高速大功率飞轮储能装置的特性与应用

唐英伟，张建平，邓聪，叶才勇

（1. 盾石磁能科技有限责任公司，河北 唐山 063000；2. 华中科技大学，湖北 武汉 430074）

0 引言

飞轮储能装置是一种高度机电一体化的惯性储能装置，主要包括飞轮、支承轴承、电动/发电机、电力电子变换器、真空室等部分[1]。相比于其他常见储能技术（如铅酸电池、抽水储能等），飞轮储能有着功率密度高、储能密度高、效率高、响应时间短、使用寿命长、绿色环保等优点，在轨道交通制动能量回收、电网电能质量调节、不间断电源UPS、电动汽车、航空飞行器电源等方面有着广阔的应用前景[2-3]。随着新型材料、高速电机、电力电子控制技术、磁轴承技术的发展与进步，飞轮储能正朝着大容量、高速化、高效化、高安全性、适应性强、模块化的方向发展[4-6]。

随着复合材料、高速电机、自动控制等各项技术的突破，国内外对飞轮储能装置的研究取得了诸多进展。2009年，美国Beacon Power公司在美国能源部的支持下建设了两个20 MW飞轮电站；在2014年至2016年期间研发出功率160 kW的400模块化系列和360 kW的450XP系列飞轮储能装置，储能分别为30 kWh和36 kWh，工作转速为16000 r/min[7]。美国Active Power公司开发了用于UPS的飞轮储能装置，功率为250 kW，工作转速范围在7000～7700 r/min，放电持续时间为几十秒到几分钟[8]。美国VYCON公司开发出的飞轮储能装置，额定功率140kW，转速范围6000～24000 r/min[9]。

我国飞轮储能研究相对国外起步较晚，主要是研究所和大学在进行飞轮储能样机的研究。目前，我国与国外先进国家相比仍然存在明显差距。近年来，典型的样机参数是：2010年，清华大学与中国电力科学研究院合作，研制了一套2.4 kWh/20 kW/5200 r/min复合材料飞轮储能实验系统[10]。2014年6月，中国电力科学研究院与华中科技大学共同研制了一套1.3 kWh/15000 r/min复合材料飞轮储能样机[11]。2016年，清华大学为钻机混合动力传动系统研制了一套16.6 kWh/500 kW/2700 r/min合金钢飞轮储能系统[12]。华北电力大学、北京航空航天大学、哈尔滨工程大学、沈阳工业大学、哈尔滨工业大学等单位也开展飞轮储能技术的研究工作，对飞轮转子的结构设计、飞轮储能电机系统、磁悬浮轴承系统等飞轮关键技术进行了基础研究，取得了一定的研究成果[13-16]。

本文针对电网电能质量调节及地铁等冲击性负荷对电网影响的解决方案，研发了一款高速大功率的飞轮储能装置。

2 GTR飞轮储能装置

GTR飞轮储能装置的整体结构如图1所示。

图1 GTR飞轮储能装置结构Fig. 1 Structure of GTR flywheel energy storage device

该飞轮储能装置主要包括碳纤维复合材料转子、高速高效永磁电机、被动磁悬浮轴承、针式球形螺旋槽轴承、真空腔及外壳等部分。

高速永磁电机为外转子内定子结构。电机定子铁芯采用超薄高硅钢片叠制，绕组采用高频litz线，从而降低电机的铁耗和铜耗。并且，定子中心为空心轴，用于导线引出和冷却水路布置，能保证长时间运行温度控制在合适的范围内。

电机转子为无铁芯磁粉纤维层，与外层纤维复合材料飞轮径向一体化集成。纤维复合材料飞轮为多层材料的圆筒式结构。该转子结构一方面可以抑制转子涡流损耗，缓解真空环境下转子散热难题；另一方面，无铁芯转子层与纤维复合材料层集成为一体，不仅提高了飞轮转子系统允许的最大线速度和储能密度，也提升了飞轮转子的安全性。

轴承系统是由针式球形螺旋槽动压轴承和永磁被动磁轴承组合形成的。永磁被动磁轴承安装在转子的顶部，针式球轴承和阻尼系统安装在转子的底部，两者形成支撑配合，不仅降低了轴承损耗，也省去了主动磁轴承所需的复杂动态检测与快响应控制系统，实现了高速转子的悬浮稳定支撑。

飞轮储能装置的主要参数指标如表1所示：

表1 飞轮储能装置参数指标Table 1 Parameter index of flywheel energy storage device

3 典型飞轮储能单机的比较分析

为分析本文所述GRT 333飞轮储能装置在国内外飞轮储能产品体系中的技术定位和参数水平，此处对典型飞轮储能单机的拓扑结构和主要性能参数进行对比分析。

飞轮储能单机典型拓扑结构有四种，如图2所示[17]。

图2 飞轮储能系统典型拓扑结构Fig. 2 Typical topological structures of flywheel energy storage system

第一种拓扑结构为常规电机结构，通过电机转子储能，为了提高储能量，通常电机体积和重量大，转速和储能密度较低。第二种为电机和飞轮分体式结构，通过中轴或者联轴器将电机与飞轮联系起来，整体临界转速较低，振动和噪声大。第三种为金属轮毂内传子外飞轮结构，其纤维增强复合材料薄壁轮缘具有较高的储能密度，但内转子电机在空间上限制了电机的额定功率。第四种为无轮毂外转子外飞轮结构，与第三种结构一样，具有较高的储能密度，同时由于采用外转子，可以增大电机的有效几何尺寸，从而提升电机的额定功率。这四种单机拓扑结构中，只有第二种是分体式结构，其他三种为一体化结构。

典型飞轮储能单机结构图如图3所示[18]。

图3 典型飞轮装置结构图Fig. 3 Typical flywheel structure diagrams

从拓扑结构的角度，盾石磁能、GKN飞轮单机拓扑结构属于外转子外飞轮结构，Beacon Power属于内转子外飞轮结构，Active Power属于内转子内飞轮结构，ABB Powercorp属于电机和飞轮分体式结构。

典型飞轮单机的主要性能参数如表2所示：

表2 GTR 333与其他飞轮储能装置的特性比较[19]Table 2 Comparison of the characteristics of GTR 333 and other flywheel energy storage devices

从表2中可以看出，虽然GTR 333的储能量较小，但是储能密度较高，工作转速高，响应速度快，符合功率型飞轮储能装置的特点。此外，GTR 333满功率循环充放电次数为30次/小时，频繁充放电能力强。

4 GTR飞轮的应用

4.1 轨道交通领域

在城市轨道交通领域，主要耗能形式为电能，其中牵引系统能耗占所耗电能的90%[20]。在地铁制动运行时，牵引电机作为发电机将列车的动能转变为电能反馈到直流牵引电网，这样会造成牵引电网电压升高。过高的电压会造成电气故障。为了处理这个问题，通常的方法在列车段接入电阻进行能耗制动。这种方式需要配备相应的冷却装置，不仅增加了散热装置的能耗，还浪费了再生制动能量。

采用飞轮储能装置替代电阻能有效的解决上述的问题。采用飞轮储能装置作为再生制动能量的存储单元，当地铁制动时飞轮储能装置回收再生能量；当地铁启动或牵引电网需要能量回馈时，飞轮储能装置再将存储的能量回馈至牵引电网。这样合理的利用地铁制动时的再生制动能量，提高了电网能量利用率，同时降低了散热装置的能耗。

上述的GTR飞轮装置已成功安装应用于美国洛杉矶地铁黄金线高地公园站，由5台200 kW的GTR飞轮组成的集装箱1 MW轨旁固定式再生能利用系统被安装在高地公园站附近。图4为飞轮安装现场。

图4 飞轮安装现场图片Fig. 4 Pictures of flywheel installation site

飞轮未投入使用之前，技术人员对地铁牵引网压进行采集，得到了牵引电网一个时间段内的电压波动曲线，如图5所示，从曲线上我们可以发现，地铁牵引网电压最大值为853 V，最小值为518 V，电压纹波系数为41.9%，网压波动幅度比较大。

图5 飞轮未投入时牵引网压波动Fig. 5 Fluctuation of traction net voltage without flywheel

图6是飞轮投入运行之后收集的运行数据。绿色曲线为牵引网压，红色曲线为飞轮的充放电功率，从数据上来看，应用飞轮储能系统后牵引网电压的最低值在700 V左右，电压纹波系数为19.1%，电压波动较飞轮应用前有了很大改善。

图6 投入飞轮后牵引电网压波动情况Fig. 6 Fluctuation of traction net voltage with flywheel

综上所述，该GTR飞轮储能装置解决高地公园站的三个问题：① 飞轮装置的投入有效地降低了牵引网电压波动；② 飞轮回收的再生制动能量可回馈牵引电压网，能够解决牵引网压过低的问题，为供电线路提供电压支撑；③ 高地公园站附近的路况比较复杂，列车需要先减速通过十字路口，然后加速爬坡。列车加速时，由飞轮提供有功功率补偿，能有效缓解双边供电的压力。

4.2 行业认证

该GTR飞轮装置于2016年在国内轨道交通行业权威产品测试认证机构“国家铁路产品质量监督检测中心”完成设备安全检测及产品性能测试，全部指标均达到国家轨道交通行业技术标准。2017年5月份，中国电力科学院电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心对该GTR飞轮装置进行了检测，全部指标均达到国家电力行业技术标准。GTR飞轮是我国首套通过国家铁路产品质量监督检测中心和国家权威电力机构检测的飞轮储能装置。

5 结论

GTR 333飞轮属于功率型飞轮储能装置，其具有毫秒级的功率响应特性，适用于频繁充放电的工况。GTR 333在轨道交通领域已经投入实际应用，实际应用的试验结果表明：GTR飞轮短时储能，高频次充放电，优良的功率响应特性等优点能快速有效地降低电网电压（功率）的波动。GTR 333飞轮在电网/微电网调频、再生能回收再利用、UPS 电源以及大功率脉冲电源等领域具有广阔的应用前景。

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