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。

传统电网的运行时刻处于发电与负荷之间的动态平衡状态，也就是通常所说的“即发即用”状态。

因此，电网的规划、运行和控制等都基于“供需平衡”的原则进行，即所发出的电力必须即时传输，用电和发电也必须实时平衡。

这种规划和建设思路随着经济和社会的发展越来越显现出缺陷和不足，电网的调度、控制、管理也因此变得日益困难和复杂［1］。

由于电网中的高峰负荷不断增加，电网公司必须不断投资输配电设备以满足尖峰负荷容量的需求，导致系统的整体负荷率偏低，结果使电力资产的综合利用率很低。

为解决这些问题，传统电网急需进一步升级甚至变革。

先进高效的大规模储能技术为传统电网的升级改造乃至变革提供了全新的思路和有效的技术手段。

在大容量、高性能、规模化储能技术应用之后，电力将成为可以储存的商品，这将给电力系统运行所必须遵行的发电、输电、配电、用电同时完成的概念以及基于这一概念的运行管理模式带来根本性变化。

储能技术把发电与用电从时间和空间上分隔开来，发出的电力不再需要即时传输，用电和发电也不再需要实时平衡，这将促进电网的结构形态、规划设计、调度管理、运行控制以及使用方式等发生根本性变革［2-4］。

储能技术的应用将贯穿于电力系统发电、输电、配电、用电的各个环节，可以缓解高峰负荷供电需求，提高现有电网设备的利用率和电网的运行效率；可以有效应对电网故障的发生，可以提高电能质量和用电效率，满足经济
社会发展对优质、安全、可靠供电和高效用电的要求；储能系统的规模化应用还将有效延缓和减少电源和电网建设，提高电网的整体资产利用率，彻底改变现有电力系统的建设模式，促进其从外延扩张型向内涵增效型的转变［3］。

2 储能技术的分类
根据能量类型的不同，储能技术基本可分为四大类别，包括基础燃料的存储（如煤、石油、天然气等）、中级燃料的存储（如氢气、煤气、太阳能燃料等）、电能的存储和后消费能量的存储（相变储能等）。

本文重点分析电能存储技术，按照所存储能量的形式，可大致分为物理储能和化学储能，物理储能又可以分为机械储能和电磁场储能。

由于储能技术具有极高的战略地位，世界各国一直都在不断支持储能技术的研究和应用。

日本NEDO（New Energy and Industrial Technology Development Organization）于2009年针对各种电池储能技术进行了详细的发展路线规划，其中尤其关注锂离子电池、钠硫电池以及新型电池等技术的发展；美国能源部也于2010年底围绕各种新型与先进电池的发展与应用发布了相关技术报告，未来20年将重点关注超级铅酸与先进铅酸电池、锂离子电池、硫基电池、液流电池、功率型储能电池以及金属空气电池、先进压缩空气储能技术等研究方向。

3飞轮储能技术
3.1技术原理
飞轮储能是将能量以飞轮的转动动能的形式来存储。

充电时，飞轮由电机带动飞速旋转；放电时，相同的电机作为发电机由旋转的飞轮产生电能。

储存在飞轮中的能量与飞轮（以飞轮转轴作为其转动惯量的参考轴）的质量和旋转速度的平方成正比。

可见，虽然可以通过提高飞轮总质量来达到更大的储能量，更为有效的方法是提高飞轮的转速。

飞轮储能具有储能密度较高（30Wh/kg和1kW/kg）、充放电次数与充放电深度无关、能量转换效率高（可达90%）、可靠性高、易维护、使用环境条件要求低、无污染等优点。

图1为一个典型的飞轮储存装置。

该装置包括高速旋转的飞轮；封闭的壳体提供了一个高真空环境（~大气压力）以减少阻力损失，并保护转子系统；轴承系统为转子提供低损耗支撑；以及电源转换和控制系统。

3.2 飞轮储能技术的特点
飞轮储能技术运行于真空度较高的环境中，优势是技术成熟度高、没有摩擦损耗、风阻小、高功率密度、长寿命、瞬时功率大、效率高、响应速度快、安全性能好、不受地理环境限制、充放电次数无限以及无污染等特性，几乎不需要维护，适用于电网调频和电能质量保障，是目前最有发展前途的储能技术之一。

缺点是飞轮储能的能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。

保证系统安全性方面的费用很高，噪音大。

在小型场合还无法体现其优势，主要应用于为蓄电池系统做补充。

3.3 应用现状
进入20世纪90年代以后，飞轮储能受到了广泛的重视，并得到了快速发展，已经出现了很多高性能的产品。

美国、日本、法国、英国、德国、荷兰、俄罗斯、西班牙、韩国、印度、瑞士、加拿大和意大利等国都在进行研究和开发工作。

其中美国投资最多，规模最大，进展最快。

美国Active Power公司的100~2000kW Clean Source系列UPS、Pentadyne公司的65~1000kVA VSS系列UPS、Beacon Power公司的25MW Smart Energy Matrix，波音公司Phantom工厂的采用高温超导磁浮轴承的100kW/5kWh飞轮储能装置，以及SatCon Technology公司的315～2200kVA系列Rotary UPS，已经开始应用于电力系统稳定控制、电力质量改善和电力调峰等领域。

美国的Viata Tech Engineering公司也将飞轮引入到风力发电系统，实现全频调峰，飞轮机组的发电功率为300kW。

我国在飞轮的研究上起步较早，对轴承和转子等关键技术的研究做出了一些成果和贡献。

自20 世纪80年代开始关注飞轮储能技术，自90年代开始了关键技术基础研究。

从事飞轮储能技术研发的单位有：北京飞轮储能（柔性）研究所、核工业理化工程研究院、中科院电工研究所、清华大学、华北电力大学、北京航空航天大学、中科院长春光学精密机械与物理研究所等。

中国科学院电工研究所较早开展飞轮储能技术研发，开展了电磁浮轴承和超导磁浮轴承的理论研究与样机试制。

目前已经设计并实现了基于钢转子和机械轴承的飞轮储能装置并应用于微型电网稳定控制和电能质量改善，其功率为10kW，可利用储能量为100Wh，转子运行于4000~8000r/min转速区间。

清华大学从1995年开始相关研究，1997年300Wh飞轮储能样机首次实现充放电，支承在永磁-微型螺旋槽轴承上的复合材料飞轮转速高达43800r/min。

华北电力大学同期也建立了试验装置，研制的刚质飞轮极限转速10000r/min，也采用了低损耗的永磁-流体动压混合支承。

北京航空航天大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所近年来开展飞轮储能电源的航天应用研究。

北航的飞轮实验装置可用电能为13Wh，转换效率达到83%，实验输出功率100W，最大输出功率可达200W左右。

2001年，核工业理化工程研究院研究设计了一种汽车用飞轮储能装置，用于燃料电池电动汽车的辅助电源。

北京飞轮储能（柔性）研究所设计了XD-001型飞轮储能装置模拟机，飞轮材料为玻璃纤维复合材料，实验转速为30000r/min，储能量为570Wh，发电电压达到140V。

总体上我国在飞轮的研究与应用上与国际先进水平相比差距较大，尤其是电力储能用飞轮，目前大部分停留在小容量的原理验证，还没有成熟的装置和产品。

3.4 发展趋势
飞轮储能的主要发展趋势包括先进复合材料以提高能量密度、高速高效电机以提高功
率密度和效率、磁悬浮等高承载力、微损耗轴
承技术，以及飞轮阵列技术。

4 飞轮储能技术在电力系统中的应用4.1 飞轮储能系统在电力系统调峰中的应用
我国电力系统已进入大机组大电网时代,
主力机组单机容量达20～60 万kW。

大容量机
组受热惯性的制约, 冷状态启动时间长, 在
低负荷下运行不仅燃烧不稳, 热效率显著降
低, 且容易产生振动, 这些是用火电机组调
峰的困难。

有调节水库的水电站调峰能力很强,
但不是每个系统的水电站都拥有调节水库。

如
让径流式水电站参加调峰就要引起弃水, 实
不可取。

为了满足调峰的要求, 除了对火电机
组进行技术改造外, 还开发了多种以调峰为
主要目标的技术, 其中抽水蓄能电站的技术
已经成熟, 并得到实际应用。

正在研究的有超
导储能技术、压缩空气储能技术、蓄电池储能
技术、电容器储能技术、飞轮储能技术等。

超
导储能技术很有吸引力, 但近期难以取得突破性进展, 飞轮储能技术被认为是近期最有希望和最有竞争能力的新型调峰技术, 受到国内外的重视。

飞轮储能技术是在电网负荷处于低谷时, 机组作为电动机拖动飞轮, 把电能转换为动能, 在用电高峰时, 飞轮拖动机组作为发电机把动能转化为电能。

飞轮储能系统的运行是典型的周期性运行, 系统的寿命期望达10 年以上。

它可以放置在户外的地下, 减小了对用户可用空间的需求。

和抽水蓄能相比, 飞轮储能具有很多优点, 二者的比较情况如表2 所示。

从表中可看出, 飞轮储能机组比抽水蓄能电站明显优越, 尤其在我国北方缺乏水利资源地区, 建设飞轮储能调峰电源应是首选方案。

预期在2000 年以前单机容量1MW、储能5MW. h 的飞轮储能机组将在电网中投入运行。

4.2 飞轮储能系统对电力系统稳定性的影响
飞轮储能机组在电网中投入运行后, 可以有效地调节电力系统负荷水平, 同时可使电力系统的静态稳定和暂态稳定水平有较大的提高。

飞轮储能机组还可作为可调无功电源和事故备用电源, 有效地提高了系统的电压水平和供电可靠性。

图2 为应用我们编制的面向对象式电力系统稳定影响的情况。

最大运行方式下, 无飞轮储能机组时的电压分布如图3 所示。

最大运行方式下, 仅A 节点有飞轮储能机组调节时的电压分布如图4 所示。

由以上可以看出, 最大运行方式下A 节点有飞轮储能机组调节时, A 节点以及其它负荷节点的电压幅值增大, 角度减小, 有效地提高了系统的电压水平和静态稳定水平。

4.3 关键技术
目前飞轮储能技术主要有两大分支，第一个分支是以接触式机械轴承为代表的大容量飞轮储能技术，其主要特点是储存动能、释放功率大，一般用于短时大功率放电和电力调峰场合。

第二个分支是以磁悬浮轴承为代表的中小容量飞轮储能技术，其主要特点是结构紧凑、效率更高，一般用作飞轮电池、不间断电源等。

为提高飞轮的转速和降低飞轮旋转时的损耗，飞轮储能的关键技术包括高强度复合材料技术、高速低损耗轴承技术、高速高效发电/电动机技术、飞轮储能并网功率调节技术、真空技术等。

4.4 国外对飞轮储能技术在电力系统中的研究现状
1999年欧洲Urenc Power公司利用高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞轮，转速为42 000 rad／min，2001年1月系统投入运行，充当UPS，储能量达到18 MJ。

美国波音公司Phantom工厂研制的高温超导磁浮轴承100 kW ／5 kWh飞轮储能装置，已用于电能质量控制和电力调峰。

部分飞轮储能装置在电力系统中的应用情况见表1。

表1一飞轮储能装置在电力系统中应用项目Tab．1 Some kinetic energy storage systems installed in power system
美国能源部与州立爱迪生电力公司、阿贡国家试验室合作, 并组织有关单位进行高温超导磁悬浮轴承飞轮储能系统的研究开发。

已进行了大量的高温超导磁悬浮轴承的试验研究。

轴承摩擦系数已达到了3×10- 7的世界记录。

1 994 年研制了飞轮直径达15in( lin= 0. 254 m) , 重量为25 lb( 1lb= 0. 454 kg, ) 极限储能容量为2～5 kW. h 的高lb 温超导飞轮储能系统。

在此基础上准备以每年增大一个数量级的步伐加速开发, 1997 年将进行1MW. h 单元研制。

美国的休斯敦大学, 也进行了高温超导磁悬浮轴承飞轮储能的研究, 已研制了19kg 重的飞轮系统以进行试验研究。

日本已投资3500 万美元进行高温超导磁悬浮轴承飞轮储能研究, 由三菱、日立、精工等公司和多个研究所、高校组成3 个研究组合作承担。

已研制出3 种试验模型机, 并进行了储能8MW. h 容量1000kW的飞轮储能机组的概念设计。

欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。

5 结语
本文研究了飞轮储能技术在电力系统调峰和电力系统稳定性中的应用，飞轮储能机组对电力系统可以起到削峰填谷的作用，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。

随着超导技术的发展和高强度复合材料的出现以及电力电子技术的新进展, 开发飞轮储能技术已经成为可能。

从经济和技术角度看, 飞轮储能机组作为一种重要的调峰手段分散接入电网是可行的。

由于飞轮机组运行控制的灵活性, 可使电力系统的运行可靠性和稳定性得到提高。

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Understanding of the interactive features of the smart grid
(Sichuan University Chengdu 610065，China)
Abstract:This paper analyzes the status and role of energy storage technologies in power system development and change, a broad overview of the four major categories of energy storage technology. Described in detail the basic principles of the flywheel energy storage technology, technical characteristics, development status, the main problems and the need to break through key technologies such as a more comprehensive overview. The necessity and feasibility of flywheel energy storage technology for power system peaking were analyzed and compared and mature technology Pumped Storage Power Station. A power system static stability flow calculation results show that the flywheel energy storage units can improve the static stability of the power system, but also to improve power system transient stability and reliability of power supply.
Key words: Power systems; energy storage; flywheel energy storage; peaking; system stability。