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

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