飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展與工程應(yīng)用現(xiàn)狀

劉文軍，賈東強(qiáng)，曾昊旻，肖 浩，朱 晉，邱遠(yuǎn)軍

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，長(zhǎng)沙 410007； 2.能源互聯(lián)網(wǎng)供需運(yùn)營湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410007；3.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100075； 4.湖南省送變電工程有限公司，長(zhǎng)沙 410035；5.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190； 6.仙桃市第一人民醫(yī)院，仙桃 433099)

0 引 言

2020年9月，我國向世界莊嚴(yán)承諾，力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。同年12月，我國進(jìn)一步闡述了“雙碳”(碳達(dá)峰、碳中和)目標(biāo)，提出到2030年風(fēng)電和太陽能發(fā)電的總裝機(jī)容量將突破12億千瓦[1]。風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電具有間歇性與隨機(jī)性的特點(diǎn)，若大規(guī)模高比例地接入電力系統(tǒng)，將給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來安全穩(wěn)定問題[2-6]。儲(chǔ)能裝置的采用可以在很大程度上解決新能源發(fā)電的間歇性與隨機(jī)性問題, 廣泛地開發(fā)利用新能源[7-10]。因此，突破規(guī)模化電力儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)，有效提升電力系統(tǒng)對(duì)新能源的消納水平，已是國內(nèi)外諸多研究人員的探索方向[11-16]。

飛輪儲(chǔ)能具有瞬間功率大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、運(yùn)行損耗低、環(huán)境友好、不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，作為目前“碳達(dá)峰、碳中和”背景下最具有發(fā)展前途的電力儲(chǔ)能技術(shù)之一，早已受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[17-20]。文獻(xiàn)[21]簡(jiǎn)述了飛輪儲(chǔ)能在混合動(dòng)力汽車、鐵路、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、混合發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用，給出了電機(jī)、軸承和電力電子接口三個(gè)飛輪儲(chǔ)能器件的優(yōu)缺點(diǎn)，并討論了所使用的新型和傳統(tǒng)電力電子變換器。文獻(xiàn)[22] 討論了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)所用的不同類型電機(jī)、軸承、電力電子變換器拓?fù)湟约岸喾N應(yīng)用場(chǎng)合。文獻(xiàn)[23] 概述了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和在電力系統(tǒng)和微電網(wǎng)的應(yīng)用，并討論了挑戰(zhàn)、問題和未來工作。文獻(xiàn)[24]分析了用于飛輪轉(zhuǎn)子的材料以及使用這些材料的原因，并描述了不同應(yīng)用場(chǎng)景。文獻(xiàn)[25] 分析了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)給電動(dòng)汽車充電提供大功率充電電源的適用性。文獻(xiàn)[26] 探索了飛輪儲(chǔ)能在船舶中壓直流電源系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本文介紹了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在國內(nèi)以及國外的研究發(fā)展現(xiàn)狀, 闡述了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在相關(guān)典型場(chǎng)合的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

1 國外技術(shù)現(xiàn)狀

近20年來，國外對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究保持著濃厚的興趣，美國、德國、法國、日本、英國、西班牙等國都一直進(jìn)行著研究[21-24,27]。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通常由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電機(jī)、電力電子變換器等關(guān)鍵部件組成，如圖1所示。下面將逐一對(duì)這些關(guān)鍵部件在國外的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀予以介紹。

圖1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 飛輪轉(zhuǎn)子

飛輪轉(zhuǎn)子是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量存儲(chǔ)的載體,其主要作用就是通過高速旋轉(zhuǎn)將能量以機(jī)械能的形式存儲(chǔ)。

飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)所存儲(chǔ)動(dòng)能E:

(1)

式中：J、ω分別表示飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋轉(zhuǎn)角速度。

由式(1)可知，飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能量與其角速度平方成正比。增加飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)存能量，可以通過提高轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)受到轉(zhuǎn)子材料強(qiáng)度的限制，如果轉(zhuǎn)速過高，飛輪轉(zhuǎn)子會(huì)因離心應(yīng)力太大而發(fā)生碎裂。

另外，表征飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)是儲(chǔ)能密度，也就是單位質(zhì)量所儲(chǔ)存的能量。對(duì)于特定結(jié)構(gòu)與形狀的飛輪轉(zhuǎn)子，它的儲(chǔ)能密度em：

(2)

式中：m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；σ為轉(zhuǎn)子材料的極限強(qiáng)度；ρ為轉(zhuǎn)子材料密度；Ks為飛輪轉(zhuǎn)子的形狀系數(shù)。表1為幾種典型的飛輪轉(zhuǎn)子材料的典型參數(shù)[28]，由表1可見，碳素纖維與玻璃纖維復(fù)合材料具有較高的抗拉強(qiáng)度和較低的密度。

表1 飛輪轉(zhuǎn)子常用材料參數(shù)[28]

因此，為提高飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和儲(chǔ)能密度，國外先進(jìn)的高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)皆首選強(qiáng)度高、密度低的碳素纖維或玻璃纖維復(fù)合材料作為飛輪轉(zhuǎn)子的材料。例如，美國Beacon Power公司的飛輪轉(zhuǎn)子采用的是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的復(fù)合材料轉(zhuǎn)子，如圖2(a)所示[29-30]；美國德州大學(xué)(UT-CEM)研制的應(yīng)用于鐵路機(jī)車的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)也采用復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子，如圖2(b)所示[31]。

圖2 復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子

1.2 軸承支撐

適當(dāng)?shù)妮S承設(shè)計(jì)可以減少損耗和維護(hù)需求。機(jī)械軸承是最早的軸承類型，它們具有高摩擦、高損耗、高速場(chǎng)合使用時(shí)壽命低并因磨損而需要定期保養(yǎng)與潤(rùn)滑等缺點(diǎn)，磁浮軸承在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)后，長(zhǎng)壽命、高響應(yīng)速度、高負(fù)載能力、低損耗、適用高速場(chǎng)合等特點(diǎn)變?yōu)榭赡堋?fù)雜的控制系統(tǒng)是磁浮軸承的主要缺陷，為了防備磁浮軸承的故障/過載，仍有必要配備備用的機(jī)械軸承[21]。磁浮軸承主要有以下4種類型：

(1)永磁軸承(以下簡(jiǎn)稱PMB)。PMB是利用永磁體同性相斥的原理來實(shí)現(xiàn)軸承定、轉(zhuǎn)子之間徑向或者軸向懸浮的，其通常由一對(duì)或多個(gè)永磁磁環(huán)在徑向或軸向排列而成[32]。PMB最吸引人的特點(diǎn)是無需電源的低損耗及低成本。但是根據(jù)Earnshaw定理可知，PMB本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，需要和機(jī)械軸承、超導(dǎo)磁軸承等其它類型軸承一起聯(lián)合使用。

(2)電磁軸承(以下簡(jiǎn)稱AMB)。AMB也稱主動(dòng)磁軸承，主要由轉(zhuǎn)子、位置傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成, 其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。AMB采用反饋控制技術(shù)，通過控制電磁力的大小來對(duì)主軸在軸向和徑向進(jìn)行定位，使飛輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在平衡位置[32]。

AMB與傳統(tǒng)機(jī)械軸承相比，具有轉(zhuǎn)子摩擦損耗低、噪聲低、控制能力優(yōu)、剛度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛使用。但其功率放大器損耗較高，并且軸承設(shè)計(jì)和控制復(fù)雜。AMB通過和機(jī)械軸承的聯(lián)合使用可以降低控制的復(fù)雜性，并使系統(tǒng)可行、經(jīng)濟(jì)，且更趨穩(wěn)定，但需要對(duì)電磁干擾敏感的復(fù)雜控制策略。目前，國外采用AMB的有美國Beacon Power等公司[29]。

(3)超導(dǎo)磁軸承(以下簡(jiǎn)稱SMB)。SMB的基本原理是高溫超導(dǎo)體和永磁體間電磁相互作用的軸對(duì)稱模型，通過利用超導(dǎo)體的抗磁性和釘扎性實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮，一般用高溫超導(dǎo)氧化釔鋇銅(YBCO)塊材作定子，常規(guī)的永磁體作轉(zhuǎn)子[28]。

SMB具有自穩(wěn)定、摩擦損耗低、壽命長(zhǎng)等幾大優(yōu)點(diǎn)，但需低溫制冷機(jī)，增加了系統(tǒng)的體積和成本。超導(dǎo)磁軸承是高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱HTS-FESS)的核心部件。目前，國外研究HTS-FESS的單位主要有美國波音公司、日本ISTEC、德國ATZ公司等。這些單位的HTS-FESS采用超導(dǎo)磁軸承為主，并輔助以永磁軸承或電磁軸承[28]。

(4)組合式磁軸承。以上三種單一磁軸承各具有優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常將幾種軸承組合起來使用[33-35]。

表2 三種單一磁浮軸承特點(diǎn)[33]

1.3 高速電機(jī)

高速電機(jī)是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的接口?，F(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中只有一個(gè)電機(jī)，它既要在充電時(shí)充當(dāng)電動(dòng)機(jī)，又要在放電時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)。

永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、調(diào)速范圍寬、磁密度高、無勵(lì)磁損耗、轉(zhuǎn)速和效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前在國外飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中被較多采用[27]。美國Beacon Power公司的飛輪產(chǎn)品采用的就是永磁同步電機(jī)。

1.4 電力電子變換

電力電子變換器是飛輪電機(jī)和供電系統(tǒng)的連接紐帶,起著電力變換的作用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電壓的頻率和幅度都變得更容易控制。在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電力電子變換器可以使用不同類型的具備雙向模式運(yùn)行的電路拓?fù)?，比較常見的有交流-直流-交流等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.5 真空室

為了降低飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子與空氣之間的摩擦損耗，需要將飛輪轉(zhuǎn)子置于真空室之中。真空室內(nèi)的真空環(huán)境一般通過真空泵將真空室內(nèi)空氣抽出并對(duì)真空室進(jìn)行密封來獲得。對(duì)于高密封性能的真空室來說，維持真空只需真空泵間歇工作。目前，美國Beacon Power等公司就采用了真空技術(shù)。

1.6 飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)

單臺(tái)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和能量有限，為了獲得更大的功率和能量，還可以將多臺(tái)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)組合成飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)[36]。

2 國內(nèi)研究與發(fā)展概況

國內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始關(guān)注飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，自90年代開始了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究[27]。

中科院電工研究所制作了一臺(tái)混合SMB樣機(jī)，轉(zhuǎn)軸采用軸向型SMB、PMB和AMB共同支撐懸浮，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了9 600 r/min[28]。該所還設(shè)計(jì)了一種采用PMB和機(jī)械軸承相結(jié)合的磁浮軸承[37]。

2003年～2008年清華大學(xué)研制了一臺(tái)300 W·h的電磁懸浮飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)，該樣機(jī)采用復(fù)合材料轉(zhuǎn)子和AMB。2012年清華大學(xué)與中原石油勘探局合作研制了一臺(tái)100 kW電動(dòng)/500 kW發(fā)電的飛輪儲(chǔ)能工程樣機(jī)，該樣機(jī)采用了重型低速合金鋼飛輪轉(zhuǎn)子(質(zhì)量1 200 kg)、大型永磁吸力軸承和永磁同步電機(jī)[38-39]。2017年清華大學(xué)為鉆機(jī)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研制了一套1 MW/60 MJ飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[40]。

北京航空航天大學(xué)和中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密儀器研究所面向航天應(yīng)用領(lǐng)域研究磁懸浮姿態(tài)控制/儲(chǔ)能兩用飛輪，重點(diǎn)研究了磁懸浮軸承技術(shù)、飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和電機(jī)技術(shù)[41-42]。

華中科技大學(xué)采用飛輪儲(chǔ)能型柔性功率調(diào)節(jié)器來提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該柔性功率調(diào)節(jié)器采用雙饋感應(yīng)電機(jī)，并于2007年研制了一臺(tái)10 kW容量的柔性功率調(diào)節(jié)器樣機(jī)[43]。

華北電力大學(xué)研制的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用鋼轉(zhuǎn)子和永磁-流體動(dòng)壓混合支撐軸承，轉(zhuǎn)子極限轉(zhuǎn)速10 000 r/min,并進(jìn)行了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)加速儲(chǔ)能試驗(yàn)[44-47]。

國內(nèi)飛輪儲(chǔ)能行業(yè)中，盾石磁能科技有限責(zé)任公司為解決電氣化軌道交通制動(dòng)能量回收和牽引電網(wǎng)電壓波動(dòng)等問題,研發(fā)了一款333 kW/36 000 r·min-1大功率高速飛輪儲(chǔ)能裝置[48]；沈陽微控新能源技術(shù)有限公司研制的VDC產(chǎn)品最大輸出功率450 kW，最高轉(zhuǎn)速37 000 r/min[49]。

此外，在高速電機(jī)技術(shù)方面，文獻(xiàn)[50]分析了飛輪儲(chǔ)能用高速電機(jī)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，闡述了飛輪儲(chǔ)能用高速永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

在軸承支撐技術(shù)方面，文獻(xiàn)[51] 基于替代映射的觀點(diǎn)建立了非線性主動(dòng)磁軸承的模型；文獻(xiàn)[52] 設(shè)計(jì)一種將徑向超導(dǎo)磁軸承和軸向電磁軸承集成于一體的混合磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，用來在超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中支撐飛輪轉(zhuǎn)子；文獻(xiàn)[53-54] 針對(duì)主動(dòng)AMB高速飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)抑制問題,分別提出了一種模態(tài)分離-狀態(tài)反饋內(nèi)?？刂扑惴ê鸵环N基于不平衡系數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)不平衡補(bǔ)償控制算法；文獻(xiàn)[55]建立了一臺(tái)小容量電機(jī)外置式徑向型的超導(dǎo)飛輪樣機(jī)；文獻(xiàn)[56] 介紹了高溫超導(dǎo)飛輪的結(jié)構(gòu)、研究現(xiàn)狀和存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢(shì)；文獻(xiàn)[57] 對(duì)磁懸浮框架飛輪和高精度磁軸承的研究現(xiàn)狀及其未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述；文獻(xiàn)[58]分析了各種磁懸浮軸承的懸浮力和剛度，并介紹了飛輪儲(chǔ)能用磁懸浮軸承的研究進(jìn)展。

在系統(tǒng)控制方面，文獻(xiàn)[59] 分析了飛輪電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滑模觀測(cè)器估算角度存在偏差的原因，提出一種補(bǔ)償截止頻率等于電機(jī)電氣頻率的自適應(yīng)低通濾波器固定滯后角的角度偏差消除方法，并對(duì)滑模觀測(cè)器進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[60] 提出了一種基于背靠背雙PWM變流器的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法；文獻(xiàn)[61] 提出了一種計(jì)及總損耗功率估計(jì)與轉(zhuǎn)速前饋補(bǔ)償?shù)娘w輪儲(chǔ)能系統(tǒng)放電控制策略；文獻(xiàn)[62] 基于浸入不變流形原理設(shè)計(jì)了一種母線電壓自適應(yīng)非線性控制器。

在飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)研究方面，文獻(xiàn)[63]給出了飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略；文獻(xiàn)[64]針對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)儲(chǔ)微網(wǎng)提出了一種基于飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)的分層優(yōu)化控制方法；文獻(xiàn)[65]研究了并聯(lián)到同一直流母線的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略；文獻(xiàn)[66]利用現(xiàn)有單臺(tái)飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品設(shè)計(jì)出容量為1 MW的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，但尚未見到該飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)在國內(nèi)的具體工程實(shí)踐數(shù)據(jù)。

在應(yīng)用探索研究方面，文獻(xiàn)[67] 針對(duì)車載飛輪電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和存在的技術(shù)瓶頸進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[68] 針對(duì)電氣化鐵路牽引負(fù)荷功率峰值引起的電能質(zhì)量問題,提出了一種基于牽引負(fù)荷功率來控制飛輪充放電的能量管理策略；文獻(xiàn)[69-70] 對(duì)飛輪電池應(yīng)用于汽車能量回收的前景進(jìn)行了展望；文獻(xiàn)[71] 對(duì)飛輪儲(chǔ)能輔助燃煤機(jī)組調(diào)頻動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了仿真研究；文獻(xiàn)[72]設(shè)計(jì)了應(yīng)用于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)能量管理系統(tǒng)；文獻(xiàn)[73] 進(jìn)行了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在平滑光伏波動(dòng)以及孤網(wǎng)調(diào)頻方面調(diào)節(jié)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究。

總體來看，國內(nèi)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要還處在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和樣機(jī)研制階段，理論研究比較豐富,工程應(yīng)用研究進(jìn)展較為緩慢，進(jìn)入市場(chǎng)的成熟飛輪產(chǎn)品還相對(duì)較少。在復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)、軸承支撐技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、飛輪陣列儲(chǔ)能技術(shù)等方面與發(fā)達(dá)國家仍存在一定差距[27]。

3 工程應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 電力系統(tǒng)調(diào)頻

2011年美國Beacon Power公司在紐約的Stephentown鎮(zhèn)建成第一座20 MW/5 MW·h飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站，如圖3所示，并于2014年在賓夕法尼亞州Hazel市建成其第二座20 MW調(diào)頻電站[74]。

圖3 Beacon Power公司飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站

3.2 風(fēng)電等間歇式新能源發(fā)電

隨著人們對(duì)能源安全問題的日益重視，風(fēng)力發(fā)電等新能源得到了廣泛應(yīng)用。但是風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題增加。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以與風(fēng)力發(fā)電等間歇式新能源相配合來供電，可以避免柴油發(fā)電機(jī)的頻繁起停，提高風(fēng)電滲透率，降低發(fā)電成本與電價(jià)。圖4為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在葡萄牙亞速爾群島應(yīng)用的電路示意圖。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接到了三相400 V/50 Hz的交流電網(wǎng)中[27,75]。

圖4 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在葡萄牙亞速爾群島的應(yīng)用

3.3 不間斷電源

在電力系統(tǒng)中，存在大量對(duì)電能質(zhì)量要求高的用戶，例如半導(dǎo)體制造業(yè)、銀行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、醫(yī)院的精密醫(yī)療設(shè)備等。當(dāng)外部電網(wǎng)中斷或供電質(zhì)量異常時(shí)，為確保這些用戶連續(xù)可靠供電，可配備飛輪儲(chǔ)能不間斷電源(以下簡(jiǎn)稱UPS)[76]。例如美國Active Power公司生產(chǎn)的飛輪儲(chǔ)能UPS產(chǎn)品已經(jīng)在全球被各大數(shù)據(jù)中心、電信運(yùn)營商等廣泛采用，其雙變換UPS和在線交互式UPS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

圖5 Active Power公司UPS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

3.4 軌道交通

軌道交通中使用的電力機(jī)車都存在著電機(jī)制動(dòng)的問題。傳統(tǒng)電阻制動(dòng)把制動(dòng)能量通過發(fā)熱形式消耗掉，而再生制動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量的再利用。再生制動(dòng)通過制動(dòng)時(shí)將機(jī)車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能使機(jī)車減速，并在短時(shí)間內(nèi)回饋給電網(wǎng)或存儲(chǔ)起來，直到需要時(shí)再使用。將機(jī)車進(jìn)站減速時(shí)的制動(dòng)能量存儲(chǔ)到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，在機(jī)車提速駛出時(shí)飛輪儲(chǔ)能釋放所存儲(chǔ)的能量，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再利用[66,77-79]。比如，美國紐約地鐵就采用了飛輪儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)機(jī)車制動(dòng)能量的再利用[29]。

3.5 脈沖功率電源

脈沖功率技術(shù)是將能量?jī)?chǔ)存起來以后，再瞬間以脈沖大功率釋放的技術(shù)，在高科技領(lǐng)域及國防軍事上應(yīng)用較多。飛輪儲(chǔ)能因瞬間功率大而可作為脈沖功率電源[27]。例如，德國IPP研究所的托卡馬克裝置就采用了飛輪儲(chǔ)能作為脈沖功率電源[80]。

4 結(jié)語與展望

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由于具有瞬時(shí)功率高、能效高、響應(yīng)速度快、維護(hù)低、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好、充放電次數(shù)無限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。本文論述了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀與工程應(yīng)用現(xiàn)狀。

可以看出，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)適用于電力系統(tǒng)調(diào)頻、風(fēng)電等間歇式新能源發(fā)電、不間斷電源(UPS)、軌道交通制動(dòng)能量回收、脈沖功率電源等領(lǐng)域；未來飛輪儲(chǔ)能技術(shù)將朝著復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子、組合式磁軸承、高速電機(jī)、雙向電力電子控制、陣列式運(yùn)行等方向發(fā)展。

國家能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016年～2030年)提出在2030年前發(fā)展10 MW 級(jí)飛輪儲(chǔ)能裝備制造技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能必將在電力系統(tǒng)等領(lǐng)域取得更加廣泛的應(yīng)用，并將在推動(dòng)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、助推“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等方面發(fā)揮重要作用。