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 現(xiàn)代飛輪儲能電源綜合了先進復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、磁軸承、高速電機以及功率電子技術(shù)而極大地提高了性能，近10年間，現(xiàn)代飛輪儲能電源商業(yè)化產(chǎn)品推廣應(yīng)用發(fā)展迅速。飛輪儲能電源系統(tǒng)在儲能容量、自放電率降低等方面還有待進一步提高。飛輪儲能目前適合于電網(wǎng)調(diào)頻、小型孤島電網(wǎng)調(diào)峰、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量治理、車輛再生制動及高功率脈沖電源等領(lǐng)域。隨著飛輪儲能單元并聯(lián)技術(shù)及超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的逐漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U展到大電網(wǎng)儲能領(lǐng)域。飛輪技術(shù)產(chǎn)品處于快速擴張時期，我國應(yīng)當積極從國家層面支持飛輪儲能電源技術(shù)研究開發(fā)，爭取早日推出國產(chǎn)飛輪儲能電源高技術(shù)產(chǎn)品。

一.引言

1.1電儲能技術(shù)需求背景

受發(fā)電設(shè)備固有慣性和運行經(jīng)濟性的限制，傳統(tǒng)電力供應(yīng)(水電、火電、核電)自身具有大規(guī)模、連續(xù)性特點，而用電負荷具有隨機性和間斷性，電能供給和需求的容量矛盾(日晝波動、季節(jié)性波動、經(jīng)濟周期波動)導(dǎo)致發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的利用效率降低并嚴重影響一次能源的利用效率。

新型能源如風電和光伏發(fā)電具有波動特性，其大規(guī)模開發(fā)和利用，將使供需矛盾進一步突出。因此，亟需突破儲能關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)儲能裝備，以提高一次能源和輸變電設(shè)備的利用效率。然而，大容量電儲能技術(shù)長期以來一直是電力行業(yè)中尚未完全解決的難題之一。

目前電儲能以抽水儲能和常規(guī)電池儲能為主，而各種新型的儲能技術(shù)已顯示出很好的應(yīng)用前景，如飛輪儲能、超級電容器儲能、超導(dǎo)儲能、壓縮空氣儲能、液流電池和鈉硫電池儲能等，這些新型儲能技術(shù)還處在研究開發(fā)階段，它們具有各自的突出優(yōu)點，但也存在著各自的缺陷。

電能存儲按容量可分為長時大能量、短時高功率兩種，長時大容量的抽水儲能電站可以在電網(wǎng)規(guī)模上提供數(shù)小時的電能供給;而短時高功率的飛輪儲能電源可為高端用戶端提供數(shù)分鐘的高品質(zhì)電能供給。

各種儲能方式的技術(shù)對比見下表。從表中可看出，飛輪儲能具有儲能密度高、效率高、瞬時功率大、響應(yīng)速度快、使用壽命長、不受地理環(huán)境限制等諸多優(yōu)點，是目前有發(fā)展前途的儲能技術(shù)之一。

1.2飛輪儲能技術(shù)原理與應(yīng)用

飛輪儲能的基本原理是把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)體的動能進行存儲。在儲能階段，通過電動機拖動飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為動能;在能量釋放階段，飛輪減速，電動機作發(fā)電機運行，將動能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪存儲的能量可以表達為：E=Jω2/2，J為飛輪繞旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。飛輪儲能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

現(xiàn)代飛輪儲能電源系統(tǒng)綜合了先進復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、磁軸承、高速電機以及功率電子技術(shù)而極大地提高了性能，在2000年前后，以美國為代表的現(xiàn)代飛輪儲能電源商業(yè)化產(chǎn)品開始推廣。例如，ActivePower公司的100～2000kWCleanSource系列UPS已經(jīng)應(yīng)用于精密電子生產(chǎn)企業(yè)、信息數(shù)據(jù)中心以及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等，滿足高級用戶對高質(zhì)量的供電需求。目前全球至少有3000套基于飛輪儲能的大功率綠色電源安全運行了上千萬小時。

飛輪儲能系統(tǒng)在儲能容量、自放電率等方面還有待進一步提高，這決定了飛輪儲能目前更適合于電網(wǎng)調(diào)頻、小型孤島電網(wǎng)調(diào)峰、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量治理、車輛再生制動及高功率脈沖電源等領(lǐng)域;隨著飛輪儲能單元并聯(lián)技術(shù)及超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的逐漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U展到大電網(wǎng)儲能領(lǐng)域。

1.3飛輪儲能技術(shù)的重要需求

1.3.1提高電網(wǎng)對可再生能源接納能力

風力發(fā)電、光伏發(fā)電具有間歇性特點，可再生能源的大規(guī)模接入給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)。為了解決風電接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，需根據(jù)并網(wǎng)的風電容量留出與風力發(fā)電裝機容量相當?shù)膫溆脽釞C發(fā)電容量，在孤島電網(wǎng)中一般需要配備相當比重的柴油發(fā)電機。備用電廠的出力要隨著風電出力的變化頻繁調(diào)節(jié)，嚴重影響其運行經(jīng)濟性。

飛輪儲能與風力發(fā)電相配合供電，可以避免柴油發(fā)電機頻繁起停，提高風能利用效率，降低發(fā)電成本和電價。澳大利亞的CoralBay、SandBay、NineMilesBeach、Denham、日本的DogoIsland、美國的Alaska等一系列島嶼電網(wǎng)，采用了飛輪儲能來提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、減少風電出功波動對系統(tǒng)電壓和頻率的影響，并大可能地降低柴油發(fā)電機的出功。

1.3.2提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平和運行經(jīng)濟性

隨著我國電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)之間的聯(lián)系將越來越緊密。近年來電網(wǎng)瓦解和大面積停電事故在世界各國時有發(fā)生，大規(guī)模電力系統(tǒng)的安全運行已成為各國電力系統(tǒng)發(fā)展的主要問題之一。在我國東北、華北、華中和川渝電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)試驗中，就觀察到了一些國際上從未報道過的電網(wǎng)異常動態(tài)行為。

電力系統(tǒng)的絕大多數(shù)穩(wěn)定問題是暫態(tài)穩(wěn)定問題，對儲能裝置需求的特點是：瞬間功率大、持續(xù)時間短。飛輪儲能系統(tǒng)作為一個可靈活調(diào)控的有功源，主動參與系統(tǒng)的動態(tài)行為，并能在擾動消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。日本Kansai電力公司于2002年在3.3kV系統(tǒng)上開展了飛輪儲能改善電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究，取得了良好效果。

電網(wǎng)有功負荷變化必然導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動，傳統(tǒng)的電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)通過抽水蓄能電站、火電站、燃氣輪發(fā)電站的功率調(diào)整、投切來實現(xiàn)，但對于快速的電網(wǎng)頻率波動常規(guī)電站來不及響應(yīng)，采用飛輪儲能電站可以滿足需求，利用其快速調(diào)節(jié)特性，可以在同樣容量下獲得雙倍的調(diào)節(jié)效果。

美國BeaconPower公司于2008年12月在馬薩諸塞州建成了1MW/250kWh調(diào)頻電廠，2009年8月，美國能源部支持其建設(shè)兩個20MW飛輪儲電站。隨著技術(shù)進一步成熟，飛輪儲能技術(shù)還可以用于負荷中心的削峰填谷，提高電網(wǎng)的運行經(jīng)濟性。

1.3.3高品質(zhì)供電

自20世紀80年代以來，新型電力負荷迅速發(fā)展以及它們對電能質(zhì)量的要求不斷提高，而電能質(zhì)量的問題卻日益突出：一方面用電負荷的非線性、沖擊性和非平衡性，使得電網(wǎng)的電壓波形畸變、電壓波動和電壓閃變以及三相不平衡等電能質(zhì)量問題日益嚴重;另一方面電氣化和微機化程度越來越高，越來越多的用戶采用了性能好、效率高但對電源特性變化敏感的高科技設(shè)備，電力用戶對電能質(zhì)量的要求在不斷提高，特別是半導(dǎo)體制造、精密加工、醫(yī)療衛(wèi)生、金融、計算機中心、重要場館會所對電能質(zhì)量要求更是嚴格，幾十毫秒內(nèi)的電壓暫降都可能造成設(shè)備損壞停產(chǎn)，給企業(yè)帶來極大經(jīng)濟損失。以北京亦莊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)為例，2007年至今的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，該區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了十多起瞬時斷電、電壓暫降等電能質(zhì)量事故。美國電力科學(xué)院估計電能質(zhì)量的相關(guān)問題在美國造成的損失有數(shù)百億美元。

為解決用戶暫態(tài)電能質(zhì)量(一般持續(xù)時間不超過1min)影響的動態(tài)UPS(不間斷電源)以及動態(tài)電壓恢復(fù)器等裝置的需求獲得了快速增長。目前，飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用成功的領(lǐng)域是基于飛輪儲能的UPS實現(xiàn)高品質(zhì)供電。

1.3.4車輛制動動能再生

城市軌道交通的特點是：站距短，車輛的動能巨大，制動頻繁，且起動、制動加速度大。一般為了減少閘瓦磨耗和對環(huán)境的污染，制動方式從能耗制動方式向再生—能耗復(fù)合制動過渡，車組的常用制動一般都采用電力制動，空氣制動只作為制動力的補充或作為后備制動。由于地鐵的供電系統(tǒng)都是由交流整流而來的直流系統(tǒng)，一般變電站也不設(shè)逆變裝置，所以再生的能量只能隨機靠鄰近車輛吸收。當電力制動引起供電接觸網(wǎng)的電壓升高到一定值時，必須轉(zhuǎn)換到電阻制動或空氣制動，這就造成了能量的浪費、設(shè)備的磨損和隧道溫度的上升。

采用了高儲能量、大功率的儲能飛輪系統(tǒng)，就可以提高接觸網(wǎng)供電電壓的穩(wěn)定性，在車輛起動時，輸出電能提供給車輛轉(zhuǎn)化為動能，在制動時間(持續(xù)15s左右)又通過再生制動將車輛動能轉(zhuǎn)換成電能儲入飛輪系統(tǒng)，實現(xiàn)能量的回收。廣州地鐵4號線的制動能—飛輪儲能再生模型分析表明：一年可回收的電能為292萬kWh。

1.3.5高功率脈沖電源

脈沖功率技術(shù)，是把較小功率的能量以較長時間輸入到儲能設(shè)備中，將能量進行壓縮與轉(zhuǎn)換，然后在較短的時間以極高的功率密度向負載釋放的電物理技術(shù)，在國防科研和高技術(shù)領(lǐng)域有著重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。

聚變能研究需要建立高溫等離子體磁約束試驗裝置，其中的磁場實現(xiàn)需要高功率脈沖電源，供電要求為上百千伏安，放電時間為數(shù)秒。20世紀70年代以來，歐洲、日本、中國建立了多個大型飛輪儲能發(fā)電機系統(tǒng)，先用小功率電動機將數(shù)十噸重的飛輪驅(qū)動，然后飛輪驅(qū)動大電機發(fā)電。這樣的電源系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速低、裝置巨大、能耗高等缺點，如采用現(xiàn)代復(fù)合材料飛輪和高速電機，預(yù)計可以提高轉(zhuǎn)速3～5倍。整套飛輪電機裝置重量可以縮小70%～90%。

基于飛輪儲能的脈沖電源還可以應(yīng)用于軍用電磁發(fā)射。電磁發(fā)射物體不僅局限于彈頭，也可以是飛機、防空導(dǎo)彈，電磁發(fā)射的技術(shù)瓶頸之一就是高功率脈沖電源。