飛輪儲能的關(guān)鍵技術(shù)分析及研究狀況

　　在眾多儲能技術(shù)中，飛輪儲能系統(tǒng)(flywheelenergystoragesystem，F(xiàn)ESS)以效率高、容量大、響應(yīng)快和對環(huán)境友好等優(yōu)點，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。

　　飛輪儲能系統(tǒng)是由高速飛輪、磁軸承系統(tǒng)、永磁電動/發(fā)電機、能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)以及附加設(shè)備組成，它是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)體作為機械能量儲存的介質(zhì)，利用電動發(fā)電機和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來控制能量的輸入和輸出，達到充電和放電的目的。

　　飛輪儲能系統(tǒng)作為一種逐漸成熟的儲能技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用到包括航空航天、電動汽車、電力等領(lǐng)域，逐步取代化學(xué)電池儲能，成為儲能行業(yè)一支不可忽視的力量。飛輪儲能系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時不會發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，其是純粹的機械運動，對環(huán)境非常友好，因而受到越來越廣泛的關(guān)注。

　　飛輪儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)根據(jù)暫態(tài)運行通常分為充電和放電2部分，其工作原理是當(dāng)外部電能充足時，系統(tǒng)將電能通過飛輪電動機轉(zhuǎn)化為機械能儲存起來；當(dāng)系統(tǒng)外部電能不足時，將飛輪存儲的機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出到外部負(fù)載。

　　作為一種新型的物理儲能方式，飛輪儲能與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比，具備有以下優(yōu)點：

　　1）充放電迅速。從收到電網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)信號到飛輪儲能系統(tǒng)做出反應(yīng)，時間極短，并且在之后數(shù)分鐘時間內(nèi)能夠完成整個系統(tǒng)的充/放電過程，符合電網(wǎng)的短時響應(yīng)與調(diào)節(jié)需求，相比于蓄電池、抽水蓄能、壓縮空氣等，具有較快的充/放電時間。

　　2）工作效率高。一般的飛輪儲能系統(tǒng)工作效率可以達到90%左右，相比于抽水蓄能的60%以及蓄電池儲能的70%，具有明顯的優(yōu)勢，而且采用磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)，其工作效率更高，接近95%。

　　3）使用壽命長。飛輪儲能系統(tǒng)雖價格昂貴，但是設(shè)計良好，其年平均維護費用極低，充放電次數(shù)明顯優(yōu)于蓄電池儲能等，其達到了百萬數(shù)量級，且一般免維護的時間是在10a以上。

　　4）環(huán)保無污染。由于機械儲能的緣故，飛輪儲能不會排放出污染環(huán)境的物質(zhì)，其是一種環(huán)境友好型的綠色儲能技術(shù)。此外，飛輪儲能系統(tǒng)還具有模塊性、建設(shè)時間短、事故后果影響低等優(yōu)點。


　　飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用主要集中在儲能和峰值動力使用2大類，具體應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾方面：

　　1）UPS不間斷電源。不間斷電源(UPS)是一種利用儲能裝置向負(fù)載提供高質(zhì)量電能的設(shè)備，在醫(yī)療設(shè)備、通信、計算機系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前UPS逐漸傾向于使用飛輪儲能裝置等新型儲能設(shè)備，既減少了環(huán)境污染，延長了使用壽命，同時也提高了工作效率。文獻[1]對傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)進行了改進，采用飛輪儲能技術(shù)替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池，并且研究了旋轉(zhuǎn)下飛輪儲能系統(tǒng)充、放電控制策略，優(yōu)化了飛輪充電曲線，改進了智能控制算法；文獻[17]搭建了用飛輪儲能系統(tǒng)作為后備電源的新型UPS系統(tǒng)，并進行監(jiān)測和分析，驗證了其可行性，同時給出了相應(yīng)的國內(nèi)推廣建議。

　　2）節(jié)能。能源利用率一直是我們比較關(guān)注的話題，節(jié)能已經(jīng)得到廣泛的共識。傳統(tǒng)的機械裝置，進行機械制動后能量被轉(zhuǎn)化為熱能而流失，造成了一定程度上的浪費，降低了能源的使用效率。因此，通過飛輪儲能裝置把這部分能量轉(zhuǎn)化為動能存儲起來，在需要的時候，輸出到系統(tǒng)中，可以減少能量損失，提高能量的利用率，目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域集中在新能源汽車和城市軌道交通等方面。

　　飛輪儲能系統(tǒng)可以單獨或與其他動力裝置一起混合用于電動汽車上，能夠改善電動汽車的經(jīng)濟性和動力性，間接減少尾氣排放和對環(huán)境的污染程度。城市軌道交通由于定點停車，不斷地處于啟動停靠狀態(tài)，因此，電能轉(zhuǎn)換而來的機械能處于持續(xù)不斷的浪費中。采用飛輪儲能裝置，依靠動能回收系統(tǒng)(KERS)進行能量回收與釋放，相對于使用鋰電池，飛輪儲能系統(tǒng)效果更優(yōu)。

　　3）傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，其能夠較好地調(diào)節(jié)有功功率，削峰填谷，增大功率因數(shù)，穩(wěn)定電壓和頻率，并對改善電能質(zhì)量和穩(wěn)定負(fù)荷具有良好的作用。暫態(tài)穩(wěn)定性問題一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和分析的重點，依靠飛輪儲能的瞬時功率大、響應(yīng)迅速、充放電完成時間短等特點，投入到電力系統(tǒng)中，能夠快速主動地參與電力系統(tǒng)動態(tài)過程，消除擾動并縮短暫態(tài)過程，盡量避免了電壓崩潰、低頻振蕩等危險狀況的出現(xiàn)，為電力系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定運行起到了積極作用。

　　2002年，日本Kansai電力公司將飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用于3.3kV電力系統(tǒng)中，用于改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性，其效果顯著。文獻[21]應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)補償阻尼系統(tǒng)的低頻振蕩，從佳安裝地點、參數(shù)整定策略角度分析，仿真結(jié)果驗證了飛輪儲能系統(tǒng)在抑制低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的能力。

　　飛輪儲能裝置和電機結(jié)合在一起，離不開電機的輔助，因此電機的選擇與控制將直接影響到飛輪儲能裝置。文獻[22]提出永磁無刷直流電機回饋制動新6拍脈寬調(diào)制方式，并將其應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)，在改善相電流波形，減小無刷直流電機在高速發(fā)電機狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩脈動起到了一定作用。

　　4）微網(wǎng)。目前，微網(wǎng)(Microgrid)作為一個小型發(fā)配電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自我監(jiān)控、自我調(diào)節(jié)，既可以并網(wǎng)運行，也能獨立運行。因此，相對于傳統(tǒng)大電網(wǎng)而言，微網(wǎng)由于分布式電源多、位置靈活、分散等特點，需要有儲能系統(tǒng)的支撐做保障。

　　在微網(wǎng)能量充足時，飛輪儲能系統(tǒng)將多余的能量存儲起來，穩(wěn)定端電壓；當(dāng)微網(wǎng)發(fā)生故障，或出現(xiàn)功率性缺額現(xiàn)象時，將存儲的能量釋放出去，增強了局部供電可靠性，維持了微網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。

　　文獻[23]將飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于微網(wǎng)，作為微網(wǎng)的儲能元件，提出了并網(wǎng)時的控制策略，在主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，起備用電源作用，支撐了微網(wǎng)的可靠性；在微網(wǎng)和主網(wǎng)絡(luò)正常時段，可以改善電能質(zhì)量，削峰填谷。

　　文獻[24]在微網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用柴油發(fā)電機和飛輪儲能系統(tǒng)，柴油發(fā)電機可以提供強大的功率支撐，穩(wěn)定負(fù)荷，飛輪儲能系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)負(fù)荷波動、削峰填谷2者結(jié)合，并采取適當(dāng)?shù)目刂品绞?，仿真實驗證明了混合系統(tǒng)在微網(wǎng)系統(tǒng)中的有效性和經(jīng)濟性。

　　5）可再生能源的并網(wǎng)。飛輪儲能技術(shù)的一個關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域是可再生能源的并網(wǎng)。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源因為清潔、巨量、可再生等優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注。但是由于風(fēng)光等可再生能源自身的間歇性和波動性，并網(wǎng)后增大了電網(wǎng)的沖擊，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成了一定的影響。而飛輪儲能系統(tǒng)作為一個可靈活調(diào)控的有功源，能穩(wěn)定并網(wǎng)頻率和電壓，減小可再生能源的波動性，削峰填谷，降低對電網(wǎng)的沖擊，有效地改善可再生能源并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題，確保安全性和可靠性。

　　文獻[26-27]提出了風(fēng)力發(fā)電結(jié)合的飛輪儲能系統(tǒng)，綜合了頻率和功率的調(diào)節(jié)與控制，根據(jù)實際風(fēng)速，仿真得出平穩(wěn)輸出功率，實現(xiàn)電網(wǎng)頻率控制；文獻[28]的研究對象是永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，分析了當(dāng)前控制方法下，把飛輪儲能系統(tǒng)安裝在直流端側(cè)，研究有功功率的平滑輸出，設(shè)計了相應(yīng)的飛輪儲能系統(tǒng)能量控制策略，并給出了平滑功率值的計算方法；文獻[29]創(chuàng)新性地將廣義動量概念應(yīng)用于可再生能源，提出了能量補償?shù)男驴刂品椒?。該控制從調(diào)節(jié)飛輪儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出發(fā)，對可再生發(fā)電的動量進行計算，并對電網(wǎng)系統(tǒng)進行可靠的監(jiān)視與能量補償。