飛輪儲(chǔ)能的歷史淵源

飛輪作為一種儲(chǔ)能手段，作為最早的機(jī)械式儲(chǔ)能系統(tǒng)之一，已經(jīng)存在了數(shù)千年。例如，陶工的轉(zhuǎn)輪被用作一個(gè)旋轉(zhuǎn)的物體，利用飛輪效應(yīng)在其自身慣性下保持其能量。

“飛輪”一詞出現(xiàn)在工業(yè)革命初期(即1784年)。當(dāng)時(shí)，飛輪被用在蒸汽機(jī)、輪船和火車上，在工廠里用作能量收集器。隨著時(shí)間的推移，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾種形狀和設(shè)計(jì)，但主要的發(fā)展是在20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)子形狀和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力被徹底分析，飛輪被認(rèn)為是潛在的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

在20世紀(jì)60年代和70年代，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)被提出用于電動(dòng)汽車、固定電源備份和太空任務(wù)。在接下來(lái)的幾年里，纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子被制造和測(cè)試。在20世紀(jì)80年代，相對(duì)低速的磁性軸承開(kāi)始出現(xiàn)。

盡管在其早期階段有重大發(fā)展，但飛輪的利用率并不顯著，并隨著電網(wǎng)的發(fā)展而下降。然而，由于近年來(lái)材料、磁性軸承、電力電子設(shè)備的改進(jìn)以及高速電機(jī)的引入，飛輪儲(chǔ)能已被確定為儲(chǔ)能應(yīng)用的可靠選擇。

飛輪儲(chǔ)能的工作機(jī)制是怎樣的？

飛輪儲(chǔ)存的能量基于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量原理。它是一種機(jī)械儲(chǔ)存裝置，通過(guò)電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能與高速旋轉(zhuǎn)飛輪的機(jī)械動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存。飛輪中的能量以旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的形式儲(chǔ)存。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入能量通常來(lái)自電網(wǎng)或任何其他電能來(lái)源。飛輪與電機(jī)同軸連接，表明控制電機(jī)可以控制飛輪。旋轉(zhuǎn)的飛輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的交換，反之亦然。飛輪在儲(chǔ)存能量時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪加速，電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能；在釋放能量時(shí)由飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，飛輪減速，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、電機(jī)、軸承、電力電子接口和外殼組成。

飛輪轉(zhuǎn)子

飛輪中儲(chǔ)存的能量由轉(zhuǎn)子的形狀和材料決定。能量與慣性矩及其角速度的平方成線性比例，因此可以通過(guò)提高轉(zhuǎn)速或增加慣性矩來(lái)優(yōu)化飛輪的存儲(chǔ)能量。這就為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了兩種選擇：低速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(通常高達(dá)10,000 rpm)和高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(高達(dá)100,000 rpm)。低速飛輪通常由較重的金屬材料制成，由機(jī)械軸承或磁軸承支承。高速飛輪一般使用較輕但較強(qiáng)的復(fù)合材料，通常需要磁軸承。高速飛輪的成本通?？筛哌_(dá)低速飛輪成本的5倍。

電機(jī)

電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)與飛輪耦合，以實(shí)現(xiàn)飛輪的能量轉(zhuǎn)換和充電過(guò)程。這臺(tái)機(jī)器可為馬達(dá)，通過(guò)加速飛輪并從電源中汲取電能來(lái)給飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能。飛輪上存儲(chǔ)的能量由作為發(fā)電機(jī)的的同一電機(jī)提取，因此，飛輪在將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中減速。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中常用的電機(jī)有感應(yīng)電機(jī)(IM)、永磁電機(jī)(PM)和可變磁阻電機(jī)(VRM)。

由于其堅(jiān)固耐用、高扭矩和低成本，感應(yīng)電機(jī)被用于高功率應(yīng)用。速度限制、復(fù)雜的控制和更高的維護(hù)要求是感應(yīng)電機(jī)的主要問(wèn)題。雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIM）由于其靈活的控制和較低的功率轉(zhuǎn)換額定值，目前已在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中使用，從而減少了電力電子設(shè)備的尺寸。

可變磁阻電機(jī)具有性能穩(wěn)定、怠速損耗低、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)。對(duì)于高速操作，可變磁阻電機(jī)的控制機(jī)制比感應(yīng)電機(jī)更簡(jiǎn)單。它的缺點(diǎn)是功率因數(shù)低，功率密度低，扭矩波動(dòng)大。開(kāi)關(guān)磁阻和同步磁阻兩種磁阻類型均適用于高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。

永磁電機(jī)具有較高的效率、較高的功率密度和較低的轉(zhuǎn)子損耗，是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)最常用的電機(jī)。它被廣泛應(yīng)用于高速應(yīng)用中。永磁電機(jī)的主要問(wèn)題是定子渦流損耗導(dǎo)致的空轉(zhuǎn)損耗、高價(jià)格和低抗拉強(qiáng)度。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)、永磁同步電機(jī)(PMSM)和哈爾巴赫陣列機(jī)(HAM)是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中使用的主要永磁電機(jī)類型。

軸承

需要軸承以非常低的摩擦將轉(zhuǎn)子保持在適當(dāng)位置，同時(shí)為飛輪提供支撐機(jī)構(gòu)。軸承系統(tǒng)可以是機(jī)械或磁性的，取決于重量、壽命和較低的損耗。傳統(tǒng)上使用機(jī)械球軸承，但與磁性軸承相比，機(jī)械球軸承具有更高的摩擦，并且由于潤(rùn)滑劑劣化，需要更高的維護(hù)成本。這些不足可以通過(guò)使用磁性和機(jī)械軸承的混合系統(tǒng)來(lái)緩解。磁性軸承沒(méi)有摩擦損失，不需要任何潤(rùn)滑。

永久（被動(dòng)）磁軸承（PMB）、主動(dòng)磁軸承（AMB）和超導(dǎo)磁軸承（SMB）是磁軸承系統(tǒng)的主要類型。

PMB具有高剛度、低成本和低損耗。然而，PMB在提供穩(wěn)定性方面存在局限性，通常被視為輔助軸承系統(tǒng)。

AMB是由控制轉(zhuǎn)子位置的載流線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的。AMB成本高，控制系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)消耗能量，進(jìn)而增加系統(tǒng)損耗。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的良好效率，必須在速度和損耗之間進(jìn)行折衷。

SMB提供高速、無(wú)摩擦、長(zhǎng)壽命、緊湊和穩(wěn)定的操作。它是高速運(yùn)行的最佳磁性軸承，因?yàn)樗梢栽跊](méi)有電力或定位系統(tǒng)的情況下穩(wěn)定飛輪。然而，SMB需要低溫冷卻系統(tǒng)，因?yàn)樗诜浅５偷臏囟认鹿ぷ?；但近些年，通過(guò)使用高溫超導(dǎo)體（HTS）對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。SMB系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是成本非常高。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些？

飛輪應(yīng)用范圍從電網(wǎng)層面的大規(guī)模到客戶層面的小規(guī)模。飛輪的最佳和最合適的應(yīng)用是在短時(shí)間內(nèi)的高功率區(qū)域（例如，100s的kW/10s的秒），其中涉及頻繁的能量充放循環(huán)。最常見(jiàn)的應(yīng)用是電能質(zhì)量如頻率和電壓調(diào)節(jié)、軍用脈沖功率應(yīng)用、航天器姿態(tài)控制、負(fù)載均衡、混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛以及能量存儲(chǔ)應(yīng)用。

頻率調(diào)節(jié)

頻率波動(dòng)是負(fù)荷和電源之間變化的結(jié)果，當(dāng)需求超過(guò)供應(yīng)時(shí)，發(fā)電廠因額外負(fù)荷而減速，從而降低系統(tǒng)頻率。另一方面，當(dāng)發(fā)電量超過(guò)要求負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)加速，頻率增加。隨著需求的變化和發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉，頻率每秒鐘都會(huì)波動(dòng)。為了避免這種情況的發(fā)生，采用了頻率調(diào)節(jié)的方法，這就要求發(fā)電機(jī)進(jìn)行容量?jī)?chǔ)備，以保持發(fā)電和用電的穩(wěn)定。

飛輪在幾秒鐘內(nèi)從完全輸出切換到完全吸收的能力使其與燃?xì)獍l(fā)電廠產(chǎn)生的即時(shí)能量不相上下。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生的每兆瓦電力可以提供兩倍的頻率調(diào)節(jié)，同時(shí)將碳排放量減少一半。

電壓暫降控制

由于電網(wǎng)中的負(fù)載不平衡或故障導(dǎo)致電壓暫降問(wèn)題，從而導(dǎo)致電壓幅值降低。當(dāng)短期內(nèi)大量電力被負(fù)載吸收時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由于不平衡負(fù)載引起的電壓暫降，這將降低電壓并引起電壓降問(wèn)題。

電壓暫降已成為影響敏感負(fù)載的主要電能質(zhì)量問(wèn)題之一，如半導(dǎo)體生產(chǎn)、食品加工和造紙等現(xiàn)代工業(yè)制造、敏感微處理器和高頻電力電子設(shè)備。大約92%的電能質(zhì)量問(wèn)題是電壓驟降造成的，其中80%的情況僅持續(xù)20-50毫秒。

有效的方法是利用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)緩解電網(wǎng)中的電壓?jiǎn)栴}。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)用于在需要過(guò)大功率時(shí)存儲(chǔ)能量，以保持電網(wǎng)電壓固定。這降低了成本并消除了對(duì)超大發(fā)電機(jī)組的需求。

飛輪儲(chǔ)能具有優(yōu)良的特性，可作為其他存儲(chǔ)系統(tǒng)的可行替代品。特別是，快速響應(yīng)、高功率密度和頻繁充放電循環(huán)能力是飛輪在電壓補(bǔ)償應(yīng)用中的最佳屬性。

UPS

具有控制電子設(shè)備的短期（秒到分鐘）能量存儲(chǔ)裝置被稱為不間斷電源（UPS）。UPS是現(xiàn)有市場(chǎng)之一，也是大功率飛輪最成功的應(yīng)用，為通常不超過(guò)15秒的場(chǎng)合供電。80%以上的停電持續(xù)時(shí)間不到1秒，97%的停電持續(xù)不到3秒；然而，這會(huì)導(dǎo)致電壓和頻率問(wèn)題以及電源中斷。在這些應(yīng)用中，UPS作為備用存儲(chǔ)，在中斷期間彌補(bǔ)電網(wǎng)損失和備用電源啟動(dòng)之間的空隙。

UPS應(yīng)用中最發(fā)達(dá)和最廣泛使用的存儲(chǔ)介質(zhì)是電池。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可用作UPS系統(tǒng)中電池的替代品或與電池組合使用。在僅使用飛輪作為備用存儲(chǔ)器的情況下，飛輪提供足夠的功率以運(yùn)行系統(tǒng)，直到電源恢復(fù)或備用電源聯(lián)機(jī)。

飛輪與需要更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的UPS系統(tǒng)中的電池結(jié)合使用。飛輪可以處理更短的中斷，而電池可以專門應(yīng)對(duì)更長(zhǎng)的中斷時(shí)間。這將使電池免于頻繁充電和放電，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)其壽命。

運(yùn)輸

在交通運(yùn)輸中，飛輪用于混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛中，在車輛減速過(guò)程中再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存在飛輪中，并在需要?jiǎng)×壹铀倩蜍囕v爬坡過(guò)程中為車輛提供動(dòng)力。

此外，飛輪被開(kāi)發(fā)用于鐵路應(yīng)用。在列車能量回收系統(tǒng)中，飛輪安裝在車站或變電站，通過(guò)再生制動(dòng)回收能量，并將其供應(yīng)回系統(tǒng)用于牽引目的。飛輪非常適合這種需要高速率的充放電循環(huán)的應(yīng)用。

可再生能源

飛輪可以通過(guò)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)幫助風(fēng)能和太陽(yáng)能在電力系統(tǒng)中的滲透。飛輪的快速響應(yīng)特性使其適用于涉及電網(wǎng)頻率平衡的RES應(yīng)用。太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)生的電力振蕩通過(guò)在晴天或有風(fēng)期間儲(chǔ)存能量來(lái)補(bǔ)償，并在需要時(shí)提供回來(lái)。飛輪可用于校正風(fēng)振并提高系統(tǒng)頻率；然而，在太陽(yáng)能系統(tǒng)中，它們可以與電池集成，以提高系統(tǒng)輸出并延長(zhǎng)電池的使用壽命。

關(guān)于飛輪儲(chǔ)能方面的系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)，可參閱《飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)與工程應(yīng)用》，該書全面地論述飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)特征、部件設(shè)計(jì)理論與方法,并通過(guò)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)案例研究論證飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的先進(jìn)性和工程實(shí)用價(jià)值。內(nèi)容主要包括飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用，分析了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總體特性，提出了飛輪結(jié)構(gòu)、永磁電機(jī)、微損耗軸承、變流器、輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)UPS樣機(jī)研制、油井鉆機(jī)工程示范應(yīng)用的研究案例檢驗(yàn)設(shè)計(jì)理論與方法，展示飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的特性。

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