飛輪儲能技術及其應用場景探討

盧山 傅笑晨

(二重德陽儲能科技有限公司，四川 德陽 618000)

隨著“3060”雙碳目標的提出，我國近年來大力發(fā)展以光伏、風電為主力的新型能源，并取得了長足的進步。據(jù)國家發(fā)展改革委、國家能源局統(tǒng)計，截至2021年底，我國風電、光伏發(fā)電的裝機容量均超過3億kW[1]，計劃2030年我國風力發(fā)電、光伏發(fā)電總裝機容量達到12億kW以上[2]，這表明我國將持續(xù)建設以新能源發(fā)電為主的新型能源體系。而隨著新能源發(fā)電不斷發(fā)展，為了彌補其周期性的短板，“新能源+儲能”將是未來能源結構的重要路徑。

飛輪儲能屬于機械儲能中的一個分支，由于其具有綠色、環(huán)保、壽命長等優(yōu)勢，隨著技術的不斷進步，在近年來有了長足發(fā)展。

1 飛輪儲能技術原理

旋轉的物體具有能量，根據(jù)轉動體能量計算公式，其計算方式如下：

(1)

式中，E代表能量，J代表物體轉動慣量，ω代表物體旋轉角速度。轉動慣量是物體的固有屬性，當物體被制造出來，其轉動慣量就確定了，大小與其形狀和質(zhì)量有關。對于繞軸旋轉的圓柱體，轉動慣量可由以下公式計算：

(2)

式中，J代表物體轉動慣量，m代表旋轉體質(zhì)量，r代表圓柱體半徑。

飛輪儲能即是根據(jù)上述公式進行能量儲存的設備，當飛輪被驅動而旋轉起來，驅動的能量就轉化成了機械能儲存在了旋轉體中。飛輪儲能設備的能量轉換過程是電能—動能—電能，利用電力驅動電機帶動飛輪旋轉起來，電能便被儲存起來；當需要釋放電能時，飛輪利用慣性帶動電機發(fā)電，向外輸出電能。

2 飛輪儲能構成

飛輪儲能結構如圖1所示。飛輪儲能產(chǎn)品通常由以下五大部分組成：

圖1 飛輪儲能結構示意圖

2.1 儲能輪體

由公式(1)可以得出，飛輪儲能產(chǎn)品儲存能量取決于旋轉體質(zhì)量和轉速(主要質(zhì)量集中于儲能輪體)，增加儲能輪體的質(zhì)量和提高轉速都可以提升儲存能量，而根據(jù)公式(1)不難得出，儲存能量同質(zhì)量成正比例關系，同轉速呈平方關系，理論上增加轉速更容易提高儲存能量，這就導致業(yè)界兩種不同設計思路：低速輪體(質(zhì)量大)和高速輪體(質(zhì)量輕)。

低速輪體通常由合金鋼制成，通常轉速在10 000 r/min以下，優(yōu)點是成本較低，制造難度相對簡單；缺點是質(zhì)量大，安裝地點要求較高(承重問題)。

高速輪體通常由碳纖維制成，通常轉速在10 000 r/min以上，優(yōu)點是質(zhì)量輕，缺點是成本較高，制造難度相對較大。

2.2 電機

電機是實現(xiàn)電能-機械能轉化的關鍵部分，適用于飛輪儲能系統(tǒng)的電機必須具備以下特點：電機可分別運行于電動機工況和發(fā)電機工況，實現(xiàn)能量雙向轉換；空載損耗低，電機效率高，保證飛輪儲能系統(tǒng)長時運行、整體能量轉換效率高；電機調(diào)速范圍廣，轉速控制方式簡單且可靠，滿足飛輪儲能系統(tǒng)運行轉速工作范圍；電機能量密度高，既能輸出較大轉矩，又能輸出較大功率。

永磁電機具有功率密度大、功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、效率高、體積小、起動性能好等諸多優(yōu)良特性，隨著永磁材料的發(fā)展進步，業(yè)界通常使用其作為飛輪儲能系統(tǒng)的電機來使用。

2.3 外殼

飛輪外殼由真空室、軸承系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等組成，起到保證飛輪高速安全運行的作用。由于依靠電力驅動進行旋轉，高轉速下風阻會極大影響轉動能耗，所以必須在旋轉腔室內(nèi)營造真空環(huán)境。根據(jù)轉速不同，設計真空度通常在1～100 Pa不等；飛輪高速旋轉，必須采用合理的散熱方式，以免導致永磁體退磁等問題影響穩(wěn)定性，業(yè)界通常采用風冷或空調(diào)制冷等方式；軸承系統(tǒng)主要采用被動磁軸承和主動磁軸承兩種方式。

2.4 電力電子系統(tǒng)

電力電子系統(tǒng)作為飛輪儲能的“大腦”，起到控制電機旋轉、充電、放電等作用。由于永磁電機輸入輸出頻率隨轉速變化，而輸入輸出要求為穩(wěn)定的直流或交流電，這就要求電力電子系統(tǒng)具備整流、逆變、濾波等多種功能，以保證高效驅動電機和穩(wěn)定輸出電能。

2.5 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)通常包含潤滑系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等，保證飛輪正常運行，同時對飛輪運行時各項參數(shù)進行監(jiān)控，當參數(shù)異常時及時進行報警和通知。

以上五大部分共同組成了飛輪儲能系統(tǒng)，包含了材料、電機、電控、真空等各學科，屬于跨行業(yè)較多的綜合性技術。

3 飛輪儲能特點

由于飛輪儲能原理為電能-機械能，儲能和釋能過程中不包含化學反應過程，這就使得飛輪儲能產(chǎn)品制造、使用、回收過程中本身不會產(chǎn)生排放污染物質(zhì)，具備環(huán)境特性優(yōu)勢；另一個突出特點是基于物理儲能的原理，飛輪儲能產(chǎn)品可進行快速充放電且充放電循環(huán)次數(shù)極高，具備電力特性優(yōu)勢。

同時，飛輪儲能也具有其短板，由于其滿功率放電時間較短，因此，飛輪儲能產(chǎn)品更適合于短時充放電，比如在備用發(fā)電機組啟動期間為用戶系統(tǒng)提供可靠的電力[3]。

3.1 環(huán)境特性優(yōu)勢

物理儲能方式使得飛輪儲能成為一種綠色、安全、環(huán)保的儲能設備，由于產(chǎn)品完全基于物理原理制造，生產(chǎn)、使用、回收各環(huán)節(jié)中其本身均不產(chǎn)生有害物質(zhì)，同時具有較高的殘值率，是對環(huán)境極為友好的儲能產(chǎn)品。

3.2 電力特性優(yōu)勢

飛輪儲能由飛輪轉速決定儲存能量，反復充放電實際上是飛輪反復加減速的過程，不會影響儲存能量，這就決定了其壽命長，反復充放電不會導致儲存能量衰減。通過理論計算，目前飛輪儲能壽命可達20年以上，充放電次數(shù)達200萬次以上，相較于電池則是5年和5000～8000次。從充放電速度來看，飛輪儲能可在幾分鐘內(nèi)進行一次充放電循環(huán)，針對需要反復充放電的應用場景，有得天獨厚的優(yōu)勢。

以充放電功率來看，飛輪儲能產(chǎn)品具有高放電倍率的特性，放電倍率可達200C以上，這在市電配置容量不足的情況下，可以利用飛輪儲能進行功率放大功能，滿足大功率用電設備使用。

目前業(yè)界飛輪儲能產(chǎn)品的單機功率在100～1000 kW范圍內(nèi)，同功率下，占地面積約為化學電池的1/3～1/4，在儲能電站等大規(guī)模應用領域，可進行地下安裝，有效節(jié)省占地面積。

同時，飛輪儲能具有良好的環(huán)境適應性，可工作于-20～50℃環(huán)境中而不影響其壽命。

3.3 短板

由于其物理儲能特性，飛輪儲能也不可避免的存在缺陷，一是能量密度低，單體飛輪儲能通常儲電量在1～50 kWh范圍內(nèi)，相比于同體積化學電池，儲電量相差數(shù)十倍；二是初投成本較高，目前飛輪儲能初投價格在5000元/kW左右，是化學電池的5～10倍，需要隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展和變革逐步降低。

4 應用領域

基于以上特點，飛輪儲能可以應用于不間斷供電、能量回收、電網(wǎng)調(diào)頻、綜合能源系統(tǒng)應用等領域。

4.1 不間斷供電(UPS)

在各類數(shù)據(jù)中心、高端加工生產(chǎn)線、應急保電等領域，都需要提供UPS對服務器、關鍵生產(chǎn)設備等進行保障。目前傳統(tǒng)UPS利用化學電池作為儲能器件，受制于化學電池壽命短、環(huán)境要求高等短板，在數(shù)據(jù)中心等環(huán)境控制較好的場景通常3～5年需要更換一次電池，在非恒溫恒濕環(huán)境下，化學電池的壽命會更短，這造成了成本增加、環(huán)境污染等問題。利用飛輪儲能作為UPS的儲能器件，可極大延長其使用壽命和可靠性，提高關鍵用電設備供電質(zhì)量。由于飛輪儲能能量轉換效率極高，在負載率20%～100%的范圍內(nèi)，效率均能達到95%以上[4]，能夠起到很好的節(jié)電作用。

飛輪儲能供電系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示，利用柴油發(fā)電機組、飛輪儲能UPS、切換開關(ATS)等關鍵設備，在市電出現(xiàn)波動或中斷時，將主用電源無縫地切換到備用電源。

圖2 飛輪儲能供電系統(tǒng)拓撲圖

實際使用效果如圖3所示，市電出現(xiàn)中斷時，由飛輪儲能產(chǎn)品放電，并立即向柴油發(fā)電機發(fā)送啟動信號，柴油發(fā)電機啟動后，經(jīng)過一定時間達到穩(wěn)定輸出狀態(tài)，檢測到柴油發(fā)電機輸出功率穩(wěn)定后，由ATS自動將負載轉移至柴油發(fā)電機供電，整個切換過程中，輸出端將持續(xù)保持穩(wěn)定。

圖3 UPS輸入側功率圖

二重(德陽)重型裝備有限公司信息中心承接了其公司范圍內(nèi)網(wǎng)絡、辦公、數(shù)據(jù)資料匯集及處理功能，原使用鉛酸電池UPS進行不間斷供電，未配置柴油發(fā)電機。2019年進行機房改造，利用飛輪儲能不間斷供電系統(tǒng)進行了升級，替換了原有鉛酸電池116組，配置了柴油發(fā)電機組，為信息中心的電力供應提供了重要保障。

同時，設計方案中，將飛輪儲能運行狀態(tài)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)機房動環(huán)系統(tǒng)，可以對飛輪儲能產(chǎn)品運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

在數(shù)據(jù)機房大規(guī)模后續(xù)的應用擴展中，飛輪儲能系統(tǒng)還應考慮系統(tǒng)性縮短系統(tǒng)切換時間、增加與數(shù)據(jù)機房-48 V直流系統(tǒng)結合[5]，以滿足中大型數(shù)據(jù)機房更多的應用需求。

4.2 能量回收

在軌道交通、石油鉆井等行業(yè)，由于設備反復啟停會造成電能浪費、網(wǎng)壓穩(wěn)定性差等問題，利用飛輪儲能產(chǎn)品可對制動能量進行回收，啟動時再利用，起到節(jié)電的作用；同時飛輪將能量進行回收再釋放，避免了電網(wǎng)的功率沖擊，可延長用電設備使用壽命。

典型應用如地鐵軌道能量回收系統(tǒng)，當?shù)罔F進站需要制動剎車時，將地鐵制動的能量用于飛輪儲能產(chǎn)品加速；當?shù)罔F列車出站加速時，利用飛輪放電補充列車能量。飛輪儲能產(chǎn)品特有的充放電頻次高、時間短等優(yōu)勢可以在該系統(tǒng)中進行使用，以減少電能損耗，提高地鐵網(wǎng)壓質(zhì)量。張丹、姜建國等[6]通過MATLAB/Simulink中搭建基于高速飛輪儲能系統(tǒng)的地鐵列車起動與制動仿真模型，驗證了所提控制方法的有效性。

再如由柴油發(fā)電機作為電力供給的起重機械系統(tǒng)中，由于頻繁上下運動，導致負載波動大，將對其動力源——柴油發(fā)電機造成頻繁的功率沖擊，帶來壽命減少、積碳、能耗高等問題，導致系統(tǒng)經(jīng)濟性差、維護成本高。飛輪儲能因其強大的反復充放電能力，特別適用于短時周期性的能量存貯及釋放，發(fā)揮其功率倍增功能。在柴油機低負載運行時，可以緩慢充電使飛輪儲能產(chǎn)品處于額定轉速；當系統(tǒng)中出現(xiàn)沖擊負荷時，短時間內(nèi)將能量釋放出來。這樣，就將負荷的沖擊性轉移至飛輪儲能產(chǎn)品而非柴油發(fā)電機，使得柴油發(fā)電機的功率變化保持平穩(wěn)。

目前實際運行的案例有德克薩斯大學機電研究中心與VYCON公司聯(lián)合測試飛輪儲能用于集裝箱起重機系統(tǒng)[7]，利用2臺300 Wh、60 kW飛輪系統(tǒng)并機，使用后燃油節(jié)省21%，煙塵排放減少67%，氮氧化物排放降低26%[8]。清華大學與中原石油工程有限公司聯(lián)合研制的60 MJ/1000 kW飛輪儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆井系統(tǒng)勢能回收，可以單次回收能量5 MJ，柴油機重載減少50%[9]。

4.3 電網(wǎng)調(diào)頻

隨著新能源的發(fā)展和各類用電設備的增加，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性要求逐步增高，需要配置相應儲能設備進行頻率調(diào)整，在短時高頻調(diào)頻場景下(每天數(shù)百次，每次數(shù)秒)，飛輪儲能產(chǎn)品是目前適應性最好的一種儲能裝置。針對電網(wǎng)頻率特性及機組調(diào)頻特點，飛輪儲能系統(tǒng)的接入可以起到減少機組磨損、抑制反向調(diào)頻、儲能電量持續(xù)性管理的作用[10]。由于風電和光伏等新能源發(fā)電方式，受自然環(huán)境條件制約，存在著周期性以及同用電峰谷不匹配的問題，容易引起電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定。

針對火力發(fā)電機組，由于大部分火電廠均承擔調(diào)頻任務，而火電機組調(diào)頻存在遲滯性、超調(diào)、欠調(diào)、反調(diào)等問題，并且在反復調(diào)頻過程中，會對火電機組內(nèi)的機械系統(tǒng)的壽命造成影響，這就會導致電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)效果受到影響。利用飛輪儲能的快速響應特點結合鋰離子電池大容量儲能特點，可以很好地完成火電機組調(diào)頻工作，使得火電機組調(diào)頻更加穩(wěn)定并且能夠接受連續(xù)調(diào)頻作業(yè)[11]。美國Beacon Power公司在紐約州建設飛輪調(diào)頻電站，總容量20 MW，該電站于2011年投運，由飛輪陣列、升壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成，可以承擔該地區(qū)23%左右的調(diào)頻能力，調(diào)頻準確率在90%以上[12]。近幾年國內(nèi)也開始出現(xiàn)了飛輪儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻的示范項目，表1統(tǒng)計了部分國內(nèi)外飛輪儲能調(diào)頻項目情況。

表1 國內(nèi)外部分飛輪儲能調(diào)頻項目

目前在中國國內(nèi)運行的調(diào)頻儲能系統(tǒng)絕大部分采用鋰離子等化學電池技術，在應用過程中已經(jīng)明顯暴露出使用壽命短、存在安全隱患高等問題。飛輪儲能系統(tǒng)具備充放電次數(shù)幾乎不受限制、具有極高的功率密度和使用安全等不同特性，但能量成本較高，在承擔大時長的調(diào)頻指令時不具備經(jīng)濟性競爭優(yōu)勢。若采用能量型鋰離子電池與功率型飛輪儲能組成混合式儲能系統(tǒng)，則可充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達到更好的性能指標。

混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)由儲能單元、儲能變流器(PCS)、變壓器、配電設施等組成。儲能單元采用飛輪與鋰離子電池兩種儲能技術，飛輪儲能系統(tǒng)和鋰離子等化學電池儲能按一定比例搭配，組成混合儲能系統(tǒng)共同輔助發(fā)電機組響應AGC調(diào)頻指令。飛輪儲能系統(tǒng)因其功率密度大，壽命長，適合應用于短時大功率、頻繁地充放電場景；鋰離子等化學電池儲能系統(tǒng)能量密度大，適合較長時間的功率和能量支撐，通過兩種儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢互補，可大幅提升儲能系統(tǒng)的調(diào)頻性能、延長電池使用壽命1～2倍，最大化經(jīng)濟收益。

4.4 綜合能源系統(tǒng)應用

綜合能源系統(tǒng)是指在一定區(qū)域內(nèi)，通過利用智慧管理模式，整合區(qū)域內(nèi)電能、冷能、熱能、天然氣、新能源發(fā)電、儲能等多種能源資源，實現(xiàn)多種能源發(fā)電、多模式儲能、多層次用電的協(xié)調(diào)運行、協(xié)同管理、共同相應。在滿足系統(tǒng)內(nèi)多層次用能需求的同時，提升各類能源利用效率。

二重德陽儲能科技有限公司參與中國葛洲壩集團裝備工業(yè)有限公司在湖北省武漢市建設的葛洲壩高端設備產(chǎn)業(yè)園綜合能源項目，為其提供一臺200 kW的飛輪儲能產(chǎn)品及相關配套系統(tǒng)，建成了104 kW光伏、200 kW/400 kWh交流電化學儲能、50 kW/100 kWh直流電化學儲能、2×5 kW風電、200 kW飛輪儲能和200 kW測試柴油發(fā)電機及1臺14 kW交流充電樁、1臺60 kW直流充電樁等構成的多能互補綜合能源系統(tǒng)科研實驗平臺。項目具備組態(tài)式智慧能源管理系統(tǒng)和混合儲能系統(tǒng)測試試驗功能，將為電化學儲能單體測試、飛輪儲能單體測試、系統(tǒng)調(diào)度策略優(yōu)化、并/離網(wǎng)狀態(tài)下系統(tǒng)故障穩(wěn)定性等提供試驗測試平臺，為多能互補、源網(wǎng)荷儲一體化等關鍵技術研究提供科技創(chuàng)新平臺，為發(fā)展光柴儲、光儲充、分布式能源站、智能微電網(wǎng)發(fā)揮重要示范作用，具有科技研發(fā)支持和產(chǎn)業(yè)化支撐的雙重意義。項目目前運行狀況良好，現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 二重儲能葛洲壩多能互補綜合能源項目現(xiàn)場

5 前景展望

飛輪儲能技術發(fā)展已歷時50年，目前具有非常大的發(fā)展空間，飛輪儲能技術涉及的高強度新材料技術、真空技術、動平衡技術、磁懸浮技術、電機轉子技術、飛輪儲能陣列技術等，隨著研究發(fā)展將進一步推動飛輪儲能的發(fā)展。在新能源領域、電網(wǎng)調(diào)頻領域、能量回收領域等將是飛輪儲能后續(xù)發(fā)展的堅實陣地。

飛輪儲能產(chǎn)品目前受限于市場接受度較低、初投成本較高、相關標準缺失等原因，在國內(nèi)仍處于發(fā)展前期階段，隨著國家大力發(fā)展新能源、節(jié)能環(huán)保理念的提升，特別是國家《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中明確“強化技術攻關，構建新型儲能創(chuàng)新體系，推動多元化技術開發(fā)，加快多元化技術示范應用，開展復合型儲能技術示范應用”。隨著飛輪儲能等不同新型儲能技術的不斷發(fā)展，不同時間、不同維度的多類型儲能的綜合應用將開啟儲能應用的新模式。飛輪儲能產(chǎn)品的后續(xù)市場將進一步擴大，同時降低制造成本，可使得飛輪儲能產(chǎn)品在更多行業(yè)有更好的發(fā)展前景。