劉文軍，賈東強，曾昊旻，肖 浩，朱 晉，邱遠軍

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，長沙 410007； 2.能源互聯(lián)網(wǎng)供需運營湖南省重點實驗室，長沙 410007；3.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100075； 4.湖南省送變電工程有限公司，長沙 410035；5.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190； 6.仙桃市第一人民醫(yī)院，仙桃 433099)

0 引 言

2020年9月，我國向世界莊嚴承諾，力爭于2030年前實現(xiàn)碳達峰，于2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。同年12月，我國進一步闡述了“雙碳”(碳達峰、碳中和)目標，提出到2030年風(fēng)電和太陽能發(fā)電的總裝機容量將突破12億千瓦[1]。風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電具有間歇性與隨機性的特點，若大規(guī)模高比例地接入電力系統(tǒng)，將給電力系統(tǒng)的運行帶來安全穩(wěn)定問題[2-6]。儲能裝置的采用可以在很大程度上解決新能源發(fā)電的間歇性與隨機性問題, 廣泛地開發(fā)利用新能源[7-10]。因此，突破規(guī)?；娏δ荜P(guān)鍵技術(shù)，有效提升電力系統(tǒng)對新能源的消納水平，已是國內(nèi)外諸多研究人員的探索方向[11-16]。

飛輪儲能具有瞬間功率大、循環(huán)壽命長、運行損耗低、環(huán)境友好、不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點，作為目前“碳達峰、碳中和”背景下最具有發(fā)展前途的電力儲能技術(shù)之一，早已受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[17-20]。文獻[21]簡述了飛輪儲能在混合動力汽車、鐵路、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、混合發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用，給出了電機、軸承和電力電子接口三個飛輪儲能器件的優(yōu)缺點，并討論了所使用的新型和傳統(tǒng)電力電子變換器。文獻[22] 討論了飛輪儲能系統(tǒng)所用的不同類型電機、軸承、電力電子變換器拓撲以及多種應(yīng)用場合。文獻[23] 概述了飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和在電力系統(tǒng)和微電網(wǎng)的應(yīng)用，并討論了挑戰(zhàn)、問題和未來工作。文獻[24]分析了用于飛輪轉(zhuǎn)子的材料以及使用這些材料的原因，并描述了不同應(yīng)用場景。文獻[25] 分析了飛輪儲能系統(tǒng)給電動汽車充電提供大功率充電電源的適用性。文獻[26] 探索了飛輪儲能在船舶中壓直流電源系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本文介紹了飛輪儲能系統(tǒng)在國內(nèi)以及國外的研究發(fā)展現(xiàn)狀, 闡述了飛輪儲能系統(tǒng)在相關(guān)典型場合的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了飛輪儲能系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

1 國外技術(shù)現(xiàn)狀

近20年來，國外對飛輪儲能系統(tǒng)的研究保持著濃厚的興趣，美國、德國、法國、日本、英國、西班牙等國都一直進行著研究[21-24,27]。

飛輪儲能系統(tǒng)通常由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電機、電力電子變換器等關(guān)鍵部件組成，如圖1所示。下面將逐一對這些關(guān)鍵部件在國外的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀予以介紹。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 飛輪轉(zhuǎn)子

飛輪轉(zhuǎn)子是飛輪儲能系統(tǒng)能量存儲的載體,其主要作用就是通過高速旋轉(zhuǎn)將能量以機械能的形式存儲。

飛輪旋轉(zhuǎn)時所存儲動能E:

(1)

式中：J、ω分別表示飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和旋轉(zhuǎn)角速度。

由式(1)可知，飛輪轉(zhuǎn)子儲能量與其角速度平方成正比。增加飛輪轉(zhuǎn)子的儲存能量，可以通過提高轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會受到轉(zhuǎn)子材料強度的限制，如果轉(zhuǎn)速過高，飛輪轉(zhuǎn)子會因離心應(yīng)力太大而發(fā)生碎裂。

另外，表征飛輪儲能系統(tǒng)性能的一個重要指標是儲能密度，也就是單位質(zhì)量所儲存的能量。對于特定結(jié)構(gòu)與形狀的飛輪轉(zhuǎn)子，它的儲能密度em：

(2)

式中：m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；σ為轉(zhuǎn)子材料的極限強度；ρ為轉(zhuǎn)子材料密度；Ks為飛輪轉(zhuǎn)子的形狀系數(shù)。表1為幾種典型的飛輪轉(zhuǎn)子材料的典型參數(shù)[28]，由表1可見，碳素纖維與玻璃纖維復(fù)合材料具有較高的抗拉強度和較低的密度。

表1 飛輪轉(zhuǎn)子常用材料參數(shù)[28]

因此，為提高飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和儲能密度，國外先進的高速飛輪儲能系統(tǒng)皆首選強度高、密度低的碳素纖維或玻璃纖維復(fù)合材料作為飛輪轉(zhuǎn)子的材料。例如，美國Beacon Power公司的飛輪轉(zhuǎn)子采用的是質(zhì)量輕、強度高的復(fù)合材料轉(zhuǎn)子，如圖2(a)所示[29-30]；美國德州大學(xué)(UT-CEM)研制的應(yīng)用于鐵路機車的飛輪儲能系統(tǒng)也采用復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子，如圖2(b)所示[31]。

圖2 復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子

1.2 軸承支撐

適當(dāng)?shù)妮S承設(shè)計可以減少損耗和維護需求。機械軸承是最早的軸承類型，它們具有高摩擦、高損耗、高速場合使用時壽命低并因磨損而需要定期保養(yǎng)與潤滑等缺點，磁浮軸承在20世紀80年代出現(xiàn)后，長壽命、高響應(yīng)速度、高負載能力、低損耗、適用高速場合等特點變?yōu)榭赡?。?fù)雜的控制系統(tǒng)是磁浮軸承的主要缺陷，為了防備磁浮軸承的故障/過載，仍有必要配備備用的機械軸承[21]。磁浮軸承主要有以下4種類型：

(1)永磁軸承(以下簡稱PMB)。PMB是利用永磁體同性相斥的原理來實現(xiàn)軸承定、轉(zhuǎn)子之間徑向或者軸向懸浮的，其通常由一對或多個永磁磁環(huán)在徑向或軸向排列而成[32]。PMB最吸引人的特點是無需電源的低損耗及低成本。但是根據(jù)Earnshaw定理可知，PMB本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，需要和機械軸承、超導(dǎo)磁軸承等其它類型軸承一起聯(lián)合使用。

(2)電磁軸承(以下簡稱AMB)。AMB也稱主動磁軸承，主要由轉(zhuǎn)子、位置傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成, 其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。AMB采用反饋控制技術(shù)，通過控制電磁力的大小來對主軸在軸向和徑向進行定位，使飛輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在平衡位置[32]。

AMB與傳統(tǒng)機械軸承相比，具有轉(zhuǎn)子摩擦損耗低、噪聲低、控制能力優(yōu)、剛度高、壽命長等優(yōu)點，因而被廣泛使用。但其功率放大器損耗較高，并且軸承設(shè)計和控制復(fù)雜。AMB通過和機械軸承的聯(lián)合使用可以降低控制的復(fù)雜性，并使系統(tǒng)可行、經(jīng)濟，且更趨穩(wěn)定，但需要對電磁干擾敏感的復(fù)雜控制策略。目前，國外采用AMB的有美國Beacon Power等公司[29]。

(3)超導(dǎo)磁軸承(以下簡稱SMB)。SMB的基本原理是高溫超導(dǎo)體和永磁體間電磁相互作用的軸對稱模型，通過利用超導(dǎo)體的抗磁性和釘扎性實現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，一般用高溫超導(dǎo)氧化釔鋇銅(YBCO)塊材作定子，常規(guī)的永磁體作轉(zhuǎn)子[28]。

SMB具有自穩(wěn)定、摩擦損耗低、壽命長等幾大優(yōu)點，但需低溫制冷機，增加了系統(tǒng)的體積和成本。超導(dǎo)磁軸承是高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)(以下簡稱HTS-FESS)的核心部件。目前，國外研究HTS-FESS的單位主要有美國波音公司、日本ISTEC、德國ATZ公司等。這些單位的HTS-FESS采用超導(dǎo)磁軸承為主，并輔助以永磁軸承或電磁軸承[28]。

(4)組合式磁軸承。以上三種單一磁軸承各具有優(yōu)缺點，如表2所示，在實際應(yīng)用中經(jīng)常將幾種軸承組合起來使用[33-35]。

表2 三種單一磁浮軸承特點[33]

1.3 高速電機

高速電機是飛輪儲能系統(tǒng)進行機械能與電能轉(zhuǎn)換的接口?，F(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)中只有一個電機，它既要在充電時充當(dāng)電動機，又要在放電時充當(dāng)發(fā)電機。

永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、調(diào)速范圍寬、磁密度高、無勵磁損耗、轉(zhuǎn)速和效率高等優(yōu)點，目前在國外飛輪儲能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中被較多采用[27]。美國Beacon Power公司的飛輪產(chǎn)品采用的就是永磁同步電機。

1.4 電力電子變換

電力電子變換器是飛輪電機和供電系統(tǒng)的連接紐帶,起著電力變換的作用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電壓的頻率和幅度都變得更容易控制。在飛輪儲能系統(tǒng)中，電力電子變換器可以使用不同類型的具備雙向模式運行的電路拓撲，比較常見的有交流-直流-交流等拓撲結(jié)構(gòu)。

1.5 真空室

為了降低飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子與空氣之間的摩擦損耗，需要將飛輪轉(zhuǎn)子置于真空室之中。真空室內(nèi)的真空環(huán)境一般通過真空泵將真空室內(nèi)空氣抽出并對真空室進行密封來獲得。對于高密封性能的真空室來說，維持真空只需真空泵間歇工作。目前，美國Beacon Power等公司就采用了真空技術(shù)。

1.6 飛輪陣列儲能系統(tǒng)

單臺飛輪儲能系統(tǒng)的功率和能量有限，為了獲得更大的功率和能量，還可以將多臺飛輪儲能系統(tǒng)組合成飛輪陣列儲能系統(tǒng)[36]。

2 國內(nèi)研究與發(fā)展概況

國內(nèi)自20世紀80年代開始關(guān)注飛輪儲能技術(shù)，自90年代開始了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究[27]。

中科院電工研究所制作了一臺混合SMB樣機，轉(zhuǎn)軸采用軸向型SMB、PMB和AMB共同支撐懸浮，最高轉(zhuǎn)速達到了9 600 r/min[28]。該所還設(shè)計了一種采用PMB和機械軸承相結(jié)合的磁浮軸承[37]。

2003年～2008年清華大學(xué)研制了一臺300 W·h的電磁懸浮飛輪儲能樣機，該樣機采用復(fù)合材料轉(zhuǎn)子和AMB。2012年清華大學(xué)與中原石油勘探局合作研制了一臺100 kW電動/500 kW發(fā)電的飛輪儲能工程樣機，該樣機采用了重型低速合金鋼飛輪轉(zhuǎn)子(質(zhì)量1 200 kg)、大型永磁吸力軸承和永磁同步電機[38-39]。2017年清華大學(xué)為鉆機混合動力傳動系統(tǒng)研制了一套1 MW/60 MJ飛輪儲能系統(tǒng)[40]。

北京航空航天大學(xué)和中國科學(xué)院長春光學(xué)精密儀器研究所面向航天應(yīng)用領(lǐng)域研究磁懸浮姿態(tài)控制/儲能兩用飛輪，重點研究了磁懸浮軸承技術(shù)、飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和電機技術(shù)[41-42]。

華中科技大學(xué)采用飛輪儲能型柔性功率調(diào)節(jié)器來提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該柔性功率調(diào)節(jié)器采用雙饋感應(yīng)電機，并于2007年研制了一臺10 kW容量的柔性功率調(diào)節(jié)器樣機[43]。

華北電力大學(xué)研制的飛輪儲能系統(tǒng)采用鋼轉(zhuǎn)子和永磁-流體動壓混合支撐軸承，轉(zhuǎn)子極限轉(zhuǎn)速10 000 r/min,并進行了飛輪儲能系統(tǒng)加速儲能試驗[44-47]。

國內(nèi)飛輪儲能行業(yè)中，盾石磁能科技有限責(zé)任公司為解決電氣化軌道交通制動能量回收和牽引電網(wǎng)電壓波動等問題,研發(fā)了一款333 kW/36 000 r·min-1大功率高速飛輪儲能裝置[48]；沈陽微控新能源技術(shù)有限公司研制的VDC產(chǎn)品最大輸出功率450 kW，最高轉(zhuǎn)速37 000 r/min[49]。

此外，在高速電機技術(shù)方面，文獻[50]分析了飛輪儲能用高速電機在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，闡述了飛輪儲能用高速永磁同步電機的關(guān)鍵技術(shù)。

在軸承支撐技術(shù)方面，文獻[51] 基于替代映射的觀點建立了非線性主動磁軸承的模型；文獻[52] 設(shè)計一種將徑向超導(dǎo)磁軸承和軸向電磁軸承集成于一體的混合磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，用來在超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)中支撐飛輪轉(zhuǎn)子；文獻[53-54] 針對主動AMB高速飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動抑制問題,分別提出了一種模態(tài)分離-狀態(tài)反饋內(nèi)模控制算法和一種基于不平衡系數(shù)辨識的自適應(yīng)不平衡補償控制算法；文獻[55]建立了一臺小容量電機外置式徑向型的超導(dǎo)飛輪樣機；文獻[56] 介紹了高溫超導(dǎo)飛輪的結(jié)構(gòu)、研究現(xiàn)狀和存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢；文獻[57] 對磁懸浮框架飛輪和高精度磁軸承的研究現(xiàn)狀及其未來的發(fā)展趨勢進行了詳細闡述；文獻[58]分析了各種磁懸浮軸承的懸浮力和剛度，并介紹了飛輪儲能用磁懸浮軸承的研究進展。

在系統(tǒng)控制方面，文獻[59] 分析了飛輪電機高速運轉(zhuǎn)時滑模觀測器估算角度存在偏差的原因，提出一種補償截止頻率等于電機電氣頻率的自適應(yīng)低通濾波器固定滯后角的角度偏差消除方法，并對滑模觀測器進行了改進。文獻[60] 提出了一種基于背靠背雙PWM變流器的飛輪儲能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法；文獻[61] 提出了一種計及總損耗功率估計與轉(zhuǎn)速前饋補償?shù)娘w輪儲能系統(tǒng)放電控制策略；文獻[62] 基于浸入不變流形原理設(shè)計了一種母線電壓自適應(yīng)非線性控制器。

在飛輪陣列儲能系統(tǒng)研究方面，文獻[63]給出了飛輪陣列儲能系統(tǒng)的設(shè)計方法、并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)與控制策略；文獻[64]針對并網(wǎng)型風(fēng)儲微網(wǎng)提出了一種基于飛輪陣列儲能系統(tǒng)的分層優(yōu)化控制方法；文獻[65]研究了并聯(lián)到同一直流母線的飛輪陣列儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略；文獻[66]利用現(xiàn)有單臺飛輪儲能產(chǎn)品設(shè)計出容量為1 MW的飛輪陣列儲能系統(tǒng)，但尚未見到該飛輪陣列儲能系統(tǒng)在國內(nèi)的具體工程實踐數(shù)據(jù)。

在應(yīng)用探索研究方面，文獻[67] 針對車載飛輪電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和存在的技術(shù)瓶頸進行了分析；文獻[68] 針對電氣化鐵路牽引負荷功率峰值引起的電能質(zhì)量問題,提出了一種基于牽引負荷功率來控制飛輪充放電的能量管理策略；文獻[69-70] 對飛輪電池應(yīng)用于汽車能量回收的前景進行了展望；文獻[71] 對飛輪儲能輔助燃煤機組調(diào)頻動態(tài)過程進行了仿真研究；文獻[72]設(shè)計了應(yīng)用于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能系統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)能量管理系統(tǒng)；文獻[73] 進行了飛輪儲能系統(tǒng)在平滑光伏波動以及孤網(wǎng)調(diào)頻方面調(diào)節(jié)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究。

總體來看，國內(nèi)飛輪儲能系統(tǒng)主要還處在實驗室研發(fā)和樣機研制階段，理論研究比較豐富,工程應(yīng)用研究進展較為緩慢，進入市場的成熟飛輪產(chǎn)品還相對較少。在復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)、軸承支撐技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、飛輪陣列儲能技術(shù)等方面與發(fā)達國家仍存在一定差距[27]。

3 工程應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 電力系統(tǒng)調(diào)頻

2011年美國Beacon Power公司在紐約的Stephentown鎮(zhèn)建成第一座20 MW/5 MW·h飛輪儲能調(diào)頻電站，如圖3所示，并于2014年在賓夕法尼亞州Hazel市建成其第二座20 MW調(diào)頻電站[74]。

圖3 Beacon Power公司飛輪儲能調(diào)頻電站

3.2 風(fēng)電等間歇式新能源發(fā)電

隨著人們對能源安全問題的日益重視，風(fēng)力發(fā)電等新能源得到了廣泛應(yīng)用。但是風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、隨機性，會導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題增加。飛輪儲能系統(tǒng)可以與風(fēng)力發(fā)電等間歇式新能源相配合來供電，可以避免柴油發(fā)電機的頻繁起停，提高風(fēng)電滲透率，降低發(fā)電成本與電價。圖4為飛輪儲能系統(tǒng)在葡萄牙亞速爾群島應(yīng)用的電路示意圖。飛輪儲能系統(tǒng)接到了三相400 V/50 Hz的交流電網(wǎng)中[27,75]。

圖4 飛輪儲能系統(tǒng)在葡萄牙亞速爾群島的應(yīng)用

3.3 不間斷電源

在電力系統(tǒng)中，存在大量對電能質(zhì)量要求高的用戶，例如半導(dǎo)體制造業(yè)、銀行的計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、醫(yī)院的精密醫(yī)療設(shè)備等。當(dāng)外部電網(wǎng)中斷或供電質(zhì)量異常時，為確保這些用戶連續(xù)可靠供電，可配備飛輪儲能不間斷電源(以下簡稱UPS)[76]。例如美國Active Power公司生產(chǎn)的飛輪儲能UPS產(chǎn)品已經(jīng)在全球被各大數(shù)據(jù)中心、電信運營商等廣泛采用，其雙變換UPS和在線交互式UPS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

圖5 Active Power公司UPS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

3.4 軌道交通

軌道交通中使用的電力機車都存在著電機制動的問題。傳統(tǒng)電阻制動把制動能量通過發(fā)熱形式消耗掉，而再生制動能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量的再利用。再生制動通過制動時將機車動能轉(zhuǎn)化為電能使機車減速，并在短時間內(nèi)回饋給電網(wǎng)或存儲起來，直到需要時再使用。將機車進站減速時的制動能量存儲到飛輪儲能系統(tǒng)中，在機車提速駛出時飛輪儲能釋放所存儲的能量，實現(xiàn)制動能量再利用[66,77-79]。比如，美國紐約地鐵就采用了飛輪儲能，實現(xiàn)機車制動能量的再利用[29]。

3.5 脈沖功率電源

脈沖功率技術(shù)是將能量儲存起來以后，再瞬間以脈沖大功率釋放的技術(shù)，在高科技領(lǐng)域及國防軍事上應(yīng)用較多。飛輪儲能因瞬間功率大而可作為脈沖功率電源[27]。例如，德國IPP研究所的托卡馬克裝置就采用了飛輪儲能作為脈沖功率電源[80]。

4 結(jié)語與展望

飛輪儲能系統(tǒng)由于具有瞬時功率高、能效高、響應(yīng)速度快、維護低、壽命長、環(huán)境友好、充放電次數(shù)無限制等優(yōu)點，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。本文論述了飛輪儲能系統(tǒng)的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀與工程應(yīng)用現(xiàn)狀。

可以看出，飛輪儲能系統(tǒng)適用于電力系統(tǒng)調(diào)頻、風(fēng)電等間歇式新能源發(fā)電、不間斷電源(UPS)、軌道交通制動能量回收、脈沖功率電源等領(lǐng)域；未來飛輪儲能技術(shù)將朝著復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子、組合式磁軸承、高速電機、雙向電力電子控制、陣列式運行等方向發(fā)展。

國家能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016年～2030年)提出在2030年前發(fā)展10 MW 級飛輪儲能裝備制造技術(shù)。隨著技術(shù)的進步，飛輪儲能必將在電力系統(tǒng)等領(lǐng)域取得更加廣泛的應(yīng)用，并將在推動構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、助推“碳達峰、碳中和”目標實現(xiàn)等方面發(fā)揮重要作用。