王巍，高原，姜曉弋

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飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

王巍1，高原2，姜曉弋3

（1. 海軍92557部隊(duì)，廣州 510720；2. 海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，葫蘆島 125004；3. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

隨著綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用引起了研究者的高度重視。本文首先分析了飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)，然后闡述了當(dāng)前飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展概況，最后介紹了飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用情況。

綜合電力系統(tǒng) 飛輪儲(chǔ)能 特點(diǎn) 發(fā)展 應(yīng)用

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，簡(jiǎn)稱IPS）是一種新型的動(dòng)力系統(tǒng)，是將艦船原動(dòng)機(jī)能量完全轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)提供推進(jìn)用電、高能耗用電和全船其它負(fù)載用電的電能綜合利用與統(tǒng)一管理系統(tǒng)[1]。與傳統(tǒng)意義上的電力系統(tǒng)相比，艦船綜合電力系統(tǒng)能夠優(yōu)化總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整合艦船動(dòng)力平臺(tái)，簡(jiǎn)化動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高艦船作戰(zhàn)能力，提升武備系統(tǒng)性能，支撐艦船高能武器，代表了未來(lái)艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。但是，IPS是一個(gè)典型的剛性高階非線性獨(dú)立供電系統(tǒng)，電能由艦船電站發(fā)出并配送至全船，供電距離短，系統(tǒng)耦合性強(qiáng)，在系統(tǒng)內(nèi)任何一處發(fā)生擾動(dòng)都將影響到全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。隨著現(xiàn)代艦船電氣化程度的不斷提高，各種新技術(shù)設(shè)備的不斷裝備，艦船電力系統(tǒng)容量不斷增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題更加突出。全電力推進(jìn)中推進(jìn)電機(jī)的容量基本可以跟發(fā)電機(jī)容量相比，電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速過(guò)程會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊；艦船的導(dǎo)航、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制設(shè)備需要高品質(zhì)的供電；脈沖功率等新概念武器需要瞬時(shí)吸收和釋放大能量。

系統(tǒng)功率失衡是造成電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的主要原因，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓和功率進(jìn)行補(bǔ)償，以改善電能質(zhì)量、維持系統(tǒng)穩(wěn)定，則是滿足上述各種需求、將各種不利影響最小化的有效途徑，以美國(guó)為代表的世界各強(qiáng)國(guó)海軍均在此方面進(jìn)行了探索研究。

1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展概況

早在20世紀(jì)中葉就有人提出飛輪儲(chǔ)能器的設(shè)想，但由于當(dāng)時(shí)的飛輪材料和軸承問(wèn)題沒(méi)有得到解決而一直停滯不前。直到20世紀(jì)90年代，由于以下三方面的突破，才給飛輪儲(chǔ)能帶來(lái)了新的活力：一是高強(qiáng)度碳素纖維和玻璃纖維的出現(xiàn)，飛輪允許線速度可達(dá)500~1000 m/s，大大增加了單位質(zhì)量的動(dòng)能儲(chǔ)量；二是電力電子技術(shù)的新進(jìn)展，給飛輪電機(jī)與系統(tǒng)的能量交換提供了靈活的橋梁；三是電磁懸浮超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的發(fā)展，配合真空技術(shù)，極大程度地降低了機(jī)械摩擦與風(fēng)力損耗[2]。

一套典型的飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由飛輪、電機(jī)、變流器組成。

1.1 飛輪

飛輪固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的最主要儲(chǔ)能部分，儲(chǔ)存在其中的動(dòng)能

式中，為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度。由式（1）可知，為了增加飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)能量，一般可以采用兩類方法，一類是增大飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但是這樣會(huì)帶來(lái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題，另一類是提高飛輪的轉(zhuǎn)速，但是必須考慮飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)所能承受的最大離心應(yīng)力。對(duì)于結(jié)構(gòu)和形狀一定的飛輪，儲(chǔ)能密度正比于材料的比強(qiáng)度（許用應(yīng)力與密度之比），因此現(xiàn)代飛輪一般采用強(qiáng)度高、密度小的纖維復(fù)合材料。金屬材料飛輪外緣線速度可達(dá)300~500 m/s，高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料允許線速度達(dá)到600~1200 m/s。進(jìn)行這方面研究的機(jī)構(gòu)或公司包括：美國(guó)Lawerence Livermore National Laboratory、美國(guó)Trinity Flywheel公司、美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司、美國(guó)Argonne National Laboratory、美國(guó)馬里蘭大學(xué)、美國(guó)休斯頓大學(xué)的德克薩斯超導(dǎo)中心、美國(guó)Satcon技術(shù)公司、伊朗Shiraz大學(xué)機(jī)械工程系等，德國(guó)、波蘭等國(guó)也開(kāi)展了這方面的研究工作[2-4]。

1.2 電機(jī)系統(tǒng)

電機(jī)系統(tǒng)包括電機(jī)本體和軸承兩大部分。

飛輪儲(chǔ)能裝置中的電機(jī)需要有較大的轉(zhuǎn)矩和輸出功率、較長(zhǎng)的穩(wěn)定使用壽命、低空載損耗和高能量轉(zhuǎn)換效率，并且需適應(yīng)大范圍的速度變化。在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電機(jī)可工作在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩種狀態(tài)。在充電時(shí)，它作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速，當(dāng)放電時(shí)，則作為發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電，此時(shí)飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降，而當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)裝置以最小損耗運(yùn)行。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速高，運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍大，散熱條件差，電機(jī)的工作性能要求非常高。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低功耗的思想出發(fā)，現(xiàn)在常用的電機(jī)有永磁無(wú)刷電機(jī)、三相無(wú)刷直流電機(jī)、磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及降低功耗出發(fā)，國(guó)外研究單位一般均采用永磁無(wú)刷同步電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)。電機(jī)功耗還取決于電樞電阻、渦流電流和磁滯損耗，因此無(wú)鐵靜子獲得廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)子選用釹鐵硼永磁磁鐵。馬里蘭大學(xué)、美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及美國(guó)Indigo能源公司等均在這方面有所研究[2,5]。

在電機(jī)支承方面，目前一般有有機(jī)械支撐和磁懸浮兩種基本方式，而磁懸浮又可分為永磁懸浮、電磁懸浮、超導(dǎo)磁懸浮等。普通的機(jī)械軸承會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑、散熱、磨損等問(wèn)題題，消耗飛輪所儲(chǔ)存的能量，縮短儲(chǔ)能時(shí)間，降低儲(chǔ)能效率，所以使用非接觸軸承是首選。采用這類支承方式的飛輪一般用于快速充放電系統(tǒng)，如美國(guó)Kaman電磁公司研制的電磁炮、電化學(xué)炮，要求在幾個(gè)毫秒時(shí)間產(chǎn)出200 kA的放電，以滿足負(fù)載的需要。現(xiàn)在磁懸浮軸承技術(shù)已經(jīng)很成熟，能夠在徑向和軸向上對(duì)軸定位，配合真空技術(shù)，能夠以接近于無(wú)摩擦的狀態(tài)承載電機(jī)，是飛輪的理想軸承[4,5]。

1.3 變流系統(tǒng)

變流器一般采用IGBT進(jìn)行PWM控制，設(shè)計(jì)為能量可回饋的雙向變換器，在額定工作點(diǎn)附近能夠達(dá)到90%以上的轉(zhuǎn)換效率，但是輕載時(shí)效率會(huì)降低。儲(chǔ)能電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量而增速時(shí)，變流器作逆變器運(yùn)行；電機(jī)向電網(wǎng)釋放能量而減速時(shí)，以逆變電路的續(xù)流二極管為能量回饋的回路，變流器作整流器運(yùn)行。控制模塊監(jiān)控飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)電壓以及系統(tǒng)潮流，根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定合適的控制策略，向變流器發(fā)出控制信號(hào)，使電機(jī)工作在儲(chǔ)能狀態(tài)、釋能狀態(tài)或保持狀態(tài)。

文獻(xiàn)[6]針對(duì)電動(dòng)汽車制動(dòng)過(guò)程中的能量損耗問(wèn)題，采用AC-DC-AC的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車交流電網(wǎng)、直流母線和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量傳遞。文獻(xiàn)[7]則研究了基于AC-DC-AC兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的飛輪儲(chǔ)能電池UPS系統(tǒng)。這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于交流電網(wǎng)，無(wú)法應(yīng)用于直流電制IPS中。

文獻(xiàn)[8]采用AC-DC的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直流母線和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量傳遞，并在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的DC側(cè)和直流母線之間增加了Boost-Buck斬波環(huán)節(jié)，以穩(wěn)定DC輸出電壓。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]則是在本質(zhì)上采用了AC-DC分別加Buck斬波和Boost斬波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于直流電網(wǎng)，但由于在基本AC-DC變流基礎(chǔ)上增加了斬波器，體積和重量均有所增加，對(duì)于IPS而言，艦船（特別是潛艇和小型水面艦艇）的空間和噸位都非常有限，因此需要研究更為輕便的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[11]將DVR應(yīng)用于艦船輻射狀供電網(wǎng)絡(luò)，采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向SVPWM對(duì)飛輪儲(chǔ)能電機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)關(guān)鍵負(fù)載進(jìn)行了電壓跌落補(bǔ)償，其研究得到了美國(guó)海軍的支持。文獻(xiàn)所涉及的DVR多用于AC-DC-AC拓?fù)洌刂屏烤窒抻诮涣鱾?cè)，但是其研究思路對(duì)綜合電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)具有參考價(jià)值。

目前，馬里蘭大學(xué)已開(kāi)發(fā)出“敏捷微處理器電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”。在電動(dòng)模塊時(shí)，“敏捷微處理器電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”功能為電動(dòng)機(jī)控制器，而發(fā)電模塊時(shí)，其功能為交流轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)全部為固定部件，由固態(tài)開(kāi)關(guān)、濾波器、控制電路及二極管組成，屬共振轉(zhuǎn)換器。美國(guó)Beacon Power公司采用脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉(zhuǎn)換。飛輪系統(tǒng)具有穩(wěn)速、恒壓功能，此功能是運(yùn)用一個(gè)專利算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而不需要指定的主動(dòng)或從動(dòng)元件[12]。

2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能因其效率高、建設(shè)周期短、壽命長(zhǎng)、高儲(chǔ)能、充放快捷、充放電次數(shù)無(wú)限以及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛，自Beacon電力成功將大規(guī)模飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能領(lǐng)域后，飛輪儲(chǔ)能贏得儲(chǔ)能業(yè)界更高關(guān)注。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在許多領(lǐng)域都已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，特別是在美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，主要體現(xiàn)在以下方面[2-5], [13-15]。

2.1 不間斷電源（UPS）

UPS不間斷電源是一種利用市電或蓄電池能源向負(fù)載提供高質(zhì)量交流電源的設(shè)備。飛輪儲(chǔ)能裝置正在逐步取代UPS中的化學(xué)蓄電池，特別是用在通信行業(yè)的UPS中，由于很多工作在戶外，工作環(huán)境差，一般的化學(xué)蓄電池不能適應(yīng)，而飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)環(huán)境無(wú)要求，工作適應(yīng)能力較強(qiáng)。

美國(guó)Active Power公司主要生產(chǎn)作為不間斷電源（UPS）的飛輪電池系統(tǒng)來(lái)取代傳統(tǒng)的鉛-酸電池，以適應(yīng)當(dāng)今高品質(zhì)電力的要求。美國(guó)Vista公司將飛輪引入到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全程調(diào)峰，飛輪機(jī)組的發(fā)電功率為300 kW，大容量?jī)?chǔ)能飛輪的儲(chǔ)能為277 kWh。加拿大CANMET能源研究中心開(kāi)發(fā)用于UPS的飛輪電池，功率1500 W，能量1100 Wh，重量65 kg，轉(zhuǎn)速15000~45000 r/min。

2.2 飛輪電池

隨著電動(dòng)機(jī)車的發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能裝置已經(jīng)開(kāi)始使用在混合電動(dòng)汽車中。汽車制動(dòng)過(guò)程中，將制動(dòng)能耗通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)，成為再生能源，當(dāng)汽車需大功率工作時(shí)，飛輪再通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)能釋放以供系統(tǒng)使用。這種用途也有的用在火車和軍用電池坦克上。

Texas大學(xué)和Texas能源貯備局等聯(lián)合組成的Texas電動(dòng)汽車計(jì)劃研究出可以存貯2kWh能量、功率達(dá)100 - 150 kW的飛輪電池，主要用于電動(dòng)汽車，在軍事上用于戰(zhàn)斗車輛、電磁炮、電磁懸?。ㄔ诟邫C(jī)動(dòng)多用途輪式車和Ml坦克上已用）、電磁干涉，其運(yùn)行時(shí)的損耗只有1%。AFS公司和美國(guó)Honeywell公司的飛輪電池已經(jīng)被安裝在德國(guó)的BMW汽車做實(shí)驗(yàn)。ARPA也在進(jìn)行電動(dòng)汽車的研究和開(kāi)發(fā)，包括Mll3軍用人員運(yùn)輸車、Bradley步兵戰(zhàn)斗車、高機(jī)動(dòng)多用途輪式車、M939AI貨運(yùn)卡車、電動(dòng)航空器等。

2.3 航空航天

飛輪儲(chǔ)能裝置也應(yīng)用在航天飛機(jī)和低軌道運(yùn)行衛(wèi)星之中。美國(guó)的Satcon技術(shù)公司、NASA Leqis研究中心、馬里蘭大學(xué)都已開(kāi)發(fā)了衛(wèi)星姿態(tài)控制用飛輪系統(tǒng)，NASA已做過(guò)太空運(yùn)行試驗(yàn)。前蘇聯(lián)已成功地將磁懸浮飛輪應(yīng)用到空間站姿態(tài)控制中。Hytech設(shè)計(jì)的Kinmo飛輪電池能在60000r/min的轉(zhuǎn)速下可靠運(yùn)行，經(jīng)過(guò)90000次充、放電后性能不下降，被Boing公司核準(zhǔn)作為NASA“十年空間站計(jì)劃”的電池供應(yīng)者，美國(guó)陸軍工程部已經(jīng)訂購(gòu)了7套用于John H Kerr水電站。

2.4 電網(wǎng)電站

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在陸用電網(wǎng)中，其主要作用是電力系統(tǒng)峰值調(diào)節(jié)。由于飛輪儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)能夠可在任意時(shí)間間隔、以任意規(guī)模方便地進(jìn)行能量存儲(chǔ)與釋放，可以就近分散放置，且零排放、低噪聲，適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的要求，因而被認(rèn)為是近期最有希望和最有競(jìng)爭(zhēng)力的新型調(diào)峰技術(shù)。另外，由于它的充放功率可以很大，并聯(lián)或串聯(lián)在電網(wǎng)中也能起到改變系統(tǒng)阻尼、增加電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。

美國(guó)的馬德蘭大學(xué)已于1991年開(kāi)發(fā)出了用于電力調(diào)峰的24 kWh電磁懸浮飛輪系統(tǒng),飛輪重172.8 kg,工作轉(zhuǎn)速范圍11610r/min~46345 r/min，破壞轉(zhuǎn)速為48784 r/min，系統(tǒng)輸出恒壓110 V/240 V，全程效率為81%。德國(guó)在1996年著手研究?jī)?chǔ)能5 MWh/100 MWh的超導(dǎo)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪電站，電站由10只飛輪模塊組成，系統(tǒng)效率96%。日本沖繩電力公司開(kāi)發(fā)了210 MJ的慣性儲(chǔ)能系統(tǒng)，以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。2011年7月12日，美國(guó)Bescon Power公司在紐約Stephen鎮(zhèn)建設(shè)的世界上第一個(gè)20 MW大規(guī)模飛輪儲(chǔ)能儲(chǔ)能項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)正式投運(yùn)。

飛輪儲(chǔ)能還適合應(yīng)用到太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等系統(tǒng)中。在風(fēng)力發(fā)電特別是分布式風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)速的變化會(huì)使原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率發(fā)生變化，引起發(fā)電機(jī)輸出功率波動(dòng)，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能裝置，可以在風(fēng)速較高時(shí)儲(chǔ)存部分能量，在風(fēng)速較低時(shí)補(bǔ)償發(fā)電機(jī)輸出電壓功率，提高電源輸出品質(zhì)，同時(shí)增加分布式發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的可靠性。另外，在太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)光、風(fēng)力發(fā)電無(wú)風(fēng)等情況下，儲(chǔ)能裝置能夠起到過(guò)渡作用，持續(xù)向用戶供電。

3 結(jié)語(yǔ)

總體而言，飛輪儲(chǔ)能在陸用電網(wǎng)電站的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，在艦船等獨(dú)立電站上的應(yīng)用仍處于起步階段，工程化應(yīng)用較少，但是已經(jīng)引起了研究者的高度重視，美國(guó)海軍下一代綜合電力路線圖明確指出未來(lái)艦船將配備儲(chǔ)能系統(tǒng)。隨著綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展、大功率負(fù)載的增加、電力推進(jìn)的普及、電磁彈射的使用和高能武器的裝備，電力系統(tǒng)供電品質(zhì)與穩(wěn)定性問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，飛輪儲(chǔ)能的作用也必將日益突出。

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Developments and Applications of Flywheel Energy Storage Technology

Wang Wei1，Gao Yuan2，Jiang Xiaoyi3

（1. Unit 92557 of PLA, Guangzhou 510720, China; 2. Navy Deputy Office in No.431 Shipyard, Huludao 125004, China; 3. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, wuhan 430033, China）

TM619

A

1003-4862（2013）01-0031-04

2012-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51007093）

王?。?975-），男，工程師。研究方向：艦船消磁技術(shù)。