年
70%~80%
分钟
级
大
化学电池
不受
限
中中高大低
5~8
年
80%~90% 秒级中从建设条件看，抽水蓄能电站必须在具有充沛水利资源且高差大
的地点，建设周期长且建设条件要求较高，在华北地区不具备大规模建设的客观条件；飞轮储能和电化学储能的建设则不受自然环境条件的限制，建设周期短且可以在发电侧、变电站、用电侧等各种场景下进行灵活建设。

从占地面积角度看，抽水蓄能电站建设规模与占地面积通常较大，小型抽蓄电站单台容量为10~20MW，大中型抽蓄电站的单台容量可达300MW；化学电池与飞轮储能建设规模可根据需要进行灵活选择，同等容量的飞轮电池尺寸与锂离子电池尺寸基本相同，仅为铅酸电池尺寸的1/4，考虑到化学电池防火安全距离的要求后，同等容量的飞轮储能占地面积最小。

典型飞轮电池尺寸如图15所示。

（单台设备功率450kW）
图15 典型飞轮储能装置图
图15展示的飞轮储能产品采用模块化设计，单台产品参数为333kW/3.61kWh（全功率充放电时间仅17s），每台产品的尺寸为1.1m*1.55m*2.2m，重量为1.5t/台，其中飞轮的重量为110kg，直径约为90cm，最高转速为每分钟36000转；产品可实现1ms响应、5ms 全功率响应，实现化学电池无法实现的大功率、快速、准确的毫秒级响应；且该磁悬浮式飞轮运行在真空腔体内，飞轮与真空体之间没有摩擦，能量损耗极低；单品采用模块化制造，可根据需要选配产品数量，通过多台飞轮储能产品的阵列组合扩展存储容量及充放电速率。

飞轮储能系统的电气接口为直流接口，当需要接入交流配电网系统中，需要配合并网逆变器（PCS）实现飞轮储能系统与交流电网的连接，此时飞轮储能和并网逆变器整体对外为交流系统。

飞轮储能及并网逆变器的主回路电气接线原理图如图16。

图16 飞轮储能接入交流配电网
从建设成本看，抽水蓄能、铅酸电池、锂离子电池、飞轮储能的建设成本及按照运行年限进行折算的全寿命期内的建设成本年值见表2。

表2 各类储能技术手段的建设成本及全寿命期建设成本年值
从表2可以看到，抽水蓄能电站的单位kW造价最高，铅酸电池的单位kW造价最低，锂离子电池和飞轮储能的单位kW造价均处于中等水平；按照设计运行寿命进行折算后，铅酸电池和锂离子电池的单位造价在300~450元/kW·年，造价较高，抽水蓄能和飞轮储能的单位造价在200~300元/kW·年，低于化学电池。

从表2可以看到，飞轮储能的单位kWh造价最高，抽水蓄能的单位kWh造价最低，铅酸电池和锂离子电池的单位kWh造价处于中等水平；按照设计运行寿命进行折算后，轮储能的单位造价约1700元/kWh·年，远高于铅酸电池和锂离子电池，抽水蓄能的单位造价约30元/kW·年，远低于铅酸电池和锂离子电池。

综合分析可知，抽水蓄能机组运行年限长，从功率和容量角度其单位造价都很低；飞轮储能运行年限长，其单位功率的造价水平较低，但单位容量的造价水平还很高；锂离子电池和铅酸电池运行年限短，单位功率造价水平高于抽水蓄能和飞轮储能，但单位容量造价水平显著低于飞轮储能。

因此，目前飞轮储能项目应重点侧重功率型飞轮的建设，充分发挥飞轮储能项目调节速度快、单位功率造价低廉的优势，针对不同的应用场景，可以引入单独飞轮储能的调频项目，也可以引
入飞轮-化学电池联合储能项目，由飞轮承担电网调频任务、化学电池承担调峰任务，实现技术经济最优的电网侧及用户侧储能系统建设方案。

从运维成本角度看，抽水蓄能与飞轮储能结构简单，运行与维护成本低；化学电池因内部结构复杂导致发生故障频率高，后期维护成本高，化学电池需配备专门的空调进行散热，电费支出较大。

从环保角度看，抽水蓄能与飞轮储能全生命周期均不产生污染物，干净环保，飞轮的钢材或复合材料退役后均可再利用，实现了资源的循环使用；化学电池的生产过程及报废处理过程中，大量化学物质易造成环境污染。

从安全性角度看，抽水蓄能与飞轮储能均属于物理储能方式，运行可靠，安全性很高；化学电池中含有大量易燃易爆的化学物质且内部结构复杂，故障率较高，且极易造成火灾等安全事故。

据统计，韩国2018年10月~2019年10月，1年内其境内100多座电化学储能电站发生较大火灾23起，火灾发生率极高；2020年3月，美国亚利桑那州菲尼克斯郊区的电化学储能发生故障冒烟，消防员进入检查时发生爆炸，多人受伤；2018年8月，江苏镇江一化学储能电站电池集装箱起火并烧毁；2019年5月，北京一酒店的用户侧电化学储能项目发生火灾。

频繁发生的火灾事故严重制约了电化学储能行业的发展，2019年，国网公司两次对电化学储能项目紧急叫停。

图17、图18为储能电站火灾现场图片。

图17 韩国灵岩风电场配套4MW/12MWh化学储能电站火灾图18-1 江苏镇江扬中用户侧化学储能电站火灾
图18-2 江苏镇江扬中用户侧化学储能电站火灾
化学电池内部的正负极材料、电解液、隔膜材料、电解质均属于易燃物质，电池频繁充放电过程中释放大量潜热，极易发生火灾且容易发生热失控传播，采用常规灭火装置极易造成电池短路并诱发更大的火灾，需采购专用的绝缘型快速灭火剂，极大增加了消防安全成本。

从使用寿命角度看，抽水蓄能与飞轮储能使用寿命较长，一般都可达到25年以上，复合材料飞轮电池的充放电循环次数可达1000万次以上；化学电池使用寿命较短，一般仅为3~5年，锂离子电池充放电循环次数一般为4000次左右，且随使用时间的增长性能下降很快，化学电池在投运后2~3年充放电能力就降低30%~50%。

从能量转换效率看，抽水蓄能能量转换效率一般在70%左右；飞轮储能因在真空中无损耗，能量转换效率可达到95%以上；化学电池
能量转换效率一般在80%~90%，但随使用时间的增长其能量转换效率会逐步下降。

从充放电速率角度看，抽水蓄能可在分钟级实现频率调整；飞轮储能可在毫秒级实现快速精准充放电响应，调频性能达到300MW火电机组的27倍；化学电池可实现秒级的频率调整，但频繁的快速充放电会极大损害电池性能与寿命，且化学电池存在无法精确响应调度指令的问题，增大了电网的安全风险。

从容量角度看，抽水蓄能建设规模较大，可实现大量能量的存储和释放；飞轮储能单位容量投资高，一般不用来实现大容量的电能存储；化学电池能量密度相对较高且单位容量投资适中，可根据需要灵活进行建设规模的配置。

通过上述综合分析可知，飞轮储能、电化学储能各有优劣，均有各自的应用优势，飞轮储能和电化学储能将处于一种相互补充、共同发展、长期共存的关系，飞轮储能并不能也无必要全面取代电化学储能。

未来，飞轮-化学电池融合储能系统将具备光明的发展前景。