在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(flywheel energy storage system，F(xiàn)ESS)以效率高、容量大、響應(yīng)快和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是由高速飛輪、磁軸承系統(tǒng)、永磁電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)以及附加設(shè)備組成，它是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)體作為機(jī)械能量?jī)?chǔ)存的介質(zhì)，利用電動(dòng)發(fā)電機(jī)和能量轉(zhuǎn)換控 制系統(tǒng)來(lái)控制能量的輸入和輸出，達(dá)到充電和放電的目的。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種逐漸成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用到包括航空航天、電動(dòng)汽車、電力等領(lǐng)域，逐步取代化學(xué)電池儲(chǔ)能，成為儲(chǔ)能行業(yè)一支 不可忽視的力量。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，其是純粹的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，對(duì)環(huán)境非常友好，因而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)根據(jù)暫態(tài)運(yùn)行通常分為充電和放電2 部分，其工作原理是當(dāng)外部電能充足時(shí)，系統(tǒng)將電能通過(guò)飛輪電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 儲(chǔ)存起來(lái);當(dāng)系統(tǒng)外部電能不足時(shí)，將飛輪存儲(chǔ)的 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出到外部負(fù)載。

作為一種新型的物理儲(chǔ)能方式，飛輪儲(chǔ)能與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比，具備有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)充放電迅速。從收到電網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)信號(hào)到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)做出反應(yīng)，時(shí)間極短，并且在之后數(shù)分鐘時(shí)間內(nèi)能夠完成整個(gè)系統(tǒng)的充/放電過(guò)程，符合電網(wǎng)的短時(shí)響應(yīng)與調(diào)節(jié)需求，相比于蓄電池、抽水 蓄能、壓縮空氣等，具有較快的充/放電時(shí)間。

2)工作效率高。一般的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作效率可以達(dá)到90%左右，相比于抽水蓄能的 60%以及蓄電池儲(chǔ)能的70%，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且采用磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其工作效率更高，接近 95%。

3)使用壽命長(zhǎng)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雖價(jià)格昂貴，但是設(shè)計(jì)良好，其年平均維護(hù)費(fèi)用極低，充放電次數(shù)明顯優(yōu)于蓄電池儲(chǔ)能等，其達(dá)到了百萬(wàn)數(shù)量級(jí)，且一般免維護(hù)的時(shí)間是在10a以上。

4)環(huán)保無(wú)污染。由于機(jī)械儲(chǔ)能的緣故，飛輪儲(chǔ)能不會(huì)排放出污染環(huán)境的物質(zhì)，其是一種環(huán)境友 好型的綠色儲(chǔ)能技術(shù)。此外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還具有模塊性、建設(shè)時(shí)間短、事故后果影響低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1 飛輪儲(chǔ)能能量示意圖

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用主要集中在儲(chǔ)能和峰值動(dòng)力使用2大類，具體應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾方面：

1)UPS不間斷電源。不間斷電源(UPS)是一種利用儲(chǔ)能裝置向負(fù)載提供高質(zhì)量電能的設(shè)備，在醫(yī)療設(shè)備、通信、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前UPS逐漸傾向于使用飛輪儲(chǔ)能裝置等新型儲(chǔ)能設(shè)備，既減少了環(huán)境污染，延長(zhǎng)了使用壽命，同時(shí)也提高了工作效率。文獻(xiàn)[1]對(duì)傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池，并且研究了旋轉(zhuǎn)下飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電控制策略，優(yōu)化了飛輪充電曲線，改進(jìn)了智能 控制算法;文獻(xiàn)[17]搭建了用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為后備電源的新型UPS系統(tǒng)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，驗(yàn)證了其可行性，同時(shí)給出了相應(yīng)的國(guó)內(nèi)推廣建議。

2)節(jié)能。能源利用率一直是我們比較關(guān)注的話題，節(jié)能已經(jīng)得到廣泛的共識(shí)。傳統(tǒng)的機(jī)械裝置，進(jìn)行機(jī)械 制動(dòng)后能量被轉(zhuǎn)化為熱能而流失，造成了一定程度上的浪費(fèi)，降低了能源的使用效率。因此，通過(guò)飛輪儲(chǔ)能裝置把這部分能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能存儲(chǔ)起來(lái)，在需要的時(shí)候，輸出到系統(tǒng)中，可以減少能量損失， 提高能量的利用率，目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域集中在新 能源汽車和城市軌道交通等方面。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以單獨(dú)或與其他動(dòng)力裝置一起混合用于電動(dòng)汽車上，能夠改善電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，間接減少尾氣排放和對(duì)環(huán)境的污染程度。城市軌道交通由于定點(diǎn)停車，不斷地處于啟動(dòng)?？繝顟B(tài)，因此，電能轉(zhuǎn)換而來(lái)的機(jī)械能處于持續(xù)不斷的浪費(fèi)中。采用飛輪儲(chǔ)能裝置，依靠動(dòng)能回收系統(tǒng)(KERS)進(jìn)行能量回收與釋放，相對(duì)于使用鋰電池，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)效果更優(yōu)。

3)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，其能夠較 好地調(diào)節(jié)有功功率，削峰填谷，增大功率因數(shù)，穩(wěn)定電壓和頻率，并對(duì)改善電能質(zhì)量和穩(wěn)定負(fù)荷具有良好的作用。暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定 運(yùn)行和分析的重點(diǎn)，依靠飛輪儲(chǔ)能的瞬時(shí)功率大、響應(yīng)迅速、充放電完成時(shí)間短等特點(diǎn)，投入到電力系統(tǒng)中，能夠快速主動(dòng)地參與電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，消除擾動(dòng)并縮短暫態(tài)過(guò)程，盡量避免了電壓崩潰、低頻振蕩等危險(xiǎn)狀況的出現(xiàn)，為電力系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn) 定運(yùn)行起到了積極作用。

2002年，日本 Kansai電力公司將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于3.3kV電力系統(tǒng)中，用于改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性，其效果顯著。文獻(xiàn)[21] 應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償阻尼系統(tǒng)的低頻振蕩，從佳安裝地點(diǎn)、參數(shù)整定策略角度分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在抑制低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的能力。

飛輪儲(chǔ)能裝置和電機(jī)結(jié)合在一起，離不開(kāi)電機(jī)的輔助，因此電機(jī)的選擇與控制將直接 影響到飛輪儲(chǔ)能裝置。文獻(xiàn)[22]提出永磁無(wú)刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)新6拍脈寬調(diào)制方式，并將其應(yīng)用于高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，在改善相電流波形，減小無(wú)刷直流電機(jī)在高速發(fā)電機(jī)狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)起到了一定作用。

4)微網(wǎng)。目前，微網(wǎng)(Microgrid)作為一個(gè)小型發(fā)配電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自我監(jiān)控、自我調(diào)節(jié)，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也能獨(dú)立運(yùn)行。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)大電網(wǎng)而言，微網(wǎng)由于分布式電源多、位置靈活、分散等特點(diǎn)，需要有儲(chǔ)能系統(tǒng)的支撐做保障。

在微網(wǎng)能量充足時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將多余的能量存儲(chǔ)起來(lái)，穩(wěn)定端電壓;當(dāng)微網(wǎng)發(fā)生故障，或出現(xiàn)功率性缺額現(xiàn)象時(shí)，將存儲(chǔ)的能量釋放出去，增強(qiáng)了局部供電可靠性，維持了微網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[23]將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于微網(wǎng)，作為微網(wǎng)的儲(chǔ)能元件，提出了并網(wǎng)時(shí)的控制策略，在主網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，起備用電源作用，支撐了微網(wǎng)的可靠性;在微網(wǎng)和主網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)段，可以改善電能質(zhì)量，削峰填谷。

文獻(xiàn)[24]在微網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用柴油發(fā)電機(jī)和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)可以提供強(qiáng)大的功率支撐，穩(wěn)定負(fù)荷，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)負(fù)荷波動(dòng)、削峰填谷2者結(jié)合，并采取適當(dāng)?shù)目刂品绞?，仿真?shí)驗(yàn)證明了混合系統(tǒng)在微網(wǎng)系統(tǒng)中的有效性和經(jīng)濟(jì)性。

5)可再生能源的并網(wǎng)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域是可再生能源的并網(wǎng)。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源因?yàn)榍鍧崱⒕蘖?、可再生等?yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是由于風(fēng)光等可再生能源自身的間歇性和波動(dòng)性，并網(wǎng)后增大了電網(wǎng)的沖擊，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了一定的影響。而飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一個(gè)可靈活調(diào)控的有功源，能穩(wěn)定并網(wǎng)頻率和電壓，減小可再生能源的波動(dòng)性，削峰填谷，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，有效地改善可再生能源并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題，確保安全性和可靠性。

文獻(xiàn)[26-27]提出了風(fēng)力發(fā)電結(jié)合的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，綜合了頻率和功率的調(diào)節(jié)與控制，根據(jù)實(shí)際風(fēng)速，仿真得出平穩(wěn)輸出功率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率控制;文獻(xiàn)[28]的研究對(duì)象是永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，分析了當(dāng)前控制方法下，把飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在直流端側(cè)，研究有功功率的平滑輸出，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量控制策略，并給出了平滑功率值的計(jì)算方法;文獻(xiàn)[29]創(chuàng)新性 地將廣義動(dòng)量概念應(yīng)用于可再生能源，提出了能量補(bǔ)償?shù)男驴刂品椒?。該控制從調(diào)節(jié)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出發(fā)，對(duì)可再生發(fā)電的動(dòng)量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行可靠的監(jiān)視與能量補(bǔ)償。