飞轮储能技术在电力储能领域中的应用现状

摘要：国内飞轮储能系统主要在轨道交通（盾石磁能）以及UPS（北京泓慧）等领域实现了应用，在电力系统领域内的应用案例较少。

飞轮储能技术概况

人类对飞轮的认识可以追溯到2000多年前，当时陶工所用的转轮被认为是飞轮最早的应用。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、中国、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100KW-2000kW Clean Source系列UPS飞轮储能系统、Penta dyne公司的65KVA-1000kVA VSS系列UPS飞轮储能系统、Beacon Power公司的25MW Smart Energy Matrix、波音公司Phantom工厂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飞轮储能系统，已经开始应用于电力系统、备用电源、交通工具、航天航空、军工等领域。

国内飞轮研究起步较晚，20世纪80年代国内机构开始关注飞轮储能技术，90年代开始关键技术基础研究，早期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，目前国内也有公司开始运营从事飞轮储能系统的实际应用开发，包括沈阳微控新能源技术有限公司、北京泓慧国际能源技术发展有限公司、北京奇峰聚能科技有限公司、中核集团核工业西南物理研究院、二重德阳储能科技有限公司、盾石磁能科技有限责任公司、上海航天控制技术研究所、贝肯新能源（天津）有限公司、大连亨利科技有限公司等，并且有部分飞轮产品已经投入示范应用，包括在石油钻井行业、轨道交通领域、UPS备用电源等领域。

飞轮储能产品结构及工作原理

飞轮储能系统又称飞轮电池，其基本结构由飞轮转子、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，结构示意图见图1。其中飞轮转子作为飞轮电池的关键部件，一般选用强度高密度相对较小的材料制作而成，根据外形不同可分为圆轮、圆盘或圆柱刚体等类型；轴承是飞轮装置的轴系支承部件，由于磁悬浮支承轴承和组合式轴承可以降低摩擦损耗，提高系统效率而成为了支承技术的研究热点，尤其是组合式轴承结合了机械轴承和磁悬浮轴承的优点，已经引起了飞轮储能系统研究和开发者的广泛关注；电机作为一个集成部件，具有电动机和发电机的功能，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入或输出的电能进行变换控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机各种工作要求的控制；真空室主要作用是为飞轮提供真空环境以降低风阻损耗并在飞轮高速旋转破裂时保护周围人员和设备。


飞轮储能系统是将能量以高速旋转飞轮的转动动能的形式来存储起来的装置。它有三种模式：充电模式、放电模式、保持模式。充电模式即飞轮转子从外界吸收能量,使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来，充电过程飞轮做加速运动，直到达到设定的转速；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能,再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现机械能到电能的转化，此时飞轮将做减速运动，飞轮转速将不断降低，直到达到设定的转速；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。由此，整个飞轮系统实现了能量的输入、输出以及存储。

飞轮储能技术分类

从产品技术上看，根据转子旋转速度、转子材料选择、轴承类型的不同，飞轮储能系统有多种不同的分类方式。其中根据飞轮储能系统中飞轮转子旋转速度的不同，飞轮储能系统分为中低速飞轮储能系统及高速飞轮储能系统两大类；根据飞轮轴系轴承的不同，飞轮分为机械轴承飞轮储能系统、磁悬浮轴承飞轮储能系统和组合式轴承飞轮储能系统等；根据飞轮转子材料的不同，飞轮分为复合材料转子飞论以及金属材料飞轮两大类。

另外还可以根据飞轮应用场景不同，将飞轮储能产品分为能量型飞轮储能技术及功率型飞轮储能技术。

飞轮储能产品开发商及飞轮产品在电力储能领域应用现状

飞轮储能产品开发商

飞轮储能系统先进开发商主要集中在欧美、日本等发达国家，表1列出了美国、西欧以及日本比较著名的飞轮储能系统开发商。



我国自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术，自90年代开始关键技术基础研究，随着飞轮技术的不断成熟，从2010年前后，出现了一些飞轮储能系统商业推广示范应用的技术开发公司，如前文所述，主要包括沈阳微控、北京泓慧国际能源技术发展有限公司、北京奇峰聚能科技有限公司、中核集团核工业西南物理研究院、二重德阳储能科技有限公司、盾石磁能科技有限责任公司、上海航天控制技术研究所、贝肯新能源（天津）有限公司、大连亨利科技有限公司等。

飞轮储能产品在电力储能领域中的应用现状

美国的Beacon Power公司在纽约州史蒂芬镇建设了20 MW飞轮储能项目，该项目既可以为纽约州智能电网进行频率调节，又能将该地区风力发电的过剩电能进行缓存，并在用电高峰期将电力注入电网，该项目是典型的飞轮储能系统在电力系统中的应用案例之一；2011年1月Beacon Power公司在美国纽约的8MW飞轮项目投入运营，标志着飞轮储能开始了在电网的大规模正式商业应用。未来飞轮储能将有可能在电力调频业务中发挥更大的作用。目前飞轮储能在电力系统应用主要项目如下表2所示：


国内飞轮储能系统主要在轨道交通（盾石磁能）以及UPS（北京泓慧）等领域实现了应用，在电力系统领域内的应用案例较少。2018年，由西藏运高新能源股份有限公司开发、投资、建设及运营的60兆瓦运高光伏电站计划引进第一个长达4h的飞轮储能系统电站，主要用于调峰调频和增加新能源消纳，飞轮系统采用美国Amber Kinetics公司产品，阵列容量为0.8MW/3.2MWh，由100个AmberKinetics M32型飞轮系统组成，先期已经完成了16KW/64KWh的验证机组，参与光伏发电调控。

总之飞轮储能作为一项古老的技术，随着多学科优化设计技术、复合材料技术、磁支撑技术和电动机/发电机一体机技术的不断进步，现代飞轮储能系统已经成为一种绿色的能量存储装置，鉴于飞轮储能技术的特性和优点，未来飞轮系统将在电力系统领域，包括可再生能源并网、调频等方向、轨道交通工具、UPS、航天航空等军工领域将发挥重要作用。随着飞轮市场及应用领域的不断扩大，飞轮储能技术为了满足不用应用领域的需求，飞轮储能系统将向高功率密度、高能量密度、低损耗、低成本等方向发展，围绕这几方面，飞轮储能单元关键技术主要有以下几方面发展趋势：（1）电机及其变流器系统将向低成本方向发展；（2）高能量密度转子将向复合材料方向发展；（3）支撑轴承将向磁悬浮及复合轴承方向发展；（4）飞轮储能单机储存能量由十千瓦时向百千瓦时发展；（5）大容量飞轮储能系统将向模块阵列化方向发展。