劉付成 李結凍 李延寶 呂奇超

上海航天控制技術研究所

上海市空間智能控制技術重點實驗室

磁懸浮儲能飛輪技術研究及應用示范

劉付成 李結凍 李延寶 呂奇超

上海航天控制技術研究所

上海市空間智能控制技術重點實驗室

飛輪儲能系統(tǒng)是利用飛輪加、減速旋轉實現電能與機械能相互轉換的裝置。介紹了飛輪儲能的基本原理以及磁懸浮儲能飛輪研究的關鍵技術，并對飛輪儲能的目標市場進行分析。

飛輪儲能；基本原理；目標市場

能源問題是21世紀人類所面臨的重大課題之一，在不斷開發(fā)新能源的同時，為了更有效地利用現有的能源，需要發(fā)展先進的節(jié)能技術和儲能技術。飛輪儲能是可將電能、風能、太陽能等能源轉化成飛輪的旋轉動能加以儲存的一種新型的高效的機械儲能技術。飛輪儲能的主要特點：①儲能密度高、功率密度大，在短時間內可輸出更大的能量，這非常有利于電磁炮的發(fā)射和電動汽車的快速啟動；②能量轉換效率高，一般可達85%～95%；③對溫度不敏感，對環(huán)境友好；④使用壽命和儲能密度不會因過充電或過放電而受到影響，只取決于飛輪電池中電子元器件的壽命，一般可達20年左右；⑤容易測量放電深度和剩余“電量”；⑥充電時間短，是屬于分鐘級別；⑦與某些其他裝置組合使用時，如與其他動力裝置一起混合用于電動汽車上，與衛(wèi)星姿態(tài)控制裝置結合用于衛(wèi)星上，與傳統(tǒng)的發(fā)電機組混合用于分布式發(fā)電系統(tǒng)中，其優(yōu)勢更加明顯。

1 飛輪儲能工作原理

儲能飛輪是一種機械儲能裝置，當飛輪以一定的角速度旋轉時，它便具有了動能。飛輪的轉速增加，其所存儲的能量也跟著增大；飛輪的轉速降低，其所存儲的能量便減少。假設飛輪的轉動貫量為J，飛輪轉動的角速度為ω，質量為m，飛輪半徑為r，則飛輪存儲的能量可以表示為：

飛輪電池正常工作時，飛輪轉速在最大轉速ωmax和最小轉速ωmin之間，那么飛輪儲能可以吸收或放出的能量大小為：

飛輪存儲或釋放能量的功率為：

其中M為飛輪的電磁轉矩，存儲能量時轉矩與轉速同向，釋放能量時轉矩與轉速反向。

2 磁懸浮儲能飛輪技術研究

2.1 超高速轉子設計技術研究

飛輪的儲能量與其角速度的平方成正比，因此提高飛輪轉子的轉速可以顯著提高飛輪的儲能量。但是飛輪高速旋轉產生的巨大向心力，要求采用比強度σ∶ρ，即材料的許用應力(σ)與密度(ρ)的比值高的材料來制作飛輪轉子。高強度合金鋼的比強度和制成的飛輪儲能密度都遠不及高強度纖維材料，所以目前儲能飛輪一般都采用高強度碳纖維復合材料。高強度碳纖維復合材料以碳纖維為主，并用聚合物母基（如環(huán)氧樹脂）作為填充物成型。從某種意義上說，飛輪儲能系統(tǒng)所能存儲的最大能量受飛輪結構材料及所建立并分布在其中的應力大小限制，所以有必要對儲能系統(tǒng)飛輪轉子材料進行研究。

美國Maryland大學已經研究成功儲能20 kWh多層圓柱飛輪，飛輪材料為碳纖維—環(huán)氧樹脂復合材料，具體參數為：外徑564 mm、內徑254 mm、厚553 mm、重172.8 kg，最大轉速46345 r/min[1]。

美國Houston大學的德克薩斯超導中心致力于紡睡形飛輪開發(fā)，這是一種等應力設計，形狀系數等于或接近1，材質為玻璃纖維復合材料，儲能1 kWh、重19 kg、飛輪外徑304.8 mm[2]。

2.2 高穩(wěn)定、高可靠磁懸浮支承技術研究

飛輪儲能系統(tǒng)無論處于充放電狀態(tài)還是待機狀態(tài)，飛輪都必須不停地高速旋轉，因此減少軸承的摩擦損耗對于飛輪儲能系統(tǒng)的效率很重要。傳統(tǒng)的機械軸承支承摩擦損耗比較大，采用機械軸承的飛輪儲能系統(tǒng)，儲能過程的能量損失會很大。采用磁懸浮軸承支承飛輪，軸承副不直接接觸，因此軸承的運行穩(wěn)定，運行過程基本上無磨損，軸承的工作壽命長。由于磁懸浮軸承沒有直接接觸面，因此也無需潤滑和潤滑介質，避免了潤滑劑泄露環(huán)境污染，省略了傳統(tǒng)潤滑系統(tǒng)所需要的泵、管道、過濾器和密封件等，并能在高溫或極低溫等特殊環(huán)境下工作。飛輪儲能系統(tǒng)采用磁懸浮軸承后，只要飛輪的材料有足夠的機械強度，飛輪的轉速就可以大大提高，儲能密度也因此得到提高。

2.3 高效率電動機/發(fā)電機一體化技術研究

飛輪儲能系統(tǒng)的電能轉換裝置，包括電動機/發(fā)電機和電子電力轉換元件。由于飛輪儲能系統(tǒng)的電機轉速很高，而且必須在真空環(huán)境中工作，因此電機運行過程中的散熱條件很差，所以對電機的要求非常高。飛輪儲能系統(tǒng)的機電轉換裝置可以采用永磁無刷電機、感應電機、開關磁阻電機、同步磁阻電機等，其中永磁無刷電機在結構和功耗上有優(yōu)勢。電子電力轉換裝置具有調頻、整流和亙壓等功能。飛輪儲能系統(tǒng)運行在放電模式時，電子電力轉換裝置作為交流轉換器把發(fā)電機輸出的電能轉換成常用的電源和頻率；輪儲能系統(tǒng)運行于充電模式時，電子電力轉換裝置變成電動機的控制器模式。為了達到機電轉化的高可靠及高效率，需對機電轉換系統(tǒng)技術進行研究。

2.4 飛輪儲能密封技術研究

飛輪儲能密封主要作用是為飛輪儲能系統(tǒng)的飛輪和電機提供真空環(huán)境，降低儲能系統(tǒng)運行的風損，當飛輪發(fā)生事故時還可以起到屏蔽事故防止事故擴大的作用。真空度是決定系統(tǒng)效率的主要因素之一，目前國際上較先進的飛輪倉真空度一般可達到10-5數量級。提高真空度雖能降低風損，然因為稀薄氣體散熱功能減弱，導致轉子溫升較高，因此必須綜合研究飛輪的密封技術，既保證系統(tǒng)效率又能提高系統(tǒng)的可靠性、安全性。

2.5 電力電子轉換技術研究

高效率的電力轉換器是飛輪儲能系統(tǒng)的控制元件。輸入電能通過轉換器成為直流電，供給電機；輸出電能經過轉換器調頻、整流，供給負載，因而電力轉換器是解決儲能系統(tǒng)與母系統(tǒng)連接的關鍵部件。一般而言，轉換器在交變電流通過零點時，控制其方向，可達到調頻、整流的目的。過零點時，瞬時能量很小，損耗低，可實現能量輸入、輸出的高效率轉換。

Beacon Power公司采用脈沖寬度調制轉換器實現從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉換。系統(tǒng)具有穩(wěn)速、亙壓功能，運用一個專利算法自動實現，不需要指定的主動或從動元件[3]。

3 磁懸浮飛輪儲能市場分析及應用示范

上海航天803所，30多年來，主要從事衛(wèi)星姿控系統(tǒng)及與之配套的貫性器件的研究，具備成熟的貫性平臺技術、飛輪技術、控制力矩陀螺研制基礎。先后研制成功從0.08 Nms到65 Nms動量輪的全系列產品，為10余個型號較好的完成了飛行任務。研制的近100多個飛輪產品中，單臺最長在軌運行超過7年，地面壽命試驗單臺無故障運行7年以上，地面壽命試驗累積無故障運行24年以上。

在上海市科委的資助下，完成了軍民兩用混合型磁軸承技術研究。此外，已研制成功儲能量為1.3 kWh磁懸浮儲能飛輪樣機，飛輪采用永磁直流無刷電動/發(fā)電互逆式雙向電機，磁懸浮軸承支撐，飛輪轉速可達30 000 r/min，可在15 s內維持發(fā)電功率300 kW，效率可達到95%，目前已在實驗室運行，儲能飛輪試驗樣機如圖1所示。

圖1 儲能飛輪試驗樣機

3.1 目標市場一：高功率高可靠不間斷電源系統(tǒng)（UPS）

工業(yè)應用中，因其往往規(guī)模大、產值高、連續(xù)性生產需求高，因此電力中斷會帶來巨大的經濟損失及無可挽回的結果。美國電力研究所（EPRI）有關美國再發(fā)性電力問題的研究表明，有超過90%的生產設備將遭受市電電壓超過20%驟降情況的影響。研究中也統(tǒng)計了電壓驟降幅度超過10%的發(fā)生次數，大約每年會發(fā)生30次。現今的工業(yè)應用設備，大量引入了智能化輔助設備，對電力供應品質提出了更高的要求。多元化的電力來源，比如：電網、廢熱發(fā)電、柴油發(fā)電機、小型電廠等等，為現代工業(yè)企業(yè)提供更經濟的能源，同時也帶來了供電品質的參差不齊。工業(yè)應用中品種繁多的負載類型（感性、容性、阻性負載等），給本來就不純凈的電網帶來更大的污染。

磁懸浮儲能飛輪在UPS領域的應用主要解決關鍵負荷的安全供電問題，在半導體行業(yè)、數據中心、醫(yī)院、銀行、電信等行業(yè)都有應用。磁懸浮飛輪UPS工作模式如圖2所示，市電正常輸入后，經穩(wěn)壓電路，一方而為負載提供電能，另一方而經兩個雙向變換器為飛輪提供儲能電源。市電停電或發(fā)生故障時，飛輪儲能器件作為臨時交流電源，經兩次變換并穩(wěn)壓操作后，為負載提供臨時可靠的電能。

圖2 飛輪UPS工作模式

國外市場已經全面啟動，美國Active Power公司專門生產和銷售UPS飛輪電池，年銷售額已經達到7 000萬美元左右；據ICT統(tǒng)計，UPS電源全球市場規(guī)模2014年已達62.2億美元，且處于高速發(fā)展階段，2020年預測為100億美元。目前仍是以鉛酸電池為主，急需新一代可靠、高效、綠色的飛輪UPS。國內市場剛剛起步，尚無自主知識產權的飛輪UPS產品，潛力巨大。

3.2 目標市場二：地鐵電力的能量循環(huán)

圖3 配置飛輪前后能量回收圖

軌道交通中使用的地鐵都存在電機制動的問題。目前多采用電氣制動為主，空氣制動為輔的互補制動形式。雖然電阻制動成本低，原理簡單，但是機車頻繁進出站帶來的制動能量會浪費在電阻上，而把制動能量回收的再生制動方法節(jié)能環(huán)保。利用飛輪陣列儲能系統(tǒng)來吸收機車進站剎車時產生的能量，然后在機車出站需要大功率能量加速時，由飛輪陣列儲能系統(tǒng)提供這部分能量的支撐，從而可節(jié)約能源。安裝在美國紐約地鐵的飛輪陣列儲能系統(tǒng)即被用來吸收列車制動能量和啟動支撐[4]。

地鐵公司最大的運營成本是牽引動力用電，一般占到總用電量的50%以上，而制動能量一般占牽引用電的30%～40%?？梢姡侠砘厥绽弥苿幽芰繉⒑艽蟪潭扔绊懙降罔F運營成本。

如圖3所示，利用飛輪制動能量回收系統(tǒng)能有效抑制母線沖擊（30%以上），且同時實現能量循環(huán)利用，可節(jié)能20%以上。以上海為例，一個車站配置2 MW飛輪儲能設備，以10 000元/ kW的工程成本，僅上海需要的一次性投資規(guī)模為450×2×10000×1000=90億元。利用飛輪儲能技術，可幫助上海地鐵全線實現節(jié)約用電8.98億kWh/a。能量循環(huán)系統(tǒng)同樣適用于高鐵、公交以及新能源汽車，市場規(guī)模巨大。

3.3 目標市場三：智能電網分布式飛輪儲能調頻電站

電力調峰是電力系統(tǒng)須解決的重要問題，因為電網頻率的變動和偏差，對用戶和原動機的危害很大。電網頻率的穩(wěn)定性和準確性，是供電質量的重要指標。飛輪儲能技術能在電網負荷處于低谷時，發(fā)電機/電動機作為電動機拖動飛輪，把電能轉換為動能。當在用電高峰時，發(fā)電機/電動機作為發(fā)電機把儲存在飛輪中的動能轉化為電能。與目前常用的抽水蓄能相比，飛輪儲能技術具有能量輸入輸出快捷、轉換效率高、成本低、充放電快捷等特點，在電力行業(yè)有廣泛的應用前景。

在電網調頻方面也有商業(yè)產品在一些工程中應用，美國Beacon Power公司負責建造的20 MW的飛輪儲能工程于2011年7月12日在美國紐約正式投入運行，該工程能夠承擔該州10%的電網調頻的任務[5]。

4 結語及展望

飛輪儲能系統(tǒng)是一種機械儲能裝置，由于具有高功率密度、無環(huán)境污染、轉換效率高、使用壽命長、運行溫度范圍廣、充放電次數無限制等優(yōu)點，在國外已獲得了廣泛的應用。然而國內的研究起步時間不長，飛輪儲能技術的完善和改進及其運行控制技術還需要進行大量的研究工作。高功率、高效率、大容量和高儲能密度是未來飛輪儲能系統(tǒng)的發(fā)展方向。

[1] M A Higgins, DP Plant, et al. Flywheel Energy Storage for Electric Utility Load Leveling[C]//Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. 1991, 1-6: D209-D214.

[2] Z Xia, Q Y Chen, et al. Designing and Testing of High To Superconducting Magnetic Bearing for Flywheel Energy Storage Applications[C]//29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. 1994: 1496-1501.

[3] Hockney R L,Lansberry G B,Davidkovich V,et al. Multiple Flywheel Energy Storage System：US,6614132[P]. 2003-09-02.

[4] Gyuk I,Eckroad S. EPRI-DOE handbook of energy storage for transmission and distribution applications[J]. EPRI Report,2003. http：//www.epri.com/abstracts/Pages/ProductAbstract.aspx? ProductId=000000000001001834.

[5] Lazarewicz M L，Ryan T M. Integration of flywheel-based energy storage for frequency regulation in deregulated markets[C]//Proceedings of the Power and Energy Society General Meeting，2010. doi：10.1109/ PES.2010.5589748.

Research and Application Demonstration of Maglev Energy Storage Flywheel Technology

Liu Fucheng, Li Jiedong, Li Yanbao, Lv Qichao
Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Shanghai Space Intelligent Control Technology Key Laboratory

∶Flywheel energy storage system is a device to realize mutual conversion of electric energy and mechanical energy by acceleration and deceleration rotation. The article introduces basic working principle of flywheel energy storage and key technology of maglev flywheel energy storage research. The author analyzes target market of flywheel energy storage.

∶Flywheel Energy Storage, Basic Working Principle, Target Market

DOI∶10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.02.005