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圖1飛輪儲能系統(tǒng)的基本結構

其工作原理為：系統(tǒng)儲能時，高速電機作為電動機運行，由工頻電網提供的電能經變頻器驅動電機加速，電機拖動飛輪加速儲能，能量以動能形式儲存在旋轉的飛輪體中。當飛輪達到設定的最大轉速后，系統(tǒng)處于能量保持狀態(tài)，直到接收到一個釋放能量的控制信號，系統(tǒng)釋放能量，高速旋轉的飛輪利用其慣性作用拖動電機減速發(fā)電，經變流器輸出適用于電網要求的電能，完成動能到電能的轉換。在整個飛輪儲能裝置中，飛輪是其中的核心部件，它決定了整個裝置的儲能多少，其儲存的能量為：
J 為飛輪的轉動慣量, 與飛輪的形狀和重量有關；ω為飛輪轉動的角速度。

3飛輪儲能的技術優(yōu)勢

儲能技術是指，將電能通過某種裝置轉換成其他便于存儲的能量高效存儲起來，在需要時，可以將所存儲的能量方便地換成所需形式能量的一種技術。儲能技術主要有物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、化學儲能(如各類蓄電池、可再生燃料電池、液流電池、超級電容器等)和電磁儲能(如超導電磁儲能等)。

飛輪儲能是用物理方法實現電能存儲, 是一種高度機電一體化產品, 是最有發(fā)展前途的儲能技術之一。飛輪儲能與其他幾種典型儲能方式性能比較如表1所示。飛輪儲能使用壽命可達到20年以上，超過了其他幾種儲能方式，并且由于飛輪儲能是機械儲能方式，對于工作溫度沒有特定的要求，對于環(huán)境幾乎沒有影響。飛輪儲能具有較大的容量密度和功率密度，維護周期長，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，適用于調峰調頻，電能質量調節(jié)，輸配電系統(tǒng)穩(wěn)定性，UPS等場合。

表1各儲能方式性能比較
在電網的調頻調峰方面，飛輪儲能電站與核電站，火電站等其他類型的電站相比，在爬升能力，調峰調頻比率等方面有著一定的優(yōu)勢，如表2所示。表3顯示了飛輪儲能電站的調頻調峰能力，1MW飛輪儲能提供的調峰能力相當于2-24MW其它傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的調峰容量，30-50MW儲能調峰優(yōu)于100MW的燃氣輪機的調峰能力。

4飛輪儲能的典型應用

飛輪儲能作為一種新型的儲能方式, 其展現出來的控制簡單、高儲能密度、高效率、快響應、長壽命、低維護、綠色環(huán)保等優(yōu)點是其他任何儲能方式都無法比擬的。

飛輪儲能的應用實例無法窮舉，典型應用如下：

基于飛輪儲能的調峰電廠

飛輪儲能系統(tǒng)是在電網負荷處于低谷時, 機組作為電動機拖動飛輪, 將電能轉換為動能, 在用電高峰時, 飛輪拖動機組作為發(fā)電機將動能轉化為電能。飛輪儲能除了能夠單臺應用, 還可將多臺飛輪并聯運行, 以獲得更大的存儲容量, 作為電網中調峰、調頻電廠, 起到穩(wěn)定電網頻率、削峰填谷、平衡負荷的作用。

用于孤島風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)并網運行的關鍵問題是如何降低風力發(fā)電的間歇性對電網電壓和頻率的影響，特別是在孤島等電網較為薄弱的地方, 其影響更為突出。為了解決孤島風力發(fā)電帶來的問題, 采用了飛輪儲能來提高電網的穩(wěn)定性、減少風電有功波動對系統(tǒng)電壓和頻率的影響, 并最大可能地降低柴油發(fā)電機的有功, 提高經濟效益。

飛輪儲能在不間斷電源中的應用

傳統(tǒng)的不間斷電源(UPS )用化學蓄電池作為儲能單元?；瘜W蓄電池儲能密度大、價格低廉, 被廣泛采用, 但是它需要定期維護、壽命短、充電時間長, 還會給環(huán)境帶來污染。由于飛輪儲能系統(tǒng)具有高比能量、長壽命、高效率、無污染等特性, 用飛輪儲能系統(tǒng)代替化學蓄電池將成為趨勢。

5國內外典型飛輪儲能系統(tǒng)

世界上許多國家對飛輪儲能技術進行了大量的研究開發(fā)和應用，包括美國、英國、德國、日本、中國等多個國家的研究所、高校和公司。

美國的Bencon Power公司飛輪單機如圖2所示。為了減小摩擦損耗等原因，采用了真空室形式和磁懸浮軸承。飛輪采用了高強度碳纖維復合材料。電機在儲存能量時電動機運行，放電時做發(fā)電機運行。單機的高度約2.1m，直徑約0.9m，旋轉速度為15500 r/ min，額定功率為100kW，充放電能量達到 25 kWh，壽命超過20年，一生能量吞吐量超過4375MWh。圖3為飛輪單機的安裝剖面圖，包括了功率控制模塊、冷卻系統(tǒng)以及安裝地基，有著占地面積少，容易安裝，功率面積比高等優(yōu)點。

圖2 飛輪單機結構圖 圖3 在地基中的飛輪剖面圖

到目前為止，Bencon Power公司負責建設了三個飛輪儲能電廠。在2008年12月，負責建設的0.5MW調峰調頻電廠投入商業(yè)運行，該電廠位于馬薩諸塞州的Tynsgboro。在2011年和2014年，分別在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)以及賓夕法尼亞州建立了20MW的電廠，商業(yè)運行至今。飛輪電廠可從電網中快速吸收電力并快速釋放，吸收并釋放1MW的電能僅需要15min。

圖4 2MW系統(tǒng)配置圖

圖5 Bencon Power建立的三座電廠

美國的ActivePower公司主要設計制造飛輪UPS，其廣泛應用于許多工業(yè)場合。飛輪UPS系統(tǒng)能夠持續(xù)提供不間斷電力供應，消除電源諧波，調頻調峰，滿足清潔高品質的供電需求，具有效率高，壽命長，過載能力強，環(huán)境友好，可靠性高等優(yōu)點。飛輪UPS電機以及模塊系統(tǒng)如圖6所示。飛輪UPS在真空下以7700r/min的速度旋轉，在滿載的情況下可提供15s的供電時間。

圖6 飛輪UPS系統(tǒng)

我國在飛輪儲能方面的研究起步較晚，一些科研院所與高校進行了飛輪技術的相關研究。其中，華中科技大學電氣與電子工程學院在飛輪儲能方面做了相關的研究和應用。在國家“985工程”建設項目的支持下，研制出10kW永磁體磁懸浮飛輪儲能實驗裝置，如圖8所示。實現了無功的靈活調節(jié)和補償，更重要的是可以實現有功的靈活調節(jié)、存儲和補償。以這些儲能裝置為基礎的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制器，已經在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗環(huán)境下進行了試驗，無論在控制器的魯棒性上還是控制效果上，都取得了比常規(guī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器好得多的控制效果。