1.1電儲能技術需求背景

受發電設備固有慣性和運行經濟性的限制，傳統電力供應（水電、火電、核電）自身具有大規模、持續性特點，而用電負荷具有隨機性和間斷性，電能供給和需求的容量矛盾（日晝波動、季節性波動、經濟周期波動）導致發電、輸電和變電設備的利用效率降低并嚴重影響一次能源的利用效率。

新型能源如風電和光伏發電具有波動特性，其大規模開發和利用，將使供需矛盾進一步突出。因此，亟需突破儲能關鍵技術，開發儲能裝備，以提高一次能源和輸變電設備的利用效率。然而，大容量電儲能技術長期以來一直是電力行業中尚未完全解決的難題之一。

目前電儲能以抽水儲能和常規電池儲能為主，而各種新型的儲能技術已顯示出很好的應用前景，如飛輪儲能、超級電容器儲能、超導儲能、壓縮空氣儲能、液流電池和鈉硫電池儲能等，這些新型儲能技術還處在研究開發階段，它們具有各自的突出優點，但也存在著各自的缺陷。

電能存儲按容量可分為長時大能量、短時高功率兩種，長時大容量的抽水儲能電站可以在電網規模上供應數小時的電能供給；而短時高功率的飛輪儲能電源可為高端用戶端供應數分鐘的高品質電能供給。

各種儲能方式的技術比較見下表。從表中可看出，飛輪儲能具有儲能密度高、效率高、瞬時功率大、響應速度快、使用壽命長、不受地理環境限制等諸多優點，是目前有發展前途的儲能技術之一。

1.2飛輪儲能技術原理與應用

飛輪儲能的基本原理是把電能轉換成旋轉體的動能進行存儲。在儲能階段，通過電動機拖動飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉速，將電能轉化為動能；在能量釋放階段，飛輪減速，電動機作發電機運行，將動能轉化為電能。飛輪存儲的能量可以表達為：E=Jω2/2，J為飛輪繞旋轉軸的轉動慣量。

現代飛輪儲能電源系統綜合了先進復合材料轉子、磁軸承、高速電機以及功率電子技術而極大地提高了性能，在2000年前后，以美國為代表的現代飛輪儲能電源商業化產品開始推廣。例如，ActivePower公司的100～2000kWCleanSource系列UPS已經應用于精密電子生產公司、信息數據中心以及網絡通信系統等，滿足高級用戶對高質量的供電需求。目前全球至少有3000套基于飛輪儲能的大功率綠色電源安全運行了上千萬小時。

飛輪儲能系統在儲能容量、自放電率等方面還有待進一步提高，這決定了飛輪儲能目前更適合于電網調頻、小型孤島電網調峰、電網安全穩定控制、電能質量治理、車輛再生制動及高功率脈沖電源等領域；隨著飛輪儲能單元并聯技術及超導磁懸浮技術的逐漸成熟，其應用領域將逐步擴展到大電網儲能領域。

1.3飛輪儲能技術的重要需求

1.3.1提高電網對可再生能源接納能力

風力發電、光伏發電具有間歇性特點，可再生能源的大規模接入給電力系統的安全穩定運行帶來了新的挑戰。為了解決風電接入后電網的安全穩定運行，需根據并網的風電容量留出與風力發電裝機容量相當的備用熱機發電容量，在孤島電網中一般要配備相當比重的柴油發電機。備用電廠的出力要隨著風電出力的變化頻繁調節，嚴重影響其運行經濟性。

飛輪儲能與風力發電相配合供電，可以防止柴油發電機頻繁起停，提高風能利用效率，降低發電成本和電價。澳大利亞的CoralBay、SandBay、NineMilesBeach、Denham、日本的DogoIsland、美國的Alaska等一系列島嶼電網，采用了飛輪儲能來提高電網的穩定性、減少風電出功波動對系統電壓和頻率的影響，并大可能地降低柴油發電機的出功。

1.3.2提高電網的安全穩定水平和運行經濟性

隨著我國電網互聯規模的不斷擴大，電網之間的聯系將越來越緊密。近年來電網瓦解和大面積停電事故在世界各國時有發生，大規模電力系統的安全高效運行已成為各國電力系統發展的重要問題之一。在我國東北、華北、華中和川渝電網的聯網試驗中，就觀察到了一些國際上從未報道過的電網異常動態行為。

電力系統的絕大多數穩定問題是暫態穩定問題，對儲能裝置需求的特點是：瞬間功率大、持續時間短。飛輪儲能系統作為一個可靈活調控的有功源，主動參與系統的動態行為，并能在擾動消除后縮短暫態過渡過程，使系統迅速恢復穩定狀態。日本Kansai電力公司于2002年在3.3kV系統上開展了飛輪儲能改善電網穩定性的研究，取得了良好效果。

電網有功負荷變化必然導致電網頻率波動，傳統的電網頻率調節通過抽水蓄能電站、火電站、燃氣輪發電站的功率調整、投切來實現，但關于快速的電網頻率波動常規電站來不及響應，采用飛輪儲能電站可以滿足需求，利用其快速調節特性，可以在同樣容量下獲得雙倍的調節效果。

美國BeaconPower公司于2008年十二月在馬薩諸塞州建成了1MW/250kWh調頻電廠，2009年八月，美國能源部支持其建設兩個20MW飛輪儲電站。隨著技術進一步成熟，飛輪儲能技術還可以用于負荷中心的削峰填谷，提高電網的運行經濟性。

1.3.3高品質供電

自20世紀80年代以來，新型電力負荷迅速發展以及它們對電能質量的要求不斷提高，而電能質量的問題卻日益突出：一方面用電負荷的非線性、沖擊性和非平衡性，使得電網的電壓波形畸變、電壓波動和電壓閃變以及三相不平衡等電能質量問題日益嚴重；另一方面電氣化和微機化程度越來越高，越來越多的用戶采用了性能好、效率高但對電源特性變化敏感的高科技設備，電力用戶對電能質量的要求在不斷提高，特別是半導體制造、精密加工、醫療衛生、金融、計算機中心、重要場館會所對電能質量要求更是嚴格，幾十毫秒內的電壓暫降都可能造成設備損壞停產，給公司帶來極大經濟損失。以北京亦莊經濟技術開發區為例，2007年至今的統計數據表明，該區內出現了十多起瞬時斷電、電壓暫降等電能質量事故。美國電力科學院估計電能質量的相關問題在美國造成的損失有數百億美元。

為解決用戶暫態電能質量（一般持續時間不超過1min）影響的動態UPS（不間斷電源）以及動態電壓恢復器等裝置的需求獲得了快速上升。目前，飛輪儲能技術應用成功的領域是基于飛輪儲能的UPS實現高品質供電。

1.3.4車輛制動動能再生

城市軌道交通的特點是：站距短，車輛的動能巨大，制動頻繁，且起動、制動加速度大。一般為了減少閘瓦磨耗和對環境的污染，制動方式從能耗制動方式向再生能耗復合制動過渡，車組的常用制動一般都采用電力制動，空氣制動只作為制動力的補充或作為后備制動。由于地鐵的供電系統都是由交流整流而來的直流系統，一般變電站也不設逆變裝置，所以再生的能量只能隨機靠鄰近車輛吸收。當電力制動引起供電接觸網的電壓升高到一定值時，必須轉換到電阻制動或空氣制動，這就造成了能量的浪費、設備的磨損和隧道溫度的上升。

采用了高儲能量、大功率的儲能飛輪系統，就可以提高接觸網供電電壓的穩定性，在車輛起動時，輸出電能供應給車輛轉化為動能，在制動時間（持續15s左右）又通過再生制動將車輛動能轉換成電能儲入飛輪系統，實現能量的回收。廣州地鐵4號線的制動能飛輪儲能再生模型分析表明：一年可回收的電能為292萬kWh。

1.3.5高功率脈沖電源

脈沖功率技術，是把較小功率的能量以較長時間輸入到儲能設備中，將能量進行壓縮與轉換，然后在較短的時間以極高的功率密度向負載釋放的電物理技術，在特種科研和高技術領域有著重要的科學意義與應用價值。

聚變能研究要建立高溫等離子體磁約束試驗裝置，其中的磁場實現要高功率脈沖電源，供電要求為上百千伏安，放電時間為數秒。20世紀70年代以來，歐洲、日本、我國建立了多個大型飛輪儲能發電機系統，先用小功率電動機將數十噸重的飛輪驅動，然后飛輪驅動大電機發電。這樣的電源系統具有轉速低、裝置巨大、能耗高等缺點，如采用現代復合材料飛輪和高速電機，預計可以提高轉速3～5倍。整套飛輪電機裝置重量可以縮小70%～90%。

基于飛輪儲能的脈沖電源還可以應用于特種電磁發射。電磁發射物體不僅局限于彈頭，也可以是飛機、防空特種，電磁發射的技術瓶頸之一就是高功率脈沖電源。

2國外技術狀況

2.1概述

近15年來，國際上飛輪儲能技術和應用研究十分活躍，美國、日本、法國、英國、德國、荷蘭、俄羅斯、西班牙、韓國、印度、瑞士、加拿大和意大利等國都在進行研究。其中美國投資多，規模大，進展快。美國飛輪儲能技術進步依賴于能源部的超級飛輪計劃、宇航局的航天飛輪計劃等國家層面的長期資助，再加上20世紀90年代風險投資的大量介入，才使得經歷了50年研究開發的飛輪儲能技術獲得了成功應用。

國外為提高性能、推廣應用，開展了高能量密度飛輪、高功率高速電機、微損耗軸承、高效電能變換器、低能耗真空及工程應用等多個方面的基礎研究與應用研究。

2.2高速復合材料飛輪

提高能量密度、功率密度的途徑重要是提高轉速。考慮到轉動慣量與尺寸的平方成正比，因此提高飛輪邊緣線速度才能有效提高飛輪動能，限制飛輪線速度提高的因素是材料的強度極限以及輪轂與輪緣的變形協調。先進高比強度復合材料飛輪結構設計與研究有理論設計與實驗考核兩個方面，缺一不可，歸結起來，高速飛輪結構設計研究是一個高強材料的應用力學問題。

高比強度復合材料顯著的各向異性，導致纖維復合材料纏繞成的飛輪徑向抗拉強度低而發生層間脫裂，因而需采用多個薄圓環過盈套裝、預應力纏繞、層間彈性層等結構優化設計、采取在線固化工藝以及紡織工藝設計等。同時，飛輪還要心軸傳遞扭矩和供應支承定位，在心軸和飛輪輪緣之間的輪轂部分一般采用超高強度鋼或高強度鋁合金，輪轂設計的難點是實現軸和輪緣之間大變形協調和承擔高速離心載荷，先進飛輪采用了變截面錐殼或輪輻結構。考慮到工程應用的飛輪實際結構以及輪轂的儲能密度較低，目前整體飛輪設計指標小于200Wh/kg。

2.3大功率高速電機

由于特種和民用對高速電機的需求，20世紀末以來發達國家競相開展對高速電機的研究，成為國際電工領域的研究熱點，其中以美國發展為迅速[12-13]。例如Sychrony公司可生產100kW，60000r/min和400kW，20000r/min的磁懸浮高速永磁電動機和發電機。

由于轉速高，電機的功率密度大，其幾何尺寸遠小于輸出功率相同的中低速電機。高速電機可以有多種結構形式，如感應電機、永磁電機和磁阻電機等。特別是永磁電機由于其結構簡單，磁密度高、無勵磁損耗和效率高等優點，適合用于中、小型高速發電機。

電機在高速旋轉時轉子的離心力很大，當線速度達到200m/s以上時，常規疊片轉子難以承受高速旋轉出現的離心力，要采用特殊的高強度疊片或實心轉子。轉子采用非導磁鋼對永磁體進行了保護，永磁體表面采用碳纖維綁扎都可以解決高速強度問題。高速感應電機的轉子損耗大，功率因數低；但其實心轉子能夠承受400m/s表面速度，并能承受較高的溫度。

高速電機單位體積內的損耗較大，雖然目前對各種普通電機的電磁性能和損耗研究比較多，但是對高速電機損耗的研究比較少。

2.4微損耗高速軸承

傳統的滾動軸承、流體動壓軸承難以滿足高速重載而摩擦損耗低的要求，高速飛輪的先進支承方式重要有超導磁懸浮、永磁懸浮、電磁懸浮。

超導磁懸浮軸承（SMB）由永磁體與超導體組成。SMB的能量損耗重要包括磁滯損耗、渦流損耗和風損。由于無機械接觸，SMB的總能耗很小，當然低溫液氮的獲取和維持要消耗一定的能量。

鑒于高溫超導磁懸浮軸承具有的無源、無機械磨損、高轉速、壽命長等幾大突出優點，高溫超導磁懸浮軸承吸引了世界各國廣泛的關注。美國、德國和日本等國已開展了20年的研究，其他國家如韓國、西班牙、英國等在這方面的投資力度也在逐步加大。

2007年，美國波音公司和阿貢實驗室聯合開發出5kWh/100kW的軸向軸承飛輪儲能系統，測試速度達到22500r/min。2007年，德國的ATZ公司設計出5kWh/250kW的徑向軸承飛輪儲能系統。飛輪大型化的軸承技術重要突破方向是超導磁懸浮。

電磁懸浮軸承（AMB）采用反饋控制技術，能在徑向和軸向對主軸進行定位，使飛輪運轉的穩定性和安全性得到一定的提高，電磁軸承的突出優點是可超高速運行，30000～60000r/min是電磁軸承通常的運行范圍。電磁軸承在國內外研究十分充分、技術成熟，正在大力推廣工程應用。

永磁軸承通常由一對或多個磁環作徑向或軸向排列而成，其中也可以加入軟磁材料。隨著永磁材料的快速發展，永磁軸承的承載力迅速新增。但是只用永磁軸承是不可能實現穩定懸浮，要至少在一個方向上引入外力（如電磁力、機械力等）。永磁體要實現高速旋轉，要減小徑向尺寸或者以導磁鋼環代替永磁環。與永磁軸承配合使用的機械軸承重要有滾動軸承、滑動軸承、陶瓷軸承。

以上各種支承方式各有優缺點，因此在實際應用中常將幾種支承方式組合使用。美國ActivePower和德國Piller等公司生產的采用飛輪儲能不間斷電源（UPS）的飛輪支承系統采用的就是磁懸浮軸承和機械軸承組合技術。

2.5電機控制及電能轉換器

電力轉換器是飛輪儲能系統的控制裝置，是供電系統和電機的聯系媒介，實現電能和機械能的相互轉換，并有調頻、調壓和整流功能。電力變換電路必須實現能量的雙向流動，而且在飛輪放電時，可以通過放電控制輸出滿足負載需求的能量。

隨著電力電子技術的發展和新的功率器件IGBT和IGCT的應用，使得電力變換電路轉換效率和器件開關頻率更高，導通損耗更小，進一步提升飛輪儲能系統的功率密度。

永磁同步電機可以采用矢量控制或者直接轉矩控制。

飛輪系統的功率調節器PCS是將電機減速生成的變頻變壓的反電動勢變換成適應于用戶使用的電能形式，目前的實現方式重要有兩種，一種將直流母線電壓和給定電壓的差值經過電壓控制器生成電機的制動轉矩指令值，構成電壓外環、速度內環的雙環控制結構。另一種是在飛輪減速時把逆變器的可控開關管全部關斷，僅利用其續流二極管構成不控整流橋，得到幅值持續降低的直流電壓，再經過DC-DC升降壓控制把直流母線電壓穩定在恒定值。

2.6低能耗真空獲得與維持技術

高速旋轉的飛輪必須處于真空環境中以減少風損。真空的獲得與維持一般靠小型真空泵配合高密封。新的技術途徑是自持分子泵。真空的獲得相對容易，而保持相當困難。

2.7工程應用開發

經過20年的技術積累，20世紀90年代后期，基于飛輪儲能的電源系統實用產品逐步成熟。早在1997年，Beaconpower推出2kWh的飛輪電池，飛輪轉速30000r/min，采用永磁/電磁混合支承，永磁無刷電機效率高達96%。美國的ViataTechEngineering公司將飛輪引入到風力發電系統，實現全頻調峰，飛輪機組的發電功率為300kW。全球范圍內，目前至少有10家以上的公司可以供應飛輪電池產品。

3國內技術現狀

3.1飛輪儲能系統技術

國內自20世紀80年代開始關注飛輪儲能技術，自90年代開始了關鍵技術基礎研究。

中科院電工研究所目前已經設計并實現了基于鋼轉子和機械軸承的飛輪儲能裝置并應用于微型電網穩定控制和電能質量改善，清華大學300Wh飛輪儲能樣機1997年實現充放電；支承在永磁-微型螺旋槽軸承上的500Wh復合材料飛輪轉速達到42000r/min（660m/s）。華北電力大學同期也建立了試驗裝置，鋼質飛輪極限轉速10000r/min，也采用了低損耗的永磁-流體動壓混合支承。

北京特種航天大學、中科院長春光學精密機械與物理研究所近年來開展飛輪儲能電源的航天應用研究。浙江大學、東南大學開展過有關先進飛輪儲能技術的863探索項目研究，武漢理工大學探討了飛輪儲能在電動汽車混合動力的應用設計與研究。

3.2復合材料飛輪技術

國內學者在復合材料飛輪理論分析與設計方面做了大量工作。這些研究包括多層套裝復合材料飛輪的變形與應力分析、纖維束張緊纏繞的預應力分析、纖維鋪設角和層間過盈量平抑應力分析，為提高儲能密度的優化設計指明方向。

國內飛輪試驗研究數據缺乏，實驗飛輪實際達到的儲能密度指標低于國際先進水平。清華大學在復合材料飛輪強度試驗研究方面開展較多工作，具備700m/s復合材料飛輪的設計和試驗能力。

3.3高速電機技術

我國對高速電機的需求已經比較迫切，但研究工作起步較晚，目前能夠生產的是10kW以下的小功率高速電機，大功率高速電機的研發尚處于起步階段，是國內一大技術瓶頸。

沈陽工業大學與南京特種航天大學及浙江大學合作，在國家自然科學基金資助下研制采用磁懸浮軸承的75kW，60000r/min高速永磁電動機和發電機試驗樣機。目前有多個單位正在研發轉速為15000～25000r/min，功率為75～250kW的高速電動機。

3.4磁軸承技術

北京特種航天大學設計并完成了多種磁懸浮慣性執行機構用永磁偏置混合磁軸承，磁軸承轉速達到42000r/min。清華大學將永磁軸承-微型螺旋槽油膜混合軸承應用到儲能飛輪，進行系統效率測試研究。

國內對高溫超導磁懸浮軸承研究起步較晚，研究單位也較少且多處于理論研究和概念設計階段，與發達國家差距較大。目前國內有三臺高溫超導磁懸浮軸承樣機：中科院電工所的混合磁懸浮軸承樣機，北京交通大學的混合磁懸浮軸承樣機和西南交通大學超導技術研究所的雙軸向型高溫超導磁懸浮軸承樣機。

3.5電機控制及電能轉換技術

飛輪儲能的電機控制和電能轉換技術重要圍繞飛輪充電、待機和放電三種工作模式的控制和相互切換，重要包括針對飛輪電機的充放電控制器和針對用戶需求的功率調節器兩個部分。關于飛輪電機的充放電控制器，國內幾家研究飛輪的重要科研院所均有所研究和試制，大多采用較為先進的數字控制器，在充電和待機模式下采用速度外環、電流內環的控制方式，在放電模式下采用電壓外環、電流內環的控制方式。清華大學完成了高速飛輪儲能配套的永磁無刷直流電機雙向控制器；基于飛輪儲能的動態電壓補償控制系統，飛輪儲能量1000Wh、電機功率10kW，轉速為20000r/min。

關于飛輪的功率調節器，由于國內飛輪的應用研究還較少，因而相關研究不是很多，目前大多停留在UPS的應用研究上，采用恒壓恒頻輸出控制方式，較為簡單，在用于電網穩定控制和電能質量改善方面還要深入研究。

我國的飛輪儲能技術處于實驗室研究階段，與國外技術水平差距在10年以上。

4發展趨勢與對策建議

4.1技術發展趨勢

4.1.1采用先進復合材料飛輪以提高能量密度

提高飛輪速度的限制條件是材料的強度、軸承的轉速以及真空條件。飛輪儲能密度的提高依賴于更高性能的材料、結構優化設計和先進的制造工藝。國外先進飛輪儲能密度達到100Wh/kg，考慮到先進高強纖維的高技術貿易壁壘，國內努力提高的目標是60～80Wh/kg。

4.1.2采用高速電機以提高功率密度

通常電機轉速為數千r/min，轉速在數萬r/min的高速電機的尺寸、重量優勢顯著，但突出的問題是高頻電磁損耗引起的散熱問題，這關于真空條件的大功率高速電機更具挑戰性。轉速超過10000r/min，功率超過100kW的高速電機是國內的研發方向，轉子的冷卻要考慮新的冷卻方式。

4.1.3采用磁懸浮以降低損耗

電磁、永磁混合軸承技術趨于成熟，在現有的飛輪儲能系統中已經得到大量應用，研究方向是減低主動控制損耗。

超導磁懸浮軸承研究方向是提高承載力、穩定性，假如有更高溫度的超導材料，對超導磁懸浮技術將是極大的推動。高承載力、微損耗的高溫超導磁懸浮是大容量飛輪儲能系統的軸承發展方向。

4.1.4飛輪陣列式運行

為提高功率、能量容量，飛輪儲能單元采用模塊化設計，多個模塊并聯成陣列式儲能系統，目前國外的飛輪儲能電源功率由兆瓦級向十兆瓦級發展，放電時間由數秒向數分鐘發展，模塊化運行管理是飛輪儲能系統大型化的重要方向。

4.2總體發展趨勢與對策建議

經過50年的長期積累與國家科技計劃的支持，以美國為代表的國外現代飛輪儲能電源高技術在產業過程中迅速擴張，目前全球有超過3000套基于飛輪儲能的大功率動態不間斷電源系統（UPS）安全可靠運行了上千萬小時，應用于高質量電力、風力發電、車輛制動能再生等領域，自2005年以來，德國的Piller公司、美國的Active電源公司、Pentadyne公司都在大力開拓我國市場。

大容量飛輪調頻示范電站正在美國建立，為降低自放電率，美國、日本、德國都在大力研發基于高溫超導磁懸浮的大能量飛輪儲能電源，以延長飛輪發電時間到小時量級。

世界范圍內，飛輪儲能應用研究領域首先著眼于車輛、航天，然后在動態UPS中獲得了產業化應用，繼而在孤網中獲得應用，未來的發展趨勢是應用于大電網。

國內的飛輪儲能技術理論設計探索較為充分，建立了多套小型實驗原理樣機，但在工程應用裝置研制方面因未在科技部立項支持，經費缺乏而與西方國家技術差距較大。

建議國家在十二五儲能專項中大力支持，縮短與先進國家的差距，重要針對風力發電非穩態特性調節為應用背景，攻克大容量先進飛輪儲能電源中的飛輪、電機、軸承、電能變換與電機控制器等關鍵部件技術、真空密封技術以及大容量儲能電源系統集成應用等多項關鍵技術，防止飛輪儲能電源高技術產品全被西方國家壟斷。

5結論

飛輪儲能電源突出的優點是壽命長、功率大、效率高、無污染。飛輪儲能技術適合于電網調頻、小型孤島電網調峰、電網安全穩定控制、電能質量治理、車輛再生制動及高功率脈沖電源等領域；隨著飛輪儲能單元并聯技術及超導磁懸浮技術的逐漸成熟，飛輪儲能系統在儲能容量、自放電率等技術指標的進一步提高，其應用領域將逐步擴展到大電網儲能領域。

國外飛輪技術產品處于快速擴張時期，為防止飛輪儲能電源產品全被西方國家壟斷，我國應當積極從國家層面支持國內飛輪儲能電源技術研究開發，縮短國內外相關技術差距，爭取早日推出國產飛輪儲能電源高技術產品。