飞轮储能技术研究五十年评述
2018-09-21戴兴建魏鲲鹏张小章姜新建
戴兴建，魏鲲鹏，张小章，姜新建，张 剀
飞轮储能技术研究五十年评述
戴兴建1，魏鲲鹏1，张小章1，姜新建2，张 剀1
（1清华大学工程物理系，北京 100084；2清华大学电机工程系，北京 100084）
本文回顾了飞轮储能技术研发50年的历程，分析了飞轮储能技术特点、应用领域以及关键技术问题。飞轮储能具有功率密度高、循环寿命长、响应迅速、能量可观性好以及环境友好的优点。当前，研制的飞轮储能系统单体能量为0.5～130 kW·h，功率为0.3～3000 kW。重点关注了飞轮用低成本高比强度新材料、高温超导磁悬浮技术。飞轮储能在电能质量调控、不间断过渡电源以及电网调频领域实现了商业化应用，在车辆混合动力领域的示范应用中实现节能20%～30%，处于产业应用的临界点。针对电网规模大功率、高能量储能需求，发展趋势是由数十千瓦时以下发展到百千瓦时，并通过阵列化组装成10～100 MW储能系统，放电时间可拓展到1 h。
飞轮储能；风力发电；电动车；开关特性；电网调频
现代电力供应具有大规模、连续性的特点，这与用电负荷具有随机性和间断性之间的矛盾，导致发电、输电和变电设备的效率降低。新型能源如风电和光伏发电具有天然的波动特性[1-2]，其大规模开发和利用，将使电力供需矛盾进一步突出，解决供需矛盾的重要技术途径是在电网里引入大容量、高效率和低成本的先进储能技术[3-5]。目前大规模电储能以抽水储能为主，各种正在研发的新型储能技术具有良好的应用前景，如飞轮储能、超级电容器储能、超导磁储能、压缩空气储能、锂离子电池、液流电池和钠硫电池储能等[6-7]。
电能存储按容量可分为长时大能量、短时高功率两种，长时大容量的抽水储能电站可以在电网规模上提供数小时的电能供给；而短时高功率的飞轮储能可为高端用户端提供高品质不间断电能供给[8]。高品质电能供给、过渡电源、能源管理对储能时间尺度分别为秒分、分时和数小时。
图1 典型的储能需求[9-10]
各种储能方式的技术对比如表1所示。从中可以看出，飞轮储能具有效率高（达90%）、瞬时功率大（单台兆瓦级）、响应速度快（数毫秒）、使用寿命长（10万次循环和15年以上）、环境影响小等诸多优点，是目前最有发展前途的短时大功率储能技术之一。
飞轮储能的基本原理是绕定轴旋转的转动刚体在转速变化时需要获得能量而加速，减速过程需要减少动能而释放能量。这在古老的陶工转盘以及近代发动机的大转动惯量飞轮中都有大量的实际应 用[12]。
现代飞轮储能一般是指电能与飞轮动能之间的双向转化，因此特征是飞轮与电机同轴旋转，通过电力电子装置控制飞轮电机的旋转速度，实现升速储能、降速释放的功能。一种例外是混合动力车辆中，高速飞轮通过变速器与传动系机械连接，实现动能的存储与释放，为车辆驱动提供瞬时较大功率支撑。
如图2所示，飞轮储能系统（FESS）通常包括：飞轮、电机、轴承、密封壳体、电力控制器和监控仪表等6个部分。
表1 储能方式技术对比[1-2,6,11]
图2 飞轮储能系统结构
飞轮储能以数毫秒内快速响应、持续放电时间为分秒级，因此比较适合功率应用场景，比如不间断供电过渡电源、调频、电能质量调控等[13]。对比分析表明，在功率型储能应用领域，优于电池储 能[14]。美国能源部的研究报告表明，飞轮储能和阀控铅酸电池相比，在20年寿命期内循环使用成本低于57%，但初期投资高于42%[15]。
现代飞轮储能技术自20世纪中叶开始发展，至今已有超过50年的研究、开发和应用的历史。通过前30年的技术积累，20世纪90年代中后期，技术最先进的美国进入产业化发展阶段，首先在不间断供电过渡电源领域提供商业化产品，近10年来飞轮储能不间断电源（UPS）市场稳定发展。国内从2010年前后，出现了飞轮储能系统商业推广示范应用的技术开发公司，如北京奇峰聚能科技有限公司、苏州菲莱特能源科技有限公司、深圳飞能能源有限公司、上海中以投资发展有限公司、北京泓慧国际能源技术发展有限公司、唐山盾石磁能科技有限责任公司等，这和15年前的美国情况相似。
美国20世纪70年代提出车辆动力用超级飞轮储能计划，大力研究高能量密度复合材料飞轮、电磁悬浮轴承以及高速电动/发电一体化电机技术。飞轮储能技术在车辆（公交车、小车和轨道交通车辆）混合动力应用领域长期积累，实现了多种工程样机的示范应用，技术日趋成熟，处于产业化前夜，推广速度很大程度上取决于燃料价格和排放压 力[16-17]。飞轮储能技术在风力发电平滑领域有着广泛的应用前景[18]，飞轮储能还可应用于分布光伏发电的波动调控[19]。
飞轮储能技术领先的美国还重点研究了航天飞轮储能技术，经过20年的积累，完成了地面测试和论证，虽然最终没能实现在轨测试[20]，但其相关关键技术转化到民用领域，获得了工程应用。
飞轮储能技术发展以提高能量密度、效率以及降低成本为目标。通常，依据轴系的旋转速度6000～10000 r/min为限，分成低速（但低速飞轮直径较大，边缘圆周速度远高于通用旋转机械，达到200～300 m/s，存在结构强度问题）和高速两类，低速飞轮储能不以高能量密度、高功率密度为目标，主要发挥其技术成熟、效率高、成本低廉的优势。
高速飞轮储能系统技术门槛较高，复合材料结构技术、磁轴承技术、真空中的高速高效电机技术仍然有一些亟待解决的课题：如复合材料的使用寿命评估、电磁轴承和高温超导磁轴承的工程化应用问题、大功率高速电机转子材料和结构设计问题以及高速轴系的机电耦合转子动力学问题。
飞轮储能技术产业化应用的途径是发展其特定领域的示范、推广和规模应用，而规模化生产是降低使用成本的关键因素。
在本文中，基于跨度50年的文献调查和课题组20年飞轮储能技术研究开发经验，归纳和分析飞轮储能的技术特征、难点和应用领域，评述飞轮储能技术发展历程，分析国内外发展差距，展望飞轮储能技术发展新的发展前景。
1 文献检索分析
1.1 Engineering Village Compendex数据库
以titleabstractkeyword中包含“flywheel energy storage”为检索策略，得到3886篇文献，时间跨度50年（1967—2016年）。其中最近10年内文献发表国前5名的分别为中国、美国、日本、英国和韩国。再将文献范围缩小，以Title中包含“flywheel energy storage”的检索，得到816篇论文，近20年发表文献见图3，分布年代如表2所示。
图3 近20年论文发表年
飞轮储能技术发展经过了50年的历程，前30年是发展初期，这期间文献总数小于1997—2006年十年间的文献总数，而前40年文献量又只有最近10年的57%。最近10年文献量的增加中，中国的贡献最大，这和其它科技文献增长趋势类似，由26篇爆发增长至198篇。从工程类文献增长态势看，飞轮储能技术长期持续的受到了工程界的关注，具备较高的工程研发价值。
表2 50年发表年分布（总计816篇）
1.2 Web of Science检索
Web of Science 核心合集两个数据库：Science Citation Index Expanded （SCI-EXPANDED）和Conference Proceedings Citation Index-Science（CPCI-S）中“subject”包含“flywheel energy storage”的近20年内发表的论文为1288篇；50年间论文一共为1358篇（1967—2016年，1969年第1篇，见图4）。
图4表明，近20年的发表文献快速增长，与EI数据库相关文献规律一致，这说明飞轮储能技术在应用基础研究方面，也有一些尚未解决的课题。其中热点问题有高温超导磁悬浮技术，其中包含“superconducting”的论文238篇，自1994年发表首篇论文，这些论文里日本89篇、美国40篇、中国31篇、德国17篇、韩国13篇、英国11篇。其中包含“composite”论文116篇，这些论文里美国52篇、中国17篇、韩国12篇、德国7篇、英国6篇、日本5篇。
图4 文献分布
将检索数据库中“Title”包含“flywheel energy storage”为检索策略，Web of Science 核心合集数据库Science Citation Index Expanded （SCI-EXPANDED）中查到251篇文献（1969—2016年）。年代分布规律与图4极其相似，近20年内有快速稳定增长，这些文献发表作者国别见图5。
图5 文献发表国家分布
1.3 中国知网数据库
中国知网（CNKI）数据库中文献主题中含有“飞轮储能”的文献共1023条，标题中含有“飞轮储能”文献一共412篇，其中期刊288篇。20年以前，只有零星的文献，近10年有一个快速增加，2011年、2012年达到顶峰50篇左右，后又有所下降到近3年的平均40篇。
412篇文献发表单位前10名如图6所示，近10年内发表被引用超过40次的论文3篇[21-23]。其它高被引论文的研究内容包括飞轮储能电机控制[24]，微电网调控[25]、可再生能源发电平滑[26-28]、电压暂降抑制[29]以及不间断电源[30]。
国内主要研究单位有十余家，研究涵盖飞轮储能的各个方面：复合材料飞轮[31-39]、高速电机分 析[40]和设计[41-42]，多型电机的选用[43-45]，磁悬浮[46-47]、轴系动力学[48]、充放电测试[49]，飞轮储能系统充放电控制方法与策略[50-57]，飞轮储能应用领域包括动态电压补偿[58]、地铁能量再生利用[59]、电动车功率补充[60-61]、风力发电[62-64]、动力调峰[65]、钻机势能回收[66]、电网调频[67]。
图6 发表文献单位分布
50年的国内外文献发表情况表明，飞轮储能技术研发虽然历时弥久，但依然受到储能工程学术界的关注，具备良好的发展前景。发展驱动源于飞轮储能技术的机电综合复杂特性难题以及材料、轴承、电机、电力电子技术的不断进步，特别是近年来新能源供给和消费的突出矛盾对各种类型的储能技术提出了较强的需求。
2 关键技术
2.1 飞 轮
飞轮是储能元件，需要高速旋转，主要利用材料的比强度性能，经过多年的发展，已有较成熟的设计优化方法。金属材料飞轮的结构设计内容为形状优化[12,68-69]。复合材料飞轮则因为材料的可设计性、材料性能与工艺的相关性以及破坏机理的复杂性而显得不很成熟，一直是研究的热点问题[70-71]。
50年以前，人们发现纤维增强复合材料具有高强度、低密度的良好性能，于是进行了复合材料飞轮力学分析研究[72-74]。到20世纪90年代，基本理论方法趋于成熟。ARNOLD等[75]给出了圆盘飞轮在过盈、边界压力、离心载荷下的弹性应力解析解，并讨论了厚度、厚径比、材料性能参数对应力的影响，提出了一种飞轮在恒定和循环载荷破坏极限速度的计算方法，这是复合材料飞轮力学分析的经典文献之一。计及尺寸、加速度、轮毂接触、吸湿等多因素，PEREZ-APARICIO等[76]建立了复合材料力学微分方程，直接积分得到了位移、应力和失效因子的闭合精确解。为评价复合材料飞轮长期持久特性，开发了弹性和黏弹性行为的分析程序[77]。
ARVIN等[78]用模拟退火算法优化求解二维平面应力各向异性弹性方程问题，设计出5～8层过盈装配的圆环飞轮，其能量密度为40～50 W·h/kg，轮缘线速度为800～900 m/s。HA等[79-83]采用分瓣型轮毂实现大变形并给轮缘施加内压力，从而减少轮缘径向拉伸应力，研制出了670 m/s、40000 r/min和储能500 W·h的飞轮，理论强度安全系数为1.7[79]。基于0.5 kW·h多层轮缘飞轮，放大设计出了5 kW·h和100 kW·h的混杂复合材料飞轮[80]。采用了多策略优化算法求解多层混杂纤维复合材料飞轮，实现能量/费用比最大的优化目标[81]。为制作35 kW·h/15000 r/min的飞轮，采用了4层玻璃纤维、碳纤维混杂结构组合成两轮缘压装工艺[82]。和通常的金属轮箍不同，形状和制造工艺较复杂的弹性复合材料轮箍设计在15000 r/min时环向应变达到1%，以便于与51 kW·h的飞轮转子内圆配合[83]。
除了采用多环套装、混杂材料、梯度材料、纤维预紧的纤维缠绕设计提高飞轮的储能密度外，二维或三维强化是复合材料飞轮设计中另一条路径。环向、径向双向强化铺设纤维，二次规划算法参数有限单元方法实现优化[84]。在径向/环向双向纤维铺放叠层优化设计中，最大应力准则、最大应变准则和蔡-吴准则对飞轮的最高储能密度预测影响较 大[85]。以最大应变准则为失效判据，三维复合材料圆盘的理论爆破速度达到1800 m/s，储能密度150 W·h/kg[86]。采用圆环型二维机织结构叠层复合材料实现飞轮径向强化是一种新尝试，理论预计储能密度可达53 W·h/kg[87]。
本课题组[88]采用玻璃纤维、碳纤维混杂梯度材料设计，湿法缠绕工艺，在1997年实现300 W·h复合材料飞轮储能系统的充放电实验，飞轮线速度达到580 m/s，2004年实现700 m/s稳定运行。2006年实现极限实验速度796 m/s，2015年研制的二维纺织碳纤维复合材料飞轮极限实验速度达到876 m/s。目前，具备了700 m/s的复合材料转子的工程应用设计能力。
为降低制造成本，在500～1000 kW飞轮储能系统研制中，采用了优化的合金钢飞轮[68-69]，2013年、2016年两种金属飞轮混合磁悬浮储能系统分别通过了5000次、12000次充放电考核运行，完成了钻井示范应用工程。
图7 混杂复合材料飞轮和机织复合材料飞轮
尽管复合材料飞轮的理论储能密度高达200～400 W·h/kg，但考虑到制造工艺、轴系结构设计、旋转试验等复杂制约因素，在实验或工程中，安全稳定运行的复合材料飞轮的储能密度通常不高于100 W·h/kg。
文献调研表明，单个复合材料飞轮总设计储能能量为0.3～130 kW·h。国内理论设计研究水平与国外相近，但在实验研究方面，差距较大，离工程应用还有相当的距离。
2.2 轴 承
飞轮轴系使用的轴承包括滚动轴承、流体动压轴承、永磁轴承、电磁轴承和高温超导磁悬浮轴承。为取长补短，采用2～3种轴承实现混合支撑。轴承损耗在飞轮储能系统损耗中有较大贡献（几十瓦到几千瓦），因此轴承的研究设计目标主要为提高可靠性、降低损耗和延长使用寿命。
滚动轴承技术成熟、损耗大、成本低、高速承载力低，通常低于10000 r/min，一般与永磁轴承配合使用。电磁轴承技术较成熟、损耗小、系统复杂、成本高，转速范围为10000～60000 r/min[89]。高温超导磁悬浮损耗最小、系统复杂、成本高，转速范围为1000～20000 r/min，是大储能量飞轮储能轴系的首选，高温超导磁悬浮技术自20世纪90年代出现以来，一直处于实验室研发验证阶段，日本、韩国、美国和德国投入研究力量较大[24]。
考虑到高转速轴系的稳定性问题、电磁系统损耗以及控制功率损耗与旋转频率相关，试验研究用高速轴系转速为10000～60000 r/min，而工程应用中的高速飞轮储能轴系旋转最高转速为15000～30000 r/min比较合理。
永磁、电磁轴承设计理论方法基本成熟，多属于工程应用研究范畴。FILATOV等[90]将3.2 kg转子支撑于永磁轴承的轴系，稳定旋转到20 Hz。电磁轴承控制算法中嵌入径向位移同频偏差的二次性能指数最小化[91]。电磁轴承控制策略包括两个子系统：控制转子刚性模态的模态分离控制子系统、抑制噪声的速度测控子系统[92]。非线性补偿自适应共振控制算法用于永磁偏置型电磁轴承性能改进控 制[93]。建立了在静态和动态线圈电流作用下，磁轴承的自传感解调器各环节的频域解析模型[94]；基于电磁轴承差动控制模式，提出一种转子位移的协同估计策略[95]，在四自由度径向电磁轴承刚性转子系统平台上得到实验验证。
超导磁悬浮（SMB）是最晚出现的轴承技术，近年来一直受到重视。HULL等[ 96]提出了超导磁轴承等效摩擦系数的计算分析方法，悬浮0.32 kg的SMB摩擦系数为 3×10-7。超导磁悬浮飞轮在实验中运行到15000 r/min，低速运转条件下，压力4×10-4Torr（1 Torr=133.322 Pa），气隙6 mm，等效摩擦系数为9×10-6[97]。剑桥大学[98]分别用SMB和机械轴承悬浮40 kg飞轮，系统功率5 kW，储能5 kW·h（50000 r/min）开展比对研究。SMB仿真分析中采用海尔贝克阵列结构可以增加悬浮力和减少漏磁[99]。KOSHIZUKA[100]回顾了NEDO飞轮计划（2000—2004年）超导磁悬浮技术进展，提出100 kW·h级FESS的超导磁悬浮技术需求。波音公司[101]曾研发1套5 kW·h/3 kW小型超导磁悬浮飞轮储能试验装置。SMB用于悬浮5 kW·h/250 kW飞轮储能系统的600 kg转子，实验中其稳定性不足，需要增加阻尼[102]。在试验中，测到了高温超导磁轴承的刚度和阻尼分别为346.6 kN/m、1255 Ns/m[103]。XU等[104]用超高温超导YBCO体和Nd-Fe-B 永磁体，制作了推力和两个径向轴承，实现超导磁全悬浮，分析了涡流和磁滞损耗。SOTELO等[105]对比测试了超导磁悬浮和超导磁悬浮与永磁悬浮混合支撑下的轴系共振转速、轴承的径向和轴向承载力特性。
本课题组在1997—2005年的小型飞轮储能实验系统研制中，采用永磁上支承、流体油膜下轴承混合支撑方式，实现损耗功率（含风损）低于60 W的悬浮，稳定运行转速达42000 r/min。随后在2006—2008年期间，完成10 kg飞轮电磁悬浮储能实验系统，稳定运行转速达28500 r/min。采用永磁、滚动轴承混合支撑方式，实现100 kg转子转速为16500 r/min的稳定运行[88]。2012—2016年，在500～1000 kW飞轮储能系统研制中，研制出了50000 N级重型永磁轴承[106]，混合轴承损耗6～9 kW，占额定发电功率的1%左右。
图8 重型永磁轴承
总的来看，机械轴承、永磁轴承和电磁轴承可以基本满足功率型飞轮储能系统工业应用的需求，而更大能量（100 kW·h级）的飞轮储能系统高速支撑技术还需要高温超导磁悬浮技术的突破。
2.3 电 机
飞轮储能电机为双向变速运行模式，这与电动车辆或轻轨电动机的特性要求类似[107-108]，根据功率和转速要求选用或定制。其电磁学设计理论是成熟的，优化设计的重点是高速转子结构以及通过电磁学设计优化减少损耗。
表3 各种飞轮储能电机特性对比[109]
KIM等[110]对比绕线转子和鼠笼感应电机在谐波补偿飞轮储能系统中的应用。单极感应电机-飞轮一体储能系统的功率为9.4 kW，30000～60000 r/min转速区间内效率83%[111]。含有模态反馈和比例-积分反馈补偿混合控制策略，可用来控制实心结构的高速同步磁阻电机[112]。模糊逻辑/控制用于感应电机的无速度传感器，依据直流母线电压和电流控制功率，采用电压外环模糊逻辑控制和电流内环比例-积分模糊逻辑优化控制[113]。CHOI等[114]研究了双侧永磁同步电机的电磁特性和转子动力学特性。无铁芯无刷直流电机绕组线径对铜损影响很大，通过多股分流绕组减少铜损[115]。升降速试验中，KIM等[116]分离出了电磁损耗和机械损耗，采用了3D有限元分析双侧永磁同步电机转子涡流损耗。利用涡流磁场的屏蔽作用，提出在永磁体外增加一薄层非导磁金属屏蔽环来减小转子铁心、永磁体和护套损耗的新思路[117]。
为解决高速电机转子的强度问题，采用磁化复合材料是一种新的技术途径，采用铁粉、磁粉体混入环氧树脂[118]或磁化磁粉技术（GKN hybrid power采用的技术）。磁化复合材料可以制作空心圆柱无轴电机[119]。阿灵顿大学和谢菲尔德大学[120-121]研究电机与高强复合材料飞轮融合技术。
本课题组在前期采用了小功率永磁无刷直流高速电机（45000 r/min），开展实验室飞轮储能系统研究；随后在工程应用研究中，考虑到工程应用条件，设计了大功率永磁同步交流电机，转速2700～3600 r/min，功率500～1000 kW。
2.4 充放电控制
自20世纪60年代发展的功率电子技术使得电压的幅度和频率可以得到方便的调控[122]。基于功率电子技术，变频驱动的电机与飞轮相连，发展出了电能的储存和释放变频的新技术[123]。应用于飞轮储能的双向变流器是交流-交流系列变频器的一种，通常应用于中低压和中小功率领域[124]。
飞轮储能采用AC-DC-AC的（back-to-back）结构[125]，这种结构下，网侧变流器把交流电压转换成直流，然后交直流逆变为适当的交流变频电压驱动电机。在风电平滑或UPS应用中，FESS通常与网侧变流器共用直流母线。FESS也可与升压斩波器共用直流母线[126]。传统的双电平结构受高压限制，为此发展出性能更优的多电平变频技术[127-128]。
在20世纪90年代本课题组首先采用模拟电路控制，实现了小功率可靠的高速飞轮电机系统充放电试验。在大功率工业样机研发中，主功率电路采用风力发电变频器功率模块，使得工程样机在调试、考核运行中表现出了很高的可靠性，大功率变换器测试损耗为2%～3%。
图9 充电控制原理
2.5 系统技术
飞轮的转速较高，为防止飞轮结构破坏引起二次危害和减少大量的空气摩擦损耗，需要将飞轮安置在密闭的真空容器内[129-130]。研究表明，10 Pa的真空环境对低速飞轮（300 m/s以下）的机械损耗贡献已经较小，而高速飞轮（400 m/s以上）的真空条件应达到0.1 Pa[131]。为保证高速飞轮（400 m/s以上）的安全，设计防护装置并通常安装于地坑内。
飞轮储能系统装置属于高速旋转机械范畴，其状态监控诊断仪表对系统的正常运行是十分必要的。监控的数据主要包括：转速、轴承温度、电流、电压、绕组温度、主功率回路温度。
图10 60 MJ/1 MW飞轮储能工业样机试验现场
清华大学课题组[132]在早期实验研究阶段，采用分子泵机组，真空达到0.1 Pa以下。在工程应用中，采用充氦气技术，实现旋转部件的冷却换热。 500～1000 kW飞轮储能工业样机中，配备温度监控和紧急停机放电装置，以保证安全运转。
2.6 小 结
综上所述，高速飞轮、高速电机关键技术需求源于高能量密度和高功率密度的驱动，高速旋转机电系统难点有4个：结构强度、轴承、转子动力学和电机控制，研究设计的理论是基本成熟的，需要重点解决技术问题。大容量飞轮储能系统采用高温超导磁悬浮技术是发展的重要方向，日本、美国、韩国、德国都在建立试验装置，国内研究基础薄弱。能量密度、轴承损耗难题突破后，飞轮储能系统从分秒级应用拓展到更为广阔的分时级应用，比如Beacon Power公司的100 kW·h/100 kW飞轮储能系统和Amber Kinetics公司的32 kW·h/8 kW系统。
对于能量密度不敏感的工业应用环境，低成本金属飞轮储能系统在工作转速区内减速1 h中能量损耗在5%总储能以内，则有更好的应用前景。混合磁悬浮金属飞轮储能技术因技术成熟、效率高、成本低，存在特定的应用发展前景。
3 应 用
3.1 脉冲功率电源
核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，据估计若把海水中的氘通过核聚变转化为能源，足以满足人类未来几十亿年对能源的需求[133]。实现受控核聚变有磁约束和惯性约束两种途径，20世纪80年代以来, 磁约束受控核聚变工程关键技术迅速发展、高温等离子体的参数逐渐提高，主要物理参数已接近达到为实现受控核聚变所要求的数值。托卡马克是研究高温等离子体的产生、驱动、维持和约束等特性并最终实现受控热核聚变反应的大型电物理实验装置[134]。为产生和维持磁场，向磁场线圈供电的系统是主体装置外最重要、最庞大的系统。供电系统的平均电源容量为数百兆瓦[135]，由于容量大、工作时间短，一般采用大型飞轮储能发电机组实现供电[136]，以减少对公共电网的冲击。应用于托卡马克电源的飞轮储能发电系统是一种典型的高功率脉冲电源（典型脉冲宽度为毫秒到秒），其特点是电动机与发电机独立设置。
3.2 高品质不间断电源
97%交流电压闪变低于3 s[141]，而备用发电机组启动时间少于10 s，过渡电源工作时间20 s已经足够，因此采用短时工作的大功率飞轮储能系统完全可以替代传统电池储能，飞轮储能的初期投资较高，但寿命期内，使用成本低于电池储能。德国Piller公司[142]为Dresden半导体工厂安装了7 kW·h/5 MW的飞轮储能系统，确保5 s电源切换不停电。
表4 托卡马克装置中电源系统的飞轮发电机组参数
飞轮储能不间断电源系统在国外已经是成熟的产品。供应商有Active Power、Piller、VYCON和Powerthru。Active Power公司采用7700 r/min的磁阻电机飞轮一体；Piller公司采用大质量金属飞轮和大功率同步励磁电机，工作上限转速为3600～3300 r/min。采用永磁电机和金属飞轮，VYCON产品转速为36000 r/min，采用了电磁全悬浮，Powerthru公司FES转速53000 r/min，采用同步磁阻电机和分子泵技术。飞轮储能系统产品的待机损耗为额定功率的0.2%～2%[143-146]。
3.3 能量回收储存与利用
3.3.1 车辆动力
20世纪50年代，瑞士Oerlikon公司设计了飞轮电池驱动巴士，在欧洲和非洲运行了16年，直到1969年。该型电动车有32座位，飞轮电池储能 32 MJ（直径1.6 m），行驶1200 m再次充电[17]。
混合动力车辆传动中，采用电池、电容和飞轮等3种储能方式，高速飞轮与内燃机通过无极变速器连接简单可靠，已经发展了数十年，已具备量产推广应用水平[17]；另一种电动车用飞轮储能技术中，引入电机和功率控制器实现电力传动，飞轮燃油混合动力车的节油可达35%[147]。电动车技术局限于电池高功率特性不足，采用飞轮储能与化学电池混合动力是一个可行的解决方案[148]。
图11 世界上第一种飞轮储能电动车
飞轮储能作为电动车的辅助动力，早在20世纪70年代的石油危机期，在美国就掀起研究热潮，实施“车用超级飞轮电池”计划。因为主要在车辆加速阶段使用，飞轮储能容量为500 W·h，飞轮转速多在20000～40000 r/min之间[149]。早在1972年，WHITELAW[150]依据美国城市通勤车里程为50英里、时速为50英里/小时的车况，提出了飞轮储能和电池混合驱动直流电机动力结构。20世纪80年代，英国苏塞克斯大学[151-153]研究了飞轮辅助电动车动力问题，飞轮通过齿轮箱与变速器和电机连接。SCHAIBLE等[154]分析了飞轮储能电驱系统中三相储能永磁高速电机的转矩控制策略。德国宝马汽车公司[155]概念车研发计划研究了飞轮储能作为调峰动力或主动力两种模式，飞轮储能单元由谢菲尔德大学研制[156]。LUNDIN[157]设计了一种新的双电平飞轮电机双绕组结构，分别与电池和驱动电机相连。
图12 飞轮全电力推进系统原理示意图[157]
近年来，车用飞轮储能技术仍然在继续发展， GKN公司[158]为伦敦公交系统开发400 W·h飞轮储能系统，用于启动加速和刹车能量回收，预期混合动力公交车节能20%～25%，年省油5300 L，碳排放少14吨。
3.3.2 机车能量再生利用
轨道交通车辆因质量大，刹车动能很大，如引入制动回收和储能系统，则可实现节能减排目 标[159-160]。RADCLIFF等[161]分析1 MW飞轮储能系统应用于伦敦地铁投资回收期为5年。使用储能 2.9 kW·h/725 kW飞轮储能系统的轻轨车辆节能可达到31%[18]。将飞轮储能系统连入直流电网，可以实现节能21.6%，变电站的电压跌落减少29.8%，容量减少30.1%[162]。
3.3.3 起重机械势能回收利用
德克萨斯大学机电研究中心与VYCON公司[163]联合测试飞轮储能应用于集装箱起重机，燃料节省21%，氮氧化物排放减少26%，颗粒排放减少67%。测试飞轮储能300 W·h，功率60 kW，双飞轮并联运行[164]。清华大学与中原石油工程有限公司[165]联合研制了16～60 MJ/500～1000 kW的两种飞轮储能系统，应用于钻机动力调峰和下钻势能回收，2016年示范应用中，单次下钻回收能量5 MJ，占提升游车上行总需能的26%，调峰运行使得柴油机的重载转速下降，减少了50%，大颗粒排放减少70%。
3.4 电网调频
与众多储能方式对比，飞轮储能技术的经济优势应用领域在电能质量和调频，其放电时间为分秒级，总投资约900欧元/kW，是锂电的75%，年化循环（1000次/年）成本为200欧元，为锂电的50%[166]。美国建立了两座20 MW/5 MW·h飞轮储能商业示范电站[167]。随着波动新能源的更多并网，电网的频率波动问题更加突出，研究飞轮储能系统的优化调频控制策略，满足较长时间尺度（15 min以内）和实时调频需求[168]。
3.5 风电平滑
近年来飞速发展的风力发电、太阳能发电是清洁低碳能源，受自然条件影响，风力发电的频繁波动是突出的问题，引入储能技术环节，对风力发电功率平滑控制，改善其电压和频率特性，实现更好的新能源应用。
双馈感应电机风力系统配合鼠笼感应电机飞轮储能系统，采用了三相交流并网方式，仿真分析中，飞轮储能系统在超频时吸收储存风力发电30%的功率，在双馈电机亚频状态下，释放的功率占电网额定30%的功率[169]。100 MW/150 kV系统中，包括飞轮储能系统（40 MW）、固态开关器和风电场，该系统采用高压直流并联模式[170]。FES可有效补偿风力波动，提高电网质量。1.5 MW风力发电机，利用100 kW（0.72 kg·m2，31000～15500 r/min）FES进行功率平滑，飞轮储能系统与风力发电机共直流母线（发电侧），仿真分析表明，在优化能量管理算法调控FES，风电功率的高频扰动分量减少了92%[171]。在后续研究中，建立了一个小规模的试验装置，包括一个30 kW风电模拟器、3 kW（10 s）飞轮储能装置（永磁同步电机和飞轮）、以及电力信息检测系统，经过变频交流并网[170]。
图13 并网飞轮储能风电控制系统示意图[169]
仿真对比表明，内燃发电/FES、光伏/内燃/FES、光伏/内燃/FES/电池3种发电模式，其中含有电池和飞轮储能的发电成本最低、CO2排放最少[170]。多输入-输出定量反馈理论和反馈线性化算法用于 9 MW风电场配置50套50 kW FES系统，实现了 8 m/s，扰动12.5%风速下风电功率的平滑控制[174]。为减少风柴联合发电系统中柴油机组频繁启停，可引入分钟级别的储能装置。仿真分析表明，飞轮储能改善了独立风柴发电系统的电能质量，并减少柴油机的启停。该系统选用300 kW异步电机（3300～1650 r/min），圆盘形金属飞轮可用能量18 MJ，柴油发电机组300 kW，风力发电机275 kW[175]。
针对上述应用领域特征，提出如下发展思路：基于国内已经掌握的500～1000 kW低成本混合磁悬浮技术基础，以数据中心电力保障、微电网电能质量管理为突破口，短期内研发出MW级低成本飞轮UPS系统，在十三五期间，实现示范应用并推广。
图14 风力柴油发电系统和飞轮储能系统[172]
针对风力发电功率平滑应用，开展3～5 MW/ 2～30 min低成本大容量飞轮储能阵列系统技术关键技术，完成系统论证试验，在“十四”和“十五”期间，实现示范应用并推广。
车辆应用领域，引进国外先进高速飞轮储能技术，结合国内电动车快速发展强劲势头，可由车辆生产企业牵头，开展示范应用开发。
针对超大容量飞轮储能技术需求，重点开展电磁悬浮、高温超导磁悬浮、复合材料飞轮、阵列化控制与应用等关键技术研究。
表5 飞轮储能技术应用参数
4 结 论
飞轮储能技术发展已历时50年，仍然存在进一步发展空间，研究内容为新型飞轮用高比强度新材料、高温超导磁悬浮技术、高速高效电机转子材料与结构、飞轮储能阵列化应用技术。
在车辆混合动力、风力发电和电网调频应用领域在3～5年内有望突破，实现小规模示范应用，这方面受化石能源价格和新能源发电市场影响较大。
微网级短时间功率型应用具备了基本条件。电网规模能量调控的大容量飞轮、微损耗轴承技术方面还需要进一步积累。
飞轮储能技术发展面临超级电容器和高功率电池的技术竞争，需要找准用途，解决工程应用中的关键技术、提高技术经济性能，以期获得应有的储能市场份额。
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A review on flywheel energy storage technology in fifty years
DAI Xingjian1, WEI Kunpeng1, ZHANG Xiaozhang1, JIANG Xinjian2, ZHANG Kai1
(1Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
The development of flywheel energy storage(FES) technology in the past fifty years was reviewed. The characters, key technology and application of FES were summarized. FES have many merits such as high power density, long cycling using life, fast response, observable energy stored and environmental friendly performance. A single flywheel stored energy of 0.5～130 kW·h in charging or discharging with power of 0.3～3000 kW. The frontier technologies include new materials of flywheel rotor, super-conducting magnetic bearing and high speed motor for FES. The commercial using of FES in power quality and uninterrupted power supply has a niche market share. The fuel saving in 20%～30% was realized in the hybrid power system using FES in vehicles. The FES technology is in a crisis of vehicles industrial application under the pressure from energy-saving and emission-reduction. For the grid application of renewable energy, the single FES stored energy of dozens of kWh should be increased to hundreds of kW·h. The power of FES array should be 10～100 MW and release power long as one hour.
flywheel energy storage; wind power; electrical vehicle; power quality; frequency regulation
10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0083
TH 133
A
2095-4239（2018）05-765-18
2018-05-31；
2018-06-27。
国家重点研发计划项目（2018YFB0905500）。
戴兴建（1970—），男，副教授，主要研究 方向为旋转机械和转子动力学等，E-mail：daixj@mail.tsinghua. edu.cn。
