飞轮储能系统在1.5 MW风机上的应用研究

韩永杰，任正义，吴 滨，李 翀

（哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

随着能源结构的变化，风能和太阳能等可再生能源所占比例不断增加，在一些国家和地区已成为主要能源。然而，这些新能源具有受风和云等气候条件影响的随机性，其大规模应用使得电网调峰和调频、可再生能源发电出力平滑、分布式发电和微电网等问题日益突出，显然储能是解决这些能源问题的有效途径之一。

各种新型储能技术层出不穷，目前的储能技术有抽水储能、常规电池、飞轮储能、超级电容器、超导储能、压缩空气、液流电池和钠硫电池等多种形式，每种储能技术均有其突出的优点和应用的局限性。有待于在使用寿命和容量的规模化、运行可靠性、系统制造成本等方面进行突破。

风能和太阳能等可再生能源大规模接入电网需要解决两方面主要问题：其一是建设安全、可靠和高效现代化的智能电网，使其具有接纳可再生能源的能力；其二是可再生能源接入电网前进行调节，符合现有电网的接纳能力。飞轮储能技术具有储能密度大、效率高、成本低、瞬时功率大、响应速度快、使用寿命长、温度范围广、安全性能好、维护费用低、环境污染小、不受地理环境限制等优点，能快速响应电网频率和电压间歇性变化，恢复电网的质量，在上述两大方面均可发挥其技术优势。

1 飞轮储能系统在风力发电中的应用

飞轮储能技术在电网级调频，可再生能源发电出力平滑，分布式发电和微电网等方面具有广阔的应用前景[1-2]。

1.1 电网的调峰和调频

大规模电网级别的储能应用，目前提及较多的是调峰和调频两种市场需求。调峰是维持中长时间尺度有功功率平衡，需要发电部门根据电力系统中的用电负荷随着生产和生活的周期性变化规律，相应地安排发电机的出力以适应用电负荷的变化。调峰的时间尺度以小时或半天计，能量型储能系统较为适合[3]。

调频是维护电网运行安全性的一项服务，保持电网频率的稳定。电力的频率是由系统总的发电功率和用电功率决定的，由于用电侧的功率时常处于波动状态，如果总的用电超过或者低于额定功率一定范围，将引起电网频率偏离50 Hz（中国标准），严重的偏离将引起发电设备与电网断电，最坏的情况将导致连锁断电，给电网运行带来安全事故隐患。调频的时间尺度在秒或分钟级频繁充放电，并且电网在一天24小时都在进行调频，需要功率型的储能系统。

1.2 飞轮储能在电网调频中的应用

由调频对储能技术的要求可知，储能的技术特性非常适合于电力调频。2008年美国西北太平洋国家实验室的分析报告指出，同等规模下比较，储能系统进行调频的效果是水电机组的1.7倍，是燃气机组的2.7倍，是火电机组和联合循环机组的近20倍。对飞轮储能系统在电力调频上的应用优势，国内外诸多学者和机构进行了深入研究[4-5]。

Beacon Power公司在飞轮储能应用上已走在了前列[6]，先后建立了3个飞轮阵列储能调频电站，其调节能力可达10%，并已稳定运行。图1为Beacon Power 20 MW储能电站示意图，由200个飞轮组成阵列，提供调频服务。Beacon Power针对飞轮储能调频服务与目前常规调频进行了对比试验，1 MW的飞轮储能系统调频能提供0.48 MW·h的服务，而调频速率为1 MW/5 min的常规调频仅能提供0.11 MW·h的服务，飞轮储能是其4倍以上。美国联邦法案对此也进行了修订，采取优质优价的政策，提高了诸如飞轮储能等能提供更好调频服务的价格。

图1 Beacon Power 20 MW储能电站示意图Fig.1 Beacon Power energy matrix 20 MW plant illustration

1.3 飞轮储能用于风力发电中“削峰填谷”

风力发电的能量由于风速因季节、时刻随时变化而变化，而且变化频率快、幅度大，通常是随机的，这给风力发电用户在使用上带来困难。飞轮储能应用到风力发电系统中，发挥响应速度快的优点，时时进行“削峰填谷”。当风力发电机组输出功率大于负荷功率时，多余的功率供给飞轮转子，此时飞轮系统中的电动/发电机处于电动机运行状态，电能转化为动能；当风力发电机输出功率小于负荷功率时，风力发电机输出功率与负荷功率之差由飞轮系统储存的能量提供，此时飞轮系统中的电动/发电机处于发电机运行状态，释放动能并转化为电能。

2 适合于1.5 MW风机的飞轮储能系统

2.1 飞轮储能系统的总体方案

飞轮储能系统以直流总线（DC BUS）方式连接到风能电力线路中，其输入和输出均为直流。图2是飞轮储能系统总体方案。储能系统由飞轮储能装置、能量转换模块（含电机-发电机控制）、磁轴承控制模块、监控系统、真空系统、冷却系统等组成。其中控制部分采取上、下位机控制方式，监控系统由工控机作为上位机，下位机采用DSP控制，分为电力转换模块和磁轴承控制模块。

图2 飞轮储能系统总体方案Fig.2 Flywheel energy storage system overall design

2.2 飞轮储能系统的容量匹配

（1）储能量和最高工作转速

储能量的大小取决于具体的应用场合，考虑1.5 MW风机的应用以及将来组成阵列大规模应用，确定储能量为E=10 kW·h。

最高工作转速主要决定于飞轮转子的支承条件以及飞轮的材料强度，综合考虑确定为nmax=16000 r/min。

（2）飞轮转子极转动惯量当飞轮以最高转速16000 r/min运行时，储存的总能量为10 kW·h，即

式中，Jp为极转动惯量，kg·m2；ω为角速度，rad/s。

由式(1)得飞轮极转动惯量为

（3）放电深度

取基速ω0（最低工作转速）为最大转速的1/2，则飞轮的放电深度为

储能系统由机械能转化为电能，存在能量转换效率问题，为了计算方便忽略效率，则有效发电量为Ey=Eλ=7.5 kW·h

（4）电动机/发电机功率

在风力发电机组中，1.5 MW风机占有较大比例，因此，以1.5 MW风机来确定飞轮储能系统发电的最大功率。按1.5 MW风机功率需调节10%计算，飞轮储能系统发电功率为150 kW，考虑到可能出现更大峰值情况，取发电最大功率为200 kW。

电动机/发电机为一体化结构，根据发电最大功率及考虑用于风电调节对储能装置工作的需求，其充放电时间应该近似相等，所以选择充电最大功率为200 kW。当然，根据电动机驱动控制方式不同，也可以降低最大功率。

2.3 飞轮储能装置总体结构

飞轮储能装置是飞轮储能系统的核心，其总体方案直接影响储能系统的性能和运行稳定性及安全性，确定飞轮储能装置总体方案如图3所示。主要由飞轮转子、电动机/发电机、径向电磁轴承、轴向电磁轴承、辅助轴承、真空室等组成。飞轮转子包括转子轴、飞轮轮毂、多层复合材料飞轮等，电动机/发电机、径向电磁轴承、轴向电磁轴承的转子安装在转子轴上，相应定子由壳体固定支撑，在转子轴的两端装有辅助轴承，上述所有部件密封在真空室中，使飞轮转子工作时具有更小的工作阻力[7]。具体如下：①转子轴采用整体结构形式，根据零部件的安装形成不同的阶梯，应具有足够的强度和刚度；②飞轮包括金属轮毂和多层套装的复合材料飞轮，应具有足够的强度和刚度；③电磁轴承包括两个径向磁轴承和一个轴向磁轴承， 径向磁轴承分别位于飞轮两端，电磁轴承应满足转子动力学的要求；④电动机/发电机为一体机，采用交流同步永磁电机形式，应满足系统充电和放电所需功率和时间要求，电动机/发电机的定子线圈采用水冷方式；⑤辅助轴承由上、下两个组成，提供系统静止时的支撑和磁轴承失效时的系统保护；⑥真空系统应保持真空室内的真空度。

图3 飞轮储能装置总体方案Fig.3 Flywheel energy storage module overall design

3 飞轮储能系统充放电工作模式

3.1 电动机/发电机充放电工作模式

电动机/发电机的控制可以采用恒扭矩和恒功率控制方式，电动机/发电机工作模式及控制方式见表1。

表1 电动机/发电机工作模式及控制方式Table 1 Motor/generator operating mode and control mode

3.2 发电机功率及放电时间

放电时间由负荷决定，在忽略能量转换效率的情况下，放电时间由式(4)计算

式中，N为功率，kW。

当放电深度为3/4时，不同负荷比的发电功率时间曲线如图4所示。

图4 发电功率时间曲线Fig.4 Output power vs.discharge time curve

3.3 电动机功率及充电时间

电动机的功率按式(5)计算

式中，N为功率，kW；M为扭距，N·m。

惯性负载扭矩按式(6)计算[8]

式中，ε为角加速度，rad/s2。

由式(6)得恒扭矩加速时间为

式中，ω1为初始角速度，rad/s；ω2为结束角速度，rad/s。

恒功率加速时间与放电时间计算方法相同，由式(4)得

表1中的控制方式1和控制方式2由于采用了不同的工作模式，因此，在充电过程中扭矩和功率也不同，下面分别计算两种控制方式的扭矩、功率和充电时间。

控制方式1最大扭矩发生在基速点，随着转速升高，扭矩下降，保持充电功率恒定。图5是不同转速下扭矩、功率和充电时间的曲线。

图5 控制方式1扭矩、功率和充电时间Fig.5 Torque, power and charging time of control mode 1

控制方式2随着转速升高，功率增大，最大功率出现在最大转速时，由静止到最高转速保持扭矩恒定。此时扭矩为图5中最高转速时的扭矩，即M=119.4 N·m。不同转速下扭矩、功率和充电时间曲线如图6所示。

图6 控制方式2扭矩、功率和充电时间Fig.6 Torque, power and charging time of control mode 2

由图5和图6可以看出，恒功率控制方式1所需充电时间为恒扭矩控制方式2的3/4，启动时间为1/2，最大扭矩为2倍，两者最大功率均为200 kW。

4 结 语

飞轮储能在电网级别调频、风力发电平滑输出以及分配式发电和微网等领域均具有技术优势。以1.5 MW风机平滑输出为对象，匹配了相应的飞轮储能总体技术指标，并对储能系统和飞轮储能装置进行了方案设计，分析了飞轮储能系统的工作模式，为电动机/发电机的设计以及能量转换系统的开发提供依据。通过对飞轮储能系统工作模式的分析，用于调频和可再生能源平滑输出的飞轮储能系统，需要不断地进行充放电，比对UPS用的飞轮储能系统的要求更高。

[1]Ghedamsi K，Aouzellag D，Berkouk E M.Control of wind generator associated to a flywheel energy storage system[J].Renewable Energy，2008，33：2145-2156.

[2]Suvire G O，Mercado P E.DSTATCOM with flywheel energy storage system for wind energy applications：Control design and simulation[J].Electric Power Systems Research，2010，80：345-353.

[3]Yang Haixia（杨海霞）.储能电力调频迈向商业化[J].China Investment（中国投资），2013，11：66-68.

[4]Wang Huajun（王华君），He Tao（何涛），Wang Fengtao（王风涛），et al.Matlab / simulink research on stability of wind farms usingflywheel energy storage system[J].Journal of Hebei University of Technology（河北工业大学学报），2014，43（4）：16-21.

[5]Yu Bin（俞斌），Wei Zheng（韦徵），Yang Bo（杨波），et al.Control strategy of flywheel energy-storage system for wind farm without interconnection with grid[J].Electric Drive（电气传动），2013，43（1）：56-60.

[6]Beacon Power.Operating plants[EB/OL].[2014-11-24].http:// www.beaconpower.com.

[7]Han Yongjie，Ren Zhengyi，Tong Yongxiang.General design method of flywheel rotor for energy storage system[J].Energy Procedia，2012，16：359-364.

[8]Zhao Han（赵韩），Yang Zhiy（i杨志轶）.Study on design of flywheel energy storage device[J].Acta Energiae Solaris Sinica（太阳能学报），2002，23（4）：493-497.