飞轮储能的历史渊源

飞轮作为一种储能手段，作为最早的机械式储能系统之一，已经存在了数千年。例如，陶工的转轮被用作一个旋转的物体，利用飞轮效应在其自身惯性下保持其能量。

“飞轮”一词出现在工业革命初期(即年)。当时，飞轮被用在蒸汽机、轮船和火车上，在工厂里用作能量收集器。随着时间的推移，已经实现了几种形状和设计，但主要的发展是在20世纪初，当时转子形状和旋转应力被彻底分析，飞轮被认为是潜在的能量存储系统。

在20世纪60年代和70年代，飞轮储能系统被提出用于电动汽车、固定电源备份和太空任务。在接下来的几年里，纤维复合材料转子被制造和测试。在20世纪80年代，相对低速的磁性轴承开始出现。

尽管在其早期阶段有重大发展，但飞轮的利用率并不显著，并随着电网的发展而下降。然而，由于近年来材料、磁性轴承、电力电子设备的改进以及高速电机的引入，飞轮储能已被确定为储能应用的可靠选择。

飞轮储能的工作机制是怎样的？

飞轮储存的能量基于旋转质量原理。它是一种机械储存装置，通过电动/发电互逆式双向电机，实现电能与高速旋转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存。飞轮中的能量以旋转动能的形式储存。飞轮储能系统的输入能量通常来自电网或任何其他电能来源。飞轮与电机同轴连接，表明控制电机可以控制飞轮。旋转的飞轮由电机驱动，实现电能与机械能的交换，反之亦然。飞轮在储存能量时由电机驱动飞轮加速，电能转换为动能；在释放能量时由飞轮驱动电机发电，飞轮减速，动能转换为电能。

飞轮储能系统的结构组成

飞轮储能系统由飞轮转子、电机、轴承、电力电子接口和外壳组成。

飞轮转子

飞轮中储存的能量由转子的形状和材料决定。能量与惯性矩及其角速度的平方成线性比例，因此可以通过提高转速或增加惯性矩来优化飞轮的存储能量。这就为飞轮储能系统提供了两种选择：低速飞轮储能系统(通常高达10,rpm)和高速飞轮储能系统(高达,rpm)。低速飞轮通常由较重的金属材料制成，由机械轴承或磁轴承支承。高速飞轮一般使用较轻但较强的复合材料，通常需要磁轴承。高速飞轮的成本通常可高达低速飞轮成本的5倍。

电机

电动/发电互逆式双向电机与飞轮耦合，以实现飞轮的能量转换和充电过程。这台机器可为马达，通过加速飞轮并从电源中汲取电能来给飞轮储存动能。飞轮上存储的能量由作为发电机的的同一电机提取，因此，飞轮在将动能转化为电能的过程中减速。飞轮储能系统中常用的电机有感应电机(IM)、永磁电机(PM)和可变磁阻电机(VRM)。

由于其坚固耐用、高扭矩和低成本，感应电机被用于高功率应用。速度限制、复杂的控制和更高的维护要求是感应电机的主要问题。双馈感应电机（DFIM）由于其灵活的控制和较低的功率转换额定值，目前已在飞轮储能系统应用中使用，从而减少了电力电子设备的尺寸。

可变磁阻电机具有性能稳定、怠速损耗低、调速范围宽等特点。对于高速操作，可变磁阻电机的控制机制比感应电机更简单。它的缺点是功率因数低，功率密度低，扭矩波动大。开关磁阻和同步磁阻两种磁阻类型均适用于高速飞轮储能系统。

永磁电机具有较高的效率、较高的功率密度和较低的转子损耗，是飞轮储能系统最常用的电机。它被广泛应用于高速应用中。永磁电机的主要问题是定子涡流损耗导致的空转损耗、高价格和低抗拉强度。无刷直流电动机(BLDCM)、永磁同步电机(PMSM)和哈尔巴赫阵列机(HAM)是飞轮储能系统应用中使用的主要永磁电机类型。

轴承

需要轴承以非常低的摩擦将转子保持在适当位置，同时为飞轮提供支撑机构。轴承系统可以是机械或磁性的，取决于重量、寿命和较低的损耗。传统上使用机械球轴承，但与磁性轴承相比，机械球轴承具有更高的摩擦，并且由于润滑剂劣化，需要更高的维护成本。这些不足可以通过使用磁性和机械轴承的混合系统来缓解。磁性轴承没有摩擦损失，不需要任何润滑。

永久（被动）磁轴承（PMB）、主动磁轴承（AMB）和超导磁轴承（SMB）是磁轴承系统的主要类型。

PMB具有高刚度、低成本和低损耗。然而，PMB在提供稳定性方面存在局限性，通常被视为辅助轴承系统。

AMB是由控制转子位置的载流线圈产生的磁场驱动的。AMB成本高，控制系统复杂，运行时消耗能量，进而增加系统损耗。为了确保整个系统的良好效率，必须在速度和损耗之间进行折衷。

SMB提供高速、无摩擦、长寿命、紧凑和稳定的操作。它是高速运行的最佳磁性轴承，因为它可以在没有电力或定位系统的情况下稳定飞轮。然而，SMB需要低温冷却系统，因为它在非常低的温度下工作；但近些年，通过使用高温超导体（HTS）对其进行了改进。SMB系统的主要缺点是成本非常高。

飞轮储能系统的应用场景有哪些？

飞轮应用范围从电网层面的大规模到客户层面的小规模。飞轮的最佳和最合适的应用是在短时间内的高功率区域（例如，s的kW/10s的秒），其中涉及频繁的能量充放循环。最常见的应用是电能质量如频率和电压调节、军用脉冲功率应用、航天器姿态控制、负载均衡、混合动力和电动车辆以及能量存储应用。

频率调节

频率波动是负荷和电源之间变化的结果，当需求超过供应时，发电厂因额外负荷而减速，从而降低系统频率。另一方面，当发电量超过要求负荷时，发电机加速，频率增加。随着需求的变化和发电机的启动和关闭，频率每秒钟都会波动。为了避免这种情况的发生，采用了频率调节的方法，这就要求发电机进行容量储备，以保持发电和用电的稳定。

飞轮在几秒钟内从完全输出切换到完全吸收的能力使其与燃气发电厂产生的即时能量不相上下。飞轮储能系统产生的每兆瓦电力可以提供两倍的频率调节，同时将碳排放量减少一半。

电压暂降控制

由于电网中的负载不平衡或故障导致电压暂降问题，从而导致电压幅值降低。当短期内大量电力被负载吸收时，会出现由于不平衡负载引起的电压暂降，这将降低电压并引起电压降问题。

电压暂降已成为影响敏感负载的主要电能质量问题之一，如半导体生产、食品加工和造纸等现代工业制造、敏感微处理器和高频电力电子设备。大约92%的电能质量问题是电压骤降造成的，其中80%的情况仅持续20-50毫秒。

有效的方法是利用能量存储系统来缓解电网中的电压问题。能量存储系统用于在需要过大功率时存储能量，以保持电网电压固定。这降低了成本并消除了对超大发电机组的需求。

飞轮储能具有优良的特性，可作为其他存储系统的可行替代品。特别是，快速响应、高功率密度和频繁充放电循环能力是飞轮在电压补偿应用中的最佳属性。

UPS

具有控制电子设备的短期（秒到分钟）能量存储装置被称为不间断电源（UPS）。UPS是现有市场之一，也是大功率飞轮最成功的应用，为通常不超过15秒的场合供电。80%以上的停电持续时间不到1秒，97%的停电持续不到3秒；然而，这会导致电压和频率问题以及电源中断。在这些应用中，UPS作为备用存储，在中断期间弥补电网损失和备用电源启动之间的空隙。

UPS应用中最发达和最广泛使用的存储介质是电池。飞轮储能系统可用作UPS系统中电池的替代品或与电池组合使用。在仅使用飞轮作为备用存储器的情况下，飞轮提供足够的功率以运行系统，直到电源恢复或备用电源联机。

飞轮与需要更长持续时间的UPS系统中的电池结合使用。飞轮可以处理更短的中断，而电池可以专门应对更长的中断时间。这将使电池免于频繁充电和放电，从而进一步延长其寿命。

运输

在交通运输中，飞轮用于混合动力和电动车辆中，在车辆减速过程中再生制动产生的能量储存在飞轮中，并在需要剧烈加速或车辆爬坡过程中为车辆提供动力。

此外，飞轮被开发用于铁路应用。在列车能量回收系统中，飞轮安装在车站或变电站，通过再生制动回收能量，并将其供应回系统用于牵引目的。飞轮非常适合这种需要高速率的充放电循环的应用。

可再生能源

飞轮可以通过提高系统稳定性来帮助风能和太阳能在电力系统中的渗透。飞轮的快速响应特性使其适用于涉及电网频率平衡的RES应用。太阳能和风能产生的电力振荡通过在晴天或有风期间储存能量来补偿，并在需要时提供回来。飞轮可用于校正风振并提高系统频率；然而，在太阳能系统中，它们可以与电池集成，以提高系统输出并延长电池的使用寿命。

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