李萬杰， 張國民， 艾立旺， 劉國樂， 余志強， 邱清泉

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 中國科學院應用超導重點實驗室， 北京 100190； 4. 西安西電電氣研究院有限責任公司，陜西 西安 710075； 5. 石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院， 河北 石家莊 050043)

高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

李萬杰1,2,3,4， 張國民1,3， 艾立旺1,2,3， 劉國樂1,2,3， 余志強5， 邱清泉1,3

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 中國科學院應用超導重點實驗室， 北京 100190； 4. 西安西電電氣研究院有限責任公司，陜西 西安 710075； 5. 石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院， 河北 石家莊 050043)

高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)具有功率密度高、控制簡單、效率高、壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)點, 未來在可再生能源發(fā)電、地鐵制動能量回收、大功率脈沖電源、電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定等方面具有廣闊應用前景。本文介紹了高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)的原理結構、國內外的研究現(xiàn)狀、亟需解決的關鍵技術問題及未來的發(fā)展趨勢。

高溫超導； 磁懸浮軸承； 飛輪儲能； 自穩(wěn)定

1 引言

隨著化石能源的短缺、環(huán)境污染以及氣候變化等問題的日益突出，世界各國對可再生能源的發(fā)展和高效利用給予了高度重視。隨著風能、太陽能等可再生能源的大規(guī)模發(fā)展和并網，其間歇性和隨機性對電網的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重不利影響。因此先進儲能技術成為以新能源變革為核心的智能大電網的重要環(huán)節(jié)[1]。儲能可分為機械、電化學、電磁、熱力四種方式。技術較為成熟、應用較多的是抽水蓄能和電池儲能，壓縮空氣儲能、飛輪儲能和熔鹽儲能在國外也已有商業(yè)化應用。目前，儲能技術在向多種儲能方式集成(復合儲能或集成儲能)的方向發(fā)展。表1為常見儲能方式的比較[2-4]。

相比其他儲能方式，飛輪儲能具有功率密度高、能量轉換效率高、使用壽命長、充電時間短、維護周期長、對環(huán)境友好等優(yōu)點。目前全球至少有3000套基于飛輪儲能的大功率綠色電源在安全運行[5]。飛輪儲能技術根據(jù)支撐軸承的方式分為機械軸承飛輪儲能和磁懸浮軸承飛輪儲能兩種方式。機械軸承存在機械摩擦，其儲能效率偏低，軸承壽命短，維護頻率偏高。電磁懸浮軸承需要實時監(jiān)測飛輪轉子的位置并調節(jié)磁場大小，具有控制系統(tǒng)復雜、可靠性低、成本高等缺點。而超導軸承具有能夠實現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮、無需控制、能耗小、可靠性高等優(yōu)點，使得高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)成為飛輪儲能技術一個新的重要研究方向，受到國內外學術界的廣泛關注[6]。

2 高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)的原理和結構

2.1基本工作原理

高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)是利用超導磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)。儲能階段，利用高速電動/發(fā)電機將飛輪轉子加速至額定轉速，將電能轉化為機械能儲存；能量釋放階段，電動機轉換為發(fā)電機工作模式，機械能轉換為電能，并通過電力電子變換裝置得到相應的頻率和電壓等級以實現(xiàn)電能供給。

飛輪儲能的能量E可表示為：

(1)

式中，J為飛輪轉子轉動慣量；ω為飛輪轉子角速度。

由式(1)可知，飛輪儲能系統(tǒng)儲存的能量與飛輪轉子轉速的平方和轉動慣量成正比。轉速越高，儲存的能量越大。

表1 常見儲能方式的比較Tab.1 Comparison of common energy storage patterns

2.2主要結構

高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)結構圖如圖1所示。高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)主要由飛輪、高溫超導磁懸浮軸承、電動/發(fā)電機、電力電子裝置、真空腔及低溫裝置等主要部件組成。

圖1 高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of HTS FESS

2.2.1 飛輪

飛輪是儲能的載體，在轉速很高時需要承受很大的離心力。飛輪結構的設計原則是滿足旋轉強度的同時，盡可能提高飛輪的儲能密度。對于結構和形狀確定的飛輪儲能系統(tǒng)，考慮離心力引起結構破壞對飛輪轉速的限制，飛輪儲能密度DoE如下：

(2)

式中，K為形狀系數(shù)；σ為材料許用強度；ρ為材料密度。為提高儲能密度，在設計飛輪時應選取強度高、密度低即比強度高的材料，并盡可能提高飛輪的形狀系數(shù)[7]。飛輪轉子的材料目前主要有金屬和復合材料兩大類，由于復合材料比強度高，可設計性強，是目前國內外制作飛輪的首選材料。飛輪形狀主要有單層和多層圓柱狀、環(huán)狀、紡錘狀、傘狀、實心圓盤等[8]。

2.2.2 超導磁懸浮軸承系統(tǒng)

超導磁懸浮軸承(SMB)是超導飛輪儲能系統(tǒng)的核心部件，其作用是支撐飛輪轉子實現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，從而保證其無摩擦高速旋轉。超導磁懸浮軸承通常由超導定子和永磁轉子構成，一般設計為軸對稱結構。超導定子主要由超導塊材、低溫杜瓦等構成，永磁轉子主要由永磁材料、聚磁軟鐵等構成。超導磁懸浮軸承按照超導定子和永磁轉子的位置關系分為軸向型和徑向型。軸向型超導軸承超導定子和永磁轉子在軸向位置相對布置，結構較為簡單。徑向型超導軸承的定轉子采用以主軸為中心軸的環(huán)繞布置方式，永磁轉子采用層疊方式，層間采用軟鐵聚磁增強磁場，超導定子也采用多層布置方式，每層由多個超導塊拼接成圓環(huán)，由高導冷材料封裝，以起到傳導冷卻和保護的作用。典型結構如圖2所示。

圖2 典型徑向型SMB結構示意圖Fig.2 Typical structure of radial SMB

為了提高飛輪儲能系統(tǒng)軸承的載荷能力和剛度，必要時需要附加永磁軸承或電磁軸承。為了在飛輪儲能系統(tǒng)啟動和停止運行時對飛輪主軸進行支撐并在運行過程中進行限位保護，需要在飛輪主軸的上下端部附加機械軸承。

2.2.3 電動/發(fā)電機

電動/發(fā)電機是高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)能量轉換的部件。充電時運行于電動機模式，放電時運行于發(fā)電機模式，一臺電機兼容兩種運行模式，減小了飛輪儲能系統(tǒng)的體積和重量。飛輪儲能系統(tǒng)對電機的要求是高速性能好，效率高，空載損耗極低，體積小，易維護，并且能夠在較大的轉速范圍運行。目前應用于飛輪儲能系統(tǒng)的電機主要有永磁同步電機、開關磁阻電機、異步電機、永磁無刷直流電機，近年來還有基于混合轉子結構的磁懸浮電機、盤式電機被應用[9]。永磁電機結構簡單，調速范圍寬，效率高，轉子損耗低，在儲能系統(tǒng)中應用最廣泛。

2.2.4 電力電子裝置

電力電子裝置是飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)電能和機械能相互轉換的關鍵裝置。儲能階段對電網交流電進行變頻、整流等變換，驅動電動/發(fā)電機加速飛輪實現(xiàn)電能向機械能轉換；電機加速至額定轉速后，電力電子裝置輸出低壓保持電機空載損耗為最低水平；釋能階段將電機發(fā)出的電能變換為與電網頻率、相位、幅值一致的交流電供給負荷。電力電子裝置需滿足可靠性好，轉換效率高，控制簡單易于實現(xiàn)。

此外，高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)還包括真空腔、低溫制冷裝置、監(jiān)控裝置等。真空腔為飛輪高速運轉提供低風阻環(huán)境，同時起到安全防護作用。低溫制冷裝置為超導軸承穩(wěn)定工作提供低溫環(huán)境。監(jiān)控裝置用于實時了解飛輪儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以便更好地進行控制。綜上所述，高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)涉及機械、電磁、低溫、真空等多因素，結構復雜，元部件眾多，對加工精度及安裝要求極高。

3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，常規(guī)飛輪儲能系統(tǒng)已實現(xiàn)了商業(yè)化應用，美國的Active Power公司、VYCON公司及國內的北京奇峰聚能科技公司、盾石磁能科技公司、北京泓慧能源科技公司等在全球都已有業(yè)績，受到了客戶的較高評價。高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)方面，美國、德國、日本、韓國等多個國家已經投入大量資金和人力開展樣機的研制工作，并取得顯著成績。代表性的有美國波音公司、德國ATZ公司、日本國際超導產業(yè)技術研究中心、韓國電力研究院等。國內有中國科學院電工研究所、西南交通大學、上海大學、華中科技大學等單位[10-12]。

3.1美國

波音公司于1997年開始與美國能源部電力輸送及能源可靠性辦公室合作開發(fā)飛輪儲能系統(tǒng)，主要應用于不間斷電源(UPS)和離網混合應用[13]。截至目前，波音公司已經完成設計、制造、測試的高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)產品容量范圍為1～10kW·h，輸出功率為3～100kW[14-17]。其典型的高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)額定容量為5kW·h/100kW，額定轉速15000r/min，滿充電情況下，該系統(tǒng)可在4ms內快速做出響應，為數(shù)據(jù)中心等關鍵負荷提供不間斷保護[18,19]。圖3為5kW·h/100kW高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)結構圖。

圖3 波音公司5kW·h/100kW高溫超導飛輪系統(tǒng)Fig.3 Boeing company 5kW·h/100kW HTS FESS

該系統(tǒng)采用額定功率100kW的永磁無刷水冷電動/發(fā)電機。飛輪轉子重量約為164kg，輪體為碳纖維復合材料，中心轂為固體金屬，采用該結構可以保證在額定轉速范圍內飛輪不會產生臨界共振，經測試其最高轉速可達25000r/min。儲能時，480V三相交流電經過變流器轉換為600V直流電供給電機；發(fā)電時，電機輸出直流電經變流器變換為三相480V交流電供給負荷。

磁軸承系統(tǒng)采用復合結構，主軸上端為永磁軸承，下端為超導軸向軸承。超導軸向軸承包含上永磁轉子和下超導定子。永磁轉子每個永磁環(huán)由數(shù)個弧段組成，以減小離心力造成永磁環(huán)破損的概率。超導定子由六邊形YBCO塊材拼接組成，采用液氮浸泡冷卻方式。采用軸向軸承的優(yōu)點在于結構簡單，超導定子和永磁轉子之間的間隙較大，缺點在于需要通過增大超導定子和永磁轉子的半徑實現(xiàn)增大超導軸承的載荷能力，而半徑較大時永磁轉子的機械強度不能承受高轉速下的離心力，后來逐漸被徑向軸承所取代。

2009年波音公司研制了3kW·h/50kW的儲能樣機，開展超導軸承冷卻系統(tǒng)功耗的研究，實驗結果表明，采用溫差環(huán)流冷卻系統(tǒng)后每小時功耗為儲能量的0.1%。后來波音公司又開展了超導徑向軸承、低功耗軸承、高速軸承的研究，并進行了高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)轉子徑擺軌跡實驗、次同步共振實驗、飛輪轉子自由衰減實驗、系統(tǒng)功耗實驗等一系列實驗，獲得了豐富的實驗數(shù)據(jù)。波音公司研發(fā)的高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)具有動態(tài)穩(wěn)定、結構簡單、運行可靠等優(yōu)點，在國際上處于領先地位[20]。

佛羅里達州的美國強磁場國家實驗室和劍橋大學聯(lián)合建立的課題組提出將46mm寬二代高溫超導帶材采用水下電火花腐蝕切割技術切割成圓形(如圖4所示)，將多層超導帶疊加構成圓柱體作為外超導定子(如圖5所示)，采用圓柱永磁體作為內轉子組成超導軸承的方案，并基于COMSOL軟件建立仿真模型，計算了不同溫度下的懸浮力，并與實驗結果進行了對比，結果表明，20K溫度下由294層超導帶層疊而成的外徑45.5mm超導軸承可以產生549N懸浮力。同時他們研究了超導帶材鐵磁基底材料對懸浮力的影響，結果表明鐵磁基底材料能夠顯著增強超導軸承的懸浮力，在進行軸承設計時必須加以考慮。他們還指出采用超導帶材層疊構成超導定子的優(yōu)勢在于商業(yè)化超導帶材具有較好的均勻性及超導特性的可預測性，并且基于現(xiàn)有的仿真軟件能夠更加有效地進行軸承的設計[21]。

圖4 水下采用電火花腐蝕切割技術加工超導帶Fig.4 Spark erosion machining under water to cut superconducting tapes

圖5 46mm寬超導帶疊加構成超導定子Fig.5 Superconducting stator composed of stack of 46mm wide superconducting tapes

3.2德國

德國ATZ公司是一家從事高溫超導材料及其相關產品研發(fā)和生產的高科技公司。2003年，ATZ公司研制了一種能夠承受重負荷的HTS徑向型軸承，用于電動機、發(fā)電機、超導飛輪儲能等裝置[22-24]。該軸承采用外超導定子內永磁轉子結構，定子為6層環(huán)狀結構，液氮傳導冷卻，在溫度68K位移1.2mm時軸承最大徑向回復力為3.7kN，徑向剛度達到3kN/mm。優(yōu)化后徑向回復力可達到5kN。

2007年德國ATZ公司與Magnet-Motor公司合作研制了5kW·h/280kW高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)，如圖6所示[25,26]。該樣機關鍵部件如圖7所示。系統(tǒng)在整體結構上沿用之前的超導徑向型軸承設計，徑向剛度為1.8kN/mm(72K)、1.4kN/mm(79K)，軸向剛度為4.5kN/mm(72K)、3kN/mm(78.5K)，飛輪在自由旋轉時轉速衰減率為14.5(r/min)/min。系統(tǒng)采用超低溫傳導結構，承載力為1t時超導軸承的熱損耗低于2W。

圖6 5kW·h/280kW超導飛輪儲能系統(tǒng)Fig.6 5kW·h/280kW HTS FESS

圖7 5kW·h/250kW樣機關鍵部件Fig.7 Main components of 5kW·h/250kW HTS FESS prototype

隨后ATZ公司又研制了一臺5kW·h/250kW樣機，用于不間斷電源和電能質量調節(jié)研究[27]。該系統(tǒng)電機為無鐵心高功率永磁電機，飛輪本體為石墨纖維，采用超導永磁混合軸承系統(tǒng)。軸承軸向和徑向載荷能力分別為1t和0.47t。此外，ATZ公司還為韓國開發(fā)了一套15kW·h/400kW 工業(yè)用UPS超導飛輪儲能系統(tǒng)。

總之，ATZ公司的高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)主要采用超導徑向型軸承，它的優(yōu)勢在于場冷條件下懸浮力和回復力相比軸向軸承能夠同時得到提升，旋轉損耗也較軸向軸承小，缺點是超導定子與永磁轉子之間的氣隙較小，為了有效地抑制飛輪轉子徑向擺動并保護超導軸承，需要附加電磁軸承或永磁軸承以提高徑向剛度。此外，ATZ公司還設計了超導軸承超低溫傳熱結構，大大提高了傳導冷卻效率，降低了運行成本。

3.3日本

日本國際超導產業(yè)技術研究中心(International Superconductivity Technology Center，ISTEC)受新能源產業(yè)開發(fā)機構(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)資助，開展高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)研究[28]。該項目分為兩個階段：第一階段為1995～1999年，主要工作是對超導軸向和徑向軸承進行性能比較，確定適用于大容量超導飛輪儲能系統(tǒng)的超導軸承結構；第二階段為2000～2004年，主要是開展100kW·h量級超導飛輪儲能系統(tǒng)用徑向型超導磁軸承的基礎技術研究，并研制10kW·h高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)樣機。

2004年ISTEC開發(fā)了10kW·h/400kW超導飛輪儲能系統(tǒng)(如圖8所示)，用于超導軸承及整個超導飛輪儲能系統(tǒng)在實際運行工況下的特性評估[29,30]。超導軸承為徑向型內定子外轉子結構，配置上下2個電磁軸承以實現(xiàn)飛輪轉子運行于高速狀態(tài)，電機功率為400kW，飛輪重量為425kg，額定轉速為15860r/min。超導軸承的最大懸浮力密度為9.0N/cm2(77K),最大徑向擺動為300μm，轉速為7500r/min時儲能為2.24kW·h。并采用過冷法和預載法有效抑制了飛輪轉子在運行過程中由于懸浮力弛豫而逐步下降的現(xiàn)象。

圖8 10kW·h超導飛輪儲能測試系統(tǒng)Fig.8 Test system of 10kW·h HTS FESS

在完成10kW·h飛輪儲能系統(tǒng)各項特性測試后，ISTEC又研制了100kW·h超導飛輪儲能系統(tǒng)用超導磁軸承[31]。經測試懸浮力密度可達11N/cm2(77K)、17N/cm2(67K)。為減小超導軸承的旋轉損耗，采用將超導定子沿徑向分為厚度不同的兩層，將永磁環(huán)設計為多層結構，并在層間添加絕緣層等優(yōu)化設計(見圖9)，轉速為6000r/min時旋轉損耗為0.55mW/N，優(yōu)于2mW/N的預期目標，降損效果顯著。

圖9 超導軸承旋轉損耗減小設計方案Fig.9 Rotational loss reduction schemes of SMB

2006年ISTEC聯(lián)合日本鐵路中心與東京大學共同研制一臺50kW·h/1MW飛輪儲能系統(tǒng)，其原理圖如圖10所示[32]。最高轉速為2000r/min，飛輪直徑為2m,重量為25t。系統(tǒng)采用超導軸承和電磁軸承的混合軸承結構。超導軸承采用超導線圈和固定鋼心組成定子，可移動鋼心作為轉子。其工作原理為在固定鋼心內放置超導線圈，固定鋼心和可移動鋼心組成閉合主磁路，超導線圈通電產生磁場，可移動鋼心在軸向具有位移時在固定鋼心與可移動鋼心轉子之間產生很大的軸向懸浮力。同時研制了超導軸承懸浮力測試裝置，如圖11所示。經測試，在6mm位移時能夠產生8000N的穩(wěn)定懸浮力。該超導軸承的優(yōu)點在于結構簡單，超導軸承的懸浮力主要作用于鋼心，超導線圈承受的作用力極小，增大超導線圈中的電流能夠產生很高的懸浮力，儲存相同能量時能夠增大飛輪質量進而降低轉速，降低飛輪的材料及制作工藝要求，使得整體成本降低；缺點在于飛輪轉子產生徑向偏離時會產生不穩(wěn)定徑向力，必須借助電磁軸承加以克服。

圖10 50kW·h/1MW超導飛輪儲能系統(tǒng)結構圖Fig.10 Structure of 50kW·h/1MW HTS FESS

圖11 超導軸承測試裝置內部結構和實物圖Fig.11 Internal structure and prototype photo of SMB test system

2015年NEDO項目完成了100kW·h/300kW高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)(如圖12所示)的研制及吊裝工作，開始測試運行[33,34]。該系統(tǒng)飛輪轉子材料為碳纖維增強型塑料，重量為4t，外徑為2m，內徑為1.4m，最高轉速為6000r/min，采用超導電磁混合軸承系統(tǒng)。全超導軸承采用外定子內轉子結構，定子由5個二代高溫超導雙餅線圈構成(見圖13)，轉子由YBCO超導塊材構成。通過測試，當電流為74A時5個線圈的懸浮合力可達到40kN，懸浮力最大可達到100kN。全超導軸承結構的優(yōu)勢在于超導線圈能夠產生數(shù)特斯拉的磁場，極大地提高了軸承的承載力和剛度，在相同儲能容量下能夠提高飛輪質量降低飛輪轉速，同時降低了其他關鍵部件的強度要求，使得系統(tǒng)整體成本得到有效控制；缺點在于超導帶材較為脆弱，在強磁場下匝間受到較大的應力，且每個超導線圈均需要設計獨立的冷卻系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)。

圖12 100kW·h/300kW高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)Fig.12 100kW·h/300kW HTS FESS

圖13 高溫超導帶材雙餅線圈和懸浮力測試裝置Fig.13 Double-pancake of HTS tape and levitation force test equipment

3.4韓國

韓國電力科學研究院在超導磁軸承及高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)方面做了較多工作。2010年研制了10kW·h高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)[35,36]， 該系統(tǒng)采用上下兩個超導徑向磁軸承，軸向懸浮力剛度為235N/mm，徑向回復力剛度為140N/mm。通過飛輪轉子振動與軸承剛度的關系實驗得出，在0.2～1Hz振動頻率范圍內對軸承的剛度影響差別很小，飛輪轉子振動時的軸承總剛度等于各超導塊剛度之和。該研究結果有助于超導軸承剛度的預測及軸承結構的優(yōu)化設計。

2012年，該團隊研制了35kW·h/350kW高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)(見圖14)，用于地鐵站電力系統(tǒng)穩(wěn)定[37,38]。系統(tǒng)采用350kW永磁電動/發(fā)電機，在6000～12000r/min范圍加減速運行，飛輪轉子質量為1.6t，系統(tǒng)的能量密度為32(W·h)/kg。軸承系統(tǒng)包括2套高溫超導徑向軸承(見圖15)，1套止推式電磁軸承，1套永磁軸承，2套主動磁阻尼器。其中永磁軸承和電磁軸承位于飛輪主軸的中上部，超導軸承和阻尼器位于飛輪主軸的上下兩端。永磁軸承和電磁軸承主要用于卸載飛輪的重力，超導軸承用于抑制額定轉速范圍內飛輪主軸較小的振動，阻尼器用于抑制經過臨界轉速時飛輪主軸的異常振動。超導軸承的剛度為250kN/m,阻尼器的剛度為1.08×103kN/m。

圖14 35kW·h/350kW高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)Fig.14 35kW·h/350kW HTS FESS

圖15 超導軸承Fig.15 SMB

隨后該團隊又設計了一種雙蒸發(fā)溫差環(huán)流系統(tǒng)，用于100kW·h高溫飛輪儲能系統(tǒng)的冷卻。該溫差環(huán)流系統(tǒng)僅需要120W制冷機及雙蒸發(fā)室，以液氮作為工作介質，實現(xiàn)上下兩個超導軸承同時冷卻，省去了之前冷卻系統(tǒng)所需的液氮泵或外部冷卻循環(huán)系統(tǒng)，簡化了冷卻系統(tǒng)，節(jié)省了空間，使得整個系統(tǒng)更加緊湊。系統(tǒng)制冷溫度可達到65K以下，即使在熱負載變化情況下也能保持冷卻溫度恒定不變，適用于高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)[39]。

韓國大學電氣工程學院和韓國慶一大學鐵路與電氣工程學院嘗試將高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)用于電動汽車無線直流充電系統(tǒng)，以解決包含電動汽車充電系統(tǒng)的直流低壓配電網電壓的跌落問題。目前只針對實際系統(tǒng)參數(shù)進行了仿真分析，仿真結果表明，接入超導飛輪儲能系統(tǒng)后每個充電站的電壓波動范圍控制在2%以內，并且在很大程度上減小了峰值功率，能夠產生很好的經濟效益[40]。下一步將建立小規(guī)模試驗系統(tǒng)進行驗證。圖16為集成SFES的電動汽車充電系統(tǒng)總體設計圖。

3.5中國

圖16 集成SFES的電動汽車充電系統(tǒng)總體設計圖Fig.16 General scheme of electric vehicle charging system integrated with FESS

圖17 全超導軸承磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)Fig.17 Fully superconducting magnetic bearings HTS FESS

上海大學2014年研制了一套全超導磁懸浮軸承的高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)，如圖17所示[41]。采用2個徑向超導軸承和1個軸向超導軸承的結構。電機為三相調頻感應電機，功率為0.5kW。飛輪轉子重量為25kg，最高運行轉速為15000r/min。超導軸承可完全實現(xiàn)飛輪轉子的自穩(wěn)定懸浮，控制簡單。在共振頻率25Hz時轉子最大徑擺為±170μm，該頻率以上時最大徑擺為±50μm。懸浮力和徑向回復力的剛度未給出，系統(tǒng)的儲能容量和功率還有待進一步提高。圖18為該系統(tǒng)的關鍵部件。

圖18 系統(tǒng)關鍵部件Fig.18 Main components

中國科學院電工研究所于2001年研制了1套基于高溫超導混合軸承的飛輪儲能系統(tǒng)[42]。該系統(tǒng)電機為三相異步電機，飛輪轉子質量為3.6kg，采用永磁軸承、電磁軸承、軸向型超導軸承組成的混合軸承系統(tǒng)共同支撐飛輪轉子。超導軸承定子由7塊直徑30mm、高13mm的YBCO超導塊材拼成，永磁轉子由直徑為75mm的永磁環(huán)和直徑20mm的永磁圓柱體組成。徑向靜態(tài)剛度大于1MN/mm，軸向靜態(tài)剛度大于50N/mm，最高運行轉速9600r/min。

自2009年起，在配套項目的支持下，該團隊進一步開展了高溫超導飛輪儲能技術的研究工作。建立了高溫超導磁懸浮軸承懸浮力仿真模型與超導塊材傳導冷卻仿真模型[43,44]，構建軸向懸浮力測試平臺。在此基礎上對測試平臺進行改進，研制出三軸懸浮力測試平臺(見圖19)，并進行超導軸承軸向懸浮力和徑向回復力的測量實驗(見圖20)。

圖19 三軸懸浮力測量系統(tǒng)Fig.19 Three-axis levitation force measurement system

圖20 超導定子在3層永磁轉子下的懸浮力Fig.20 Measured levitation force with measurement system

2015年研制了30kJ/2kW高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)小樣機，如圖21所示。電機采用永磁直流無刷電機，額定轉速10000r/min，飛輪轉子質量為9.8kg，比能量為0.81(W·h)/kg。超導軸承采用徑向型結構，其超導定子由3層超導環(huán)構成，每層超導環(huán)由8塊28mm×26mm×13mm的瓦片狀超導塊拼接而成，永磁轉子由3層φ37mm×φ20mm×8mm永磁環(huán)層疊而成。對飛輪儲能系統(tǒng)進行了充放電實驗(見圖22)、飛輪轉子動態(tài)特性實驗(見圖23)，經測試，飛輪轉子的徑向擺動最大幅度不超過0.2mm。

圖21 30kJ /2kW高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)Fig.21 30kJ /2kW HTS FESS prototype

圖22 放電實驗Fig.22 Discharge experiment

圖23 6000r/min時飛輪轉子徑向擺動幅度Fig.23 Swing amplitude of rotor at 6000r/min

為進一步提高超導飛輪儲能系統(tǒng)的效率，該團隊開展了基于磁驅動的高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)(見圖24)研究。將磁驅動與超導飛輪儲能系統(tǒng)相結合，電機置于真空腔外，利用磁驅動的軟聯(lián)接實現(xiàn)電機軸與飛輪主軸之間扭矩的傳輸，并設計一種磁力開斷裝置用于消除電機空載損耗提高系統(tǒng)效率。當系統(tǒng)儲能時，電機通過磁驅動傳輸扭矩加速飛輪，將電能轉換為機械能，磁力開斷裝置不響應；當系統(tǒng)儲能至額定容量，處于能量保持階段時，磁力開斷裝置快速響應阻斷磁驅動的扭矩傳輸，電機與飛輪主軸完全分離，此時將電機關閉，飛輪由加速狀態(tài)轉換為自由旋轉狀態(tài)；系統(tǒng)放電時，飛輪通過磁驅動輸出扭矩加速電機，將機械能轉換為電能，磁力開斷裝置不響應。

圖24 磁驅動高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)Fig.24 Flywheel energy storage system based on PM eddy-current coupling

該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于電機定子無需水冷系統(tǒng)，真空腔內部結構簡單緊湊，同時消除了系統(tǒng)的電機空載損耗，使得系統(tǒng)的儲能比密度和效率得到有效提升，有望實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)長期高效儲能。

目前，磁驅動裝置(見圖25)已經制作完成，并搭建了高轉速下磁驅動傳輸特性測試平臺。下一步將開展磁力開斷裝置的實驗驗證。

圖25 磁驅動裝置Fig.25 PM eddy-current coupling

4 高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)待解決的關鍵技術問題

目前，高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用，其儲能容量、懸浮力剛度等性能指標與常規(guī)飛輪儲能系統(tǒng)相比還有待進一步提高，一些關鍵技術有待解決：

(1)超導磁懸浮軸承懸浮力及剛度。與永磁軸承、電磁軸承相比，超導磁懸浮軸承的懸浮力和剛度相對較小。為達到一定的載荷能力和剛度，需增加超導定子的半徑或層數(shù)，或采用永磁軸承、電磁軸承與超導軸承的混合軸承系統(tǒng)，這樣使得軸承系統(tǒng)結構復雜且增大占用空間。為此，需提高超導材料的臨界電流、釘扎能力等性能，改進超導軸承的結構進一步提高其懸浮力和剛度。如采用超導帶材繞制的雙餅線圈作為磁體替代永磁體，采用寬超導帶層疊成圓柱體作為超導軸承定子替代超導塊。日本ISTEC已經研制出采用雙餅超導線圈作為定子、超導塊材作為轉子的全超導軸承，單層線圈磁場強度可達到1T以上，單層懸浮力可達到20kN，極大地提高了懸浮力和剛度。英國劍橋大學采用294層超導帶材層疊成超導定子軸承結構，其懸浮力可達到549N。

(2)超導軸承的旋轉損耗。超導軸承的旋轉損耗主要來自兩個方面：永磁轉子磁場分布的不均勻性或超導定子由于自身材料或拼接的不一致性。ATZ研究團隊指出，當磁場不均勻性由0.5%增加至2%，旋轉損耗會增加至300%[45]。目前采取的減小措施有：①使用具有高度均勻性的永磁材料；②提升超導材料整體的均勻性，如盡量使用整塊的超導材料，盡量減少材料的加工及拼接，在使用前對每塊超導材料進行性能測試加以篩選等；③對超導軸承的結構進行優(yōu)化，如日本ISTEC將超導定子沿徑向方向分成厚度不等的雙層C型結構，以提高超導定子捕獲磁通的均勻性，將永磁環(huán)分成多層并在層間添加絕緣層以減小聚磁鐵環(huán)的渦流損耗。

(3)超導軸承的懸浮力減小。高溫超導塊材由于俘獲磁通不均勻會產生力磁滯現(xiàn)象，由于磁通蠕動會產生懸浮力弛豫現(xiàn)象。力磁滯與運動過程有關，而懸浮力隨時間對數(shù)弛豫。這些特性均會導致超導軸承懸浮力隨著時間減小，飛輪轉子失去平衡出現(xiàn)位置下降，將嚴重影響高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，這也是制約高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)應用的重要因素之一。磁滯現(xiàn)象與永磁體磁場的均勻性密切相關。而弛豫現(xiàn)象屬于超導材料的物理特性，早在20世紀90年代有機構就已經展開了研究[46]，并通過實驗得出結論：增加超導塊材的厚度和降低溫度可減小超導塊材懸浮力的弛豫現(xiàn)象。有文獻報道采用預載法、過冷法[47]或轉子高度修正法[48]等可抑制超導軸承懸浮力的弛豫。目前該技術難題仍未得到較大突破，有待于進一步深入研究。

(4)超導材料的制備和加工工藝。通常超導軸承的懸浮力與超導塊材的性能密切相關，超導塊材的臨界電流密度越大，釘扎中心越多，釘扎能力越強，俘獲的磁通越多，超導軸承的懸浮性能越高。而采用超導帶材繞制線圈作為強磁場源的新型超導軸承結構，則對超導帶材的熱循環(huán)應力耐受度，超導帶材在強磁場下的臨界電流、匝間承受電磁應力等提出了更高的要求。此外，由于受到目前制備工藝的限制及應用需要，超導材料需經過切割、打磨等工藝后拼接或層疊構成超導定子，要求對超導材料的損傷最小化。因此，先進的超導材料制備和加工工藝是亟需攻克的難題之一。

(5)大功率高速電機和高強度飛輪的研制。隨著超導磁懸浮、真空、低溫等技術的不斷發(fā)展，高轉速大容量是未來高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。高速大功率電機和高強度飛輪則是實現(xiàn)這一技術目標的關鍵因素之一。先進的電機拓撲結構、電磁與機械等多參數(shù)綜合優(yōu)化設計等是目前高速電機研究的熱點方向。采用高強度的復合材料和先進的纏繞工藝增強飛輪的徑向強度，克服飛輪超高速旋轉時的徑向脫層開裂是目前需要解決的關鍵問題。

5 高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著高溫超導材料的發(fā)展以及新技術的應用，高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)將呈現(xiàn)出新的技術特點：

(1)新型超導軸承結構。采用超導帶材繞制超導線圈作為定子，采用超導塊材作為轉子，超導線圈產生的磁場可達到數(shù)特斯拉級，在相同超導轉子情況下懸浮力和剛度將得到很大提升。有研究人員將寬超導帶應用先進工藝切割后層疊起來構成超導定子，并對該結構下的懸浮力進行了仿真計算和實驗驗證，結果表明，懸浮力也有較大提升。也有相關研究人員使用超導線圈和固定鋼心作為定子磁體，使用可移動鋼心作為轉子，利用轉子位移時定轉子鋼心間產生的巨大回復力作為懸浮力，目前樣機的最大承載力可達到24t。

(2)全超導軸承系統(tǒng)。目前，受到超導軸承懸浮力和剛度的限制，通常采用超導軸承、永磁軸承、電磁軸承等構成混合軸承系統(tǒng)。隨著超導軸承性能的提升，將來可采用全部由超導軸向軸承或徑向軸承構成的全超導軸承系統(tǒng)，在保證懸浮性能的前提下，完全實現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，充分體現(xiàn)超導軸承無需控制的優(yōu)勢。有機構已經開發(fā)出全超導軸承系統(tǒng)的高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)，但目前容量和功率較小，有待進一步的研究。

(3)改進的系統(tǒng)結構設計。通常超導飛輪儲能系統(tǒng)采用將電機內置于真空腔的一體化軸承設計，存在電機空載損耗和電機定子散熱的問題。日本NEDO項目組采用磁流體密封技術將電機置于真空腔外，解決了電機定子散熱問題，便于電機定期維護和增加電機容量，目前該系統(tǒng)正處于測試運行中。中國科學院院電工研究所團隊提出基于磁驅動的高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)，利用磁驅動的軟聯(lián)接作用實現(xiàn)電機外置于真空腔以及電機軸與飛輪主軸分離，有望攻克電機定子散熱和空載損耗等技術難題，實現(xiàn)高溫超導飛輪儲能系統(tǒng)的長期高效儲能。

6 結論

高溫超導飛輪儲能作為一種新型的儲能技術，由于具有功率密度高、效率高、響應迅速、低噪音、對環(huán)境友好、維護周期長、壽命長等優(yōu)點，受到國內外的廣泛關注。目前，高溫超導飛輪儲能技術已經取得了較大進步，但仍存在亟待解決的關鍵問題。隨著科技的進步，高溫超導飛輪儲能技術將呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，在電力、國防、航空航天、軌道交通等領域將得到廣泛的應用。

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Developmentstatusofhigh-temperaturesuperconductingflywheelenergystoragesystem

LI Wan-jie1,2,3,4, ZHANG Guo-min1,3, AI Li-wang1,2,3, LIU Guo-le1,2,3, YU Zhi-qiang5, QIU Qing-quan1,3

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Applied Superconductivity, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 4. Xi’an XD Electrical Research Institute Co. Ltd., Xi’an 710075, China; 5. School of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

High-temperature superconducting (HTS) magnetic levitation flywheel energy storage system (FESS) utilizes the superconducting magnetic levitation bearing (SMB), which can realize the self-stable levitation of the rotor without control. With the advantages of high power density, high efficiency, longevity of service, environment-friendly and so on, the HTS FESS will have broad application prospect in renewable energy power generation, braking energy recovery in the subway, high-power pulse power supply as well as the voltage stability in power system in the future. This paper introduces its basic operating principle and main configuration, the latest progress at home and abroad, the key technical issues, and its development trend in the future.

high-temperature superconductor; magnetic levitation bearing; flywheel energy storage system; self-stable

10.12067/ATEEE1707063

1003-3076(2017)10-0019-13

TM26

2017-07-18

國家自然科學基金項目(51377155)、中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDJ-SSW-JSC025)

李萬杰(1985-)， 男， 陜西籍， 博士研究生， 研究方向為超導電力應用；張國民(1964-)， 男， 河南籍， 研究員， 博士， 研究方向為高溫超導的物理特性與應用技術研究、 新材料的電工應用探索(通訊作者)。