磁悬浮储能飞轮技术研究及应用示范

刘付成 李结冻 李延宝 吕奇超

上海航天控制技术研究所

上海市空间智能控制技术重点实验室

磁悬浮储能飞轮技术研究及应用示范

刘付成 李结冻 李延宝 吕奇超

上海航天控制技术研究所

上海市空间智能控制技术重点实验室

飞轮储能系统是利用飞轮加、减速旋转实现电能与机械能相互转换的装置。介绍了飞轮储能的基本原理以及磁悬浮储能飞轮研究的关键技术，并对飞轮储能的目标市场进行分析。

飞轮储能；基本原理；目标市场

能源问题是21世纪人类所面临的重大课题之一，在不断开发新能源的同时，为了更有效地利用现有的能源，需要发展先进的节能技术和储能技术。飞轮储能是可将电能、风能、太阳能等能源转化成飞轮的旋转动能加以储存的一种新型的高效的机械储能技术。飞轮储能的主要特点：①储能密度高、功率密度大，在短时间内可输出更大的能量，这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动；②能量转换效率高，一般可达85%～95%；③对温度不敏感，对环境友好；④使用寿命和储能密度不会因过充电或过放电而受到影响，只取决于飞轮电池中电子元器件的寿命，一般可达20年左右；⑤容易测量放电深度和剩余“电量”；⑥充电时间短，是属于分钟级别；⑦与某些其他装置组合使用时，如与其他动力装置一起混合用于电动汽车上，与卫星姿态控制装置结合用于卫星上，与传统的发电机组混合用于分布式发电系统中，其优势更加明显。

1 飞轮储能工作原理

储能飞轮是一种机械储能装置，当飞轮以一定的角速度旋转时，它便具有了动能。飞轮的转速增加，其所存储的能量也跟着增大；飞轮的转速降低，其所存储的能量便减少。假设飞轮的转动贯量为J，飞轮转动的角速度为ω，质量为m，飞轮半径为r，则飞轮存储的能量可以表示为：

飞轮电池正常工作时，飞轮转速在最大转速ωmax和最小转速ωmin之间，那么飞轮储能可以吸收或放出的能量大小为：

飞轮存储或释放能量的功率为：

其中M为飞轮的电磁转矩，存储能量时转矩与转速同向，释放能量时转矩与转速反向。

2 磁悬浮储能飞轮技术研究

2.1 超高速转子设计技术研究

飞轮的储能量与其角速度的平方成正比，因此提高飞轮转子的转速可以显著提高飞轮的储能量。但是飞轮高速旋转产生的巨大向心力，要求采用比强度σ∶ρ，即材料的许用应力(σ)与密度(ρ)的比值高的材料来制作飞轮转子。高强度合金钢的比强度和制成的飞轮储能密度都远不及高强度纤维材料，所以目前储能飞轮一般都采用高强度碳纤维复合材料。高强度碳纤维复合材料以碳纤维为主，并用聚合物母基（如环氧树脂）作为填充物成型。从某种意义上说，飞轮储能系统所能存储的最大能量受飞轮结构材料及所建立并分布在其中的应力大小限制，所以有必要对储能系统飞轮转子材料进行研究。

美国Maryland大学已经研究成功储能20 kWh多层圆柱飞轮，飞轮材料为碳纤维—环氧树脂复合材料，具体参数为：外径564 mm、内径254 mm、厚553 mm、重172.8 kg，最大转速46345 r/min[1]。

美国Houston大学的德克萨斯超导中心致力于纺睡形飞轮开发，这是一种等应力设计，形状系数等于或接近1，材质为玻璃纤维复合材料，储能1 kWh、重19 kg、飞轮外径304.8 mm[2]。

2.2 高稳定、高可靠磁悬浮支承技术研究

飞轮储能系统无论处于充放电状态还是待机状态，飞轮都必须不停地高速旋转，因此减少轴承的摩擦损耗对于飞轮储能系统的效率很重要。传统的机械轴承支承摩擦损耗比较大，采用机械轴承的飞轮储能系统，储能过程的能量损失会很大。采用磁悬浮轴承支承飞轮，轴承副不直接接触，因此轴承的运行稳定，运行过程基本上无磨损，轴承的工作寿命长。由于磁悬浮轴承没有直接接触面，因此也无需润滑和润滑介质，避免了润滑剂泄露环境污染，省略了传统润滑系统所需要的泵、管道、过滤器和密封件等，并能在高温或极低温等特殊环境下工作。飞轮储能系统采用磁悬浮轴承后，只要飞轮的材料有足够的机械强度，飞轮的转速就可以大大提高，储能密度也因此得到提高。

2.3 高效率电动机/发电机一体化技术研究

飞轮储能系统的电能转换装置，包括电动机/发电机和电子电力转换元件。由于飞轮储能系统的电机转速很高，而且必须在真空环境中工作，因此电机运行过程中的散热条件很差，所以对电机的要求非常高。飞轮储能系统的机电转换装置可以采用永磁无刷电机、感应电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机等，其中永磁无刷电机在结构和功耗上有优势。电子电力转换装置具有调频、整流和亘压等功能。飞轮储能系统运行在放电模式时，电子电力转换装置作为交流转换器把发电机输出的电能转换成常用的电源和频率；轮储能系统运行于充电模式时，电子电力转换装置变成电动机的控制器模式。为了达到机电转化的高可靠及高效率，需对机电转换系统技术进行研究。

2.4 飞轮储能密封技术研究

飞轮储能密封主要作用是为飞轮储能系统的飞轮和电机提供真空环境，降低储能系统运行的风损，当飞轮发生事故时还可以起到屏蔽事故防止事故扩大的作用。真空度是决定系统效率的主要因素之一，目前国际上较先进的飞轮仓真空度一般可达到10-5数量级。提高真空度虽能降低风损，然因为稀薄气体散热功能减弱，导致转子温升较高，因此必须综合研究飞轮的密封技术，既保证系统效率又能提高系统的可靠性、安全性。

2.5 电力电子转换技术研究

高效率的电力转换器是飞轮储能系统的控制元件。输入电能通过转换器成为直流电，供给电机；输出电能经过转换器调频、整流，供给负载，因而电力转换器是解决储能系统与母系统连接的关键部件。一般而言，转换器在交变电流通过零点时，控制其方向，可达到调频、整流的目的。过零点时，瞬时能量很小，损耗低，可实现能量输入、输出的高效率转换。

Beacon Power公司采用脉冲宽度调制转换器实现从直流母线到三相变频交流的双向能量转换。系统具有稳速、亘压功能，运用一个专利算法自动实现，不需要指定的主动或从动元件[3]。

3 磁悬浮飞轮储能市场分析及应用示范

上海航天803所，30多年来，主要从事卫星姿控系统及与之配套的贯性器件的研究，具备成熟的贯性平台技术、飞轮技术、控制力矩陀螺研制基础。先后研制成功从0.08 Nms到65 Nms动量轮的全系列产品，为10余个型号较好的完成了飞行任务。研制的近100多个飞轮产品中，单台最长在轨运行超过7年，地面寿命试验单台无故障运行7年以上，地面寿命试验累积无故障运行24年以上。

在上海市科委的资助下，完成了军民两用混合型磁轴承技术研究。此外，已研制成功储能量为1.3 kWh磁悬浮储能飞轮样机，飞轮采用永磁直流无刷电动/发电互逆式双向电机，磁悬浮轴承支撑，飞轮转速可达30 000 r/min，可在15 s内维持发电功率300 kW，效率可达到95%，目前已在实验室运行，储能飞轮试验样机如图1所示。

图1 储能飞轮试验样机

3.1 目标市场一：高功率高可靠不间断电源系统（UPS）

工业应用中，因其往往规模大、产值高、连续性生产需求高，因此电力中断会带来巨大的经济损失及无可挽回的结果。美国电力研究所（EPRI）有关美国再发性电力问题的研究表明，有超过90%的生产设备将遭受市电电压超过20%骤降情况的影响。研究中也统计了电压骤降幅度超过10%的发生次数，大约每年会发生30次。现今的工业应用设备，大量引入了智能化辅助设备，对电力供应品质提出了更高的要求。多元化的电力来源，比如：电网、废热发电、柴油发电机、小型电厂等等，为现代工业企业提供更经济的能源，同时也带来了供电品质的参差不齐。工业应用中品种繁多的负载类型（感性、容性、阻性负载等），给本来就不纯净的电网带来更大的污染。

磁悬浮储能飞轮在UPS领域的应用主要解决关键负荷的安全供电问题，在半导体行业、数据中心、医院、银行、电信等行业都有应用。磁悬浮飞轮UPS工作模式如图2所示，市电正常输入后，经稳压电路，一方而为负载提供电能，另一方而经两个双向变换器为飞轮提供储能电源。市电停电或发生故障时，飞轮储能器件作为临时交流电源，经两次变换并稳压操作后，为负载提供临时可靠的电能。

图2 飞轮UPS工作模式

国外市场已经全面启动，美国Active Power公司专门生产和销售UPS飞轮电池，年销售额已经达到7 000万美元左右；据ICT统计，UPS电源全球市场规模2014年已达62.2亿美元，且处于高速发展阶段，2020年预测为100亿美元。目前仍是以铅酸电池为主，急需新一代可靠、高效、绿色的飞轮UPS。国内市场刚刚起步，尚无自主知识产权的飞轮UPS产品，潜力巨大。

3.2 目标市场二：地铁电力的能量循环

图3 配置飞轮前后能量回收图

轨道交通中使用的地铁都存在电机制动的问题。目前多采用电气制动为主，空气制动为辅的互补制动形式。虽然电阻制动成本低，原理简单，但是机车频繁进出站带来的制动能量会浪费在电阻上，而把制动能量回收的再生制动方法节能环保。利用飞轮阵列储能系统来吸收机车进站刹车时产生的能量，然后在机车出站需要大功率能量加速时，由飞轮阵列储能系统提供这部分能量的支撑，从而可节约能源。安装在美国纽约地铁的飞轮阵列储能系统即被用来吸收列车制动能量和启动支撑[4]。

地铁公司最大的运营成本是牵引动力用电，一般占到总用电量的50%以上，而制动能量一般占牵引用电的30%～40%。可见，合理回收利用制动能量将很大程度影响到地铁运营成本。

如图3所示，利用飞轮制动能量回收系统能有效抑制母线冲击（30%以上），且同时实现能量循环利用，可节能20%以上。以上海为例，一个车站配置2 MW飞轮储能设备，以10 000元/ kW的工程成本，仅上海需要的一次性投资规模为450×2×10000×1000=90亿元。利用飞轮储能技术，可帮助上海地铁全线实现节约用电8.98亿kWh/a。能量循环系统同样适用于高铁、公交以及新能源汽车，市场规模巨大。

3.3 目标市场三：智能电网分布式飞轮储能调频电站

电力调峰是电力系统须解决的重要问题，因为电网频率的变动和偏差，对用户和原动机的危害很大。电网频率的稳定性和准确性，是供电质量的重要指标。飞轮储能技术能在电网负荷处于低谷时，发电机/电动机作为电动机拖动飞轮，把电能转换为动能。当在用电高峰时，发电机/电动机作为发电机把储存在飞轮中的动能转化为电能。与目前常用的抽水蓄能相比，飞轮储能技术具有能量输入输出快捷、转换效率高、成本低、充放电快捷等特点，在电力行业有广泛的应用前景。

在电网调频方面也有商业产品在一些工程中应用，美国Beacon Power公司负责建造的20 MW的飞轮储能工程于2011年7月12日在美国纽约正式投入运行，该工程能够承担该州10%的电网调频的任务[5]。

4 结语及展望

飞轮储能系统是一种机械储能装置，由于具有高功率密度、无环境污染、转换效率高、使用寿命长、运行温度范围广、充放电次数无限制等优点，在国外已获得了广泛的应用。然而国内的研究起步时间不长，飞轮储能技术的完善和改进及其运行控制技术还需要进行大量的研究工作。高功率、高效率、大容量和高储能密度是未来飞轮储能系统的发展方向。

[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