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近年來，隨著可再生能源占比不斷提升。新能源發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性、波動性等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，且其自身不具備調(diào)頻能力，成為制約其進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模的主要障礙。

如何更安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地利用這些綠色低碳新能源電力？

這一問題已成為新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

今天，帶你了解儲能新星——“飛輪儲能”。

飛輪儲能

儲能分為物理儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能。飛輪儲能屬于物理儲能中的一種。

飛輪儲能的工作原理：在電力富余條件下，由電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲存；當(dāng)系統(tǒng)需要時，飛輪減速，電動機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將飛輪動能轉(zhuǎn)換成電能，供用戶使用。飛輪儲能通過轉(zhuǎn)子的加速和減速，實(shí)現(xiàn)電能的存入和釋放。

充電時，轉(zhuǎn)速提高；放電時，轉(zhuǎn)速降低。

與其他儲能模式相比，飛輪儲能具有使用壽命長、充電次數(shù)多、能量密度高、安全環(huán)保性能佳的特點(diǎn)，非常適合電力系統(tǒng)一次調(diào)頻短時高頻大功率的應(yīng)用場景。

目前，正在建設(shè)的第一個飛輪儲能獨(dú)立調(diào)頻商用電站——山西長治鼎輪能源科技30兆瓦飛輪儲能項(xiàng)目，安裝120臺250千瓦飛輪儲能裝置，總功率約30兆瓦。該項(xiàng)目由中國能建山西院總承包建設(shè)，建成投產(chǎn)后，將成為首個規(guī)?；w輪儲能在電力系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)頻應(yīng)用案例、首個大容量飛輪陣列工程示范工程，填補(bǔ)大容量飛輪儲能獨(dú)立調(diào)頻技術(shù)工程化應(yīng)用空白，對飛輪儲能電站作為市場主體參與一次調(diào)頻市場化輔助服務(wù)的商業(yè)模式進(jìn)行驗(yàn)證。

飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、電機(jī)、軸承、電力電子接口和外殼組成。

飛輪轉(zhuǎn)子

飛輪中儲存的能量由轉(zhuǎn)子的形狀和材料決定。能量與慣性矩及其角速度的平方成線性比例，因此可以通過提高轉(zhuǎn)速或增加慣性矩來優(yōu)化飛輪的存儲能量。

這就為飛輪儲能系統(tǒng)提供了兩種選擇：低速飛輪儲能系統(tǒng)(通常高達(dá)10,000rpm)和高速飛輪儲能系統(tǒng)(高達(dá)100,000rpm)。

低速飛輪通常由較重的金屬材料制成，由機(jī)械軸承或磁軸承支承。高速飛輪一般使用較輕但較強(qiáng)的復(fù)合材料，通常需要磁軸承。高速飛輪的成本通?？筛哌_(dá)低速飛輪成本的5倍。

電機(jī)

電動/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)與飛輪耦合，以實(shí)現(xiàn)飛輪的能量轉(zhuǎn)換和充電過程。這臺機(jī)器可為馬達(dá)，通過加速飛輪并從電源中汲取電能來給飛輪儲存動能。

飛輪上存儲的能量由作為發(fā)電機(jī)的的同一電機(jī)提取，因此，飛輪在將動能轉(zhuǎn)化為電能的過程中減速。飛輪儲能系統(tǒng)中常用的電機(jī)有感應(yīng)電機(jī)(IM)、永磁電機(jī)(PM)和可變磁阻電機(jī)(VRM)。

由于其堅(jiān)固耐用、高扭矩和低成本，感應(yīng)電機(jī)被用于高功率應(yīng)用。速度限制、復(fù)雜的控制和更高的維護(hù)要求是感應(yīng)電機(jī)的主要問題。

雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIM）由于其靈活的控制和較低的功率轉(zhuǎn)換額定值，目前已在飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用中使用，從而減少了電力電子設(shè)備的尺寸。

可變磁阻電機(jī)具有性能穩(wěn)定、怠速損耗低、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)。對于高速操作，可變磁阻電機(jī)的控制機(jī)制比感應(yīng)電機(jī)更簡單。它的缺點(diǎn)是功率因數(shù)低，功率密度低，扭矩波動大。開關(guān)磁阻和同步磁阻兩種磁阻類型均適用于高速飛輪儲能系統(tǒng)。

永磁電機(jī)具有較高的效率、較高的功率密度和較低的轉(zhuǎn)子損耗，是飛輪儲能系統(tǒng)最常用的電機(jī)。它被廣泛應(yīng)用于高速應(yīng)用中。永磁電機(jī)的主要問題是定子渦流損耗導(dǎo)致的空轉(zhuǎn)損耗、高價格和低抗拉強(qiáng)度。

無刷直流電動機(jī)(BLDCM)、永磁同步電機(jī)(PMSM)和哈爾巴赫陣列機(jī)(HAM)是飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用中使用的主要永磁電機(jī)類型。

軸承

需要軸承以非常低的摩擦將轉(zhuǎn)子保持在適當(dāng)位置，同時為飛輪提供支撐機(jī)構(gòu)。軸承系統(tǒng)可以是機(jī)械或磁性的，取決于重量、壽命和較低的損耗。

傳統(tǒng)上使用機(jī)械球軸承，但與磁性軸承相比，機(jī)械球軸承具有更高的摩擦，并且由于潤滑劑劣化，需要更高的維護(hù)成本。這些不足可以通過使用磁性和機(jī)械軸承的混合系統(tǒng)來緩解。磁性軸承沒有摩擦損失，不需要任何潤滑。

永久（被動）磁軸承（PMB）、主動磁軸承（AMB）和超導(dǎo)磁軸承（SMB）是磁軸承系統(tǒng)的主要類型。

PMB具有高剛度、低成本和低損耗。然而，PMB在提供穩(wěn)定性方面存在局限性，通常被視為輔助軸承系統(tǒng)。

AMB是由控制轉(zhuǎn)子位置的載流線圈產(chǎn)生的磁場驅(qū)動的。AMB成本高，控制系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行時消耗能量，進(jìn)而增加系統(tǒng)損耗。為了確保整個系統(tǒng)的良好效率，必須在速度和損耗之間進(jìn)行折衷。

SMB提供高速、無摩擦、長壽命、緊湊和穩(wěn)定的操作。它是高速運(yùn)行的最佳磁性軸承，因?yàn)樗梢栽跊]有電力或定位系統(tǒng)的情況下穩(wěn)定飛輪。

然而，SMB需要低溫冷卻系統(tǒng)，因?yàn)樗诜浅５偷臏囟认鹿ぷ?；但近些年，通過使用高溫超導(dǎo)體（HTS）對其進(jìn)行了改進(jìn)。SMB系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是成本非常高。

復(fù)合調(diào)頻：飛輪儲能+鋰電池儲能

通過飛輪和鋰電池儲能的“珠聯(lián)璧合”，將飛輪儲能瞬時功率大、毫秒級響應(yīng)、充放電次數(shù)多和鋰電池儲能容量大、調(diào)頻幅度高的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，搭配火電機(jī)組協(xié)助調(diào)頻，可解決頻率擾動對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

近日，中國能建山西院設(shè)計(jì)的我國首個飛輪儲能復(fù)合調(diào)頻項(xiàng)目——山西朔州熱電飛輪儲能復(fù)合調(diào)頻項(xiàng)目正式投運(yùn)，填補(bǔ)了飛輪與電學(xué)復(fù)合儲能領(lǐng)域的空白。

該項(xiàng)目位于山西省朔州市，總?cè)萘?兆瓦，由4臺全球單體容量最大的飛輪裝置和10組鋰電池組成復(fù)合儲能系統(tǒng)，配合現(xiàn)有的2臺火電機(jī)組，可

飛輪儲能復(fù)合調(diào)頻項(xiàng)目首次集合了飛輪儲能裝置“長壽命”和鋰電池“儲量大”的優(yōu)勢，既擴(kuò)大了系統(tǒng)總?cè)萘?，又提高了電池的持久性。與現(xiàn)有火電機(jī)組聯(lián)合為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)，有效滿足電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，同時可以有效平衡火電機(jī)組發(fā)電和電網(wǎng)調(diào)度需求用電之間的電量差的問題。

如此設(shè)計(jì)使可充放電次數(shù)比純鋰電池系統(tǒng)高出2000倍，同生命周期內(nèi)可節(jié)省3批鋰電池組的更換費(fèi)用約2400萬元。

當(dāng)前，電力系統(tǒng)形態(tài)由源網(wǎng)荷三要素向源網(wǎng)荷儲四要素轉(zhuǎn)變，儲能的作用日益凸顯，具有更廣泛的應(yīng)用前景。隨著飛輪儲能技術(shù)成熟和成本降低，更多的飛輪儲能應(yīng)用項(xiàng)目將落地實(shí)施，為城市用電更加綠色穩(wěn)定安全提供支撐。

飛輪儲能的應(yīng)用前景

UPS市場：主要用于有不間斷電源要求的場景，如數(shù)據(jù)中心、通訊基站等，利用其具有響應(yīng)速度快、瞬時功率大、占地面積小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

電網(wǎng)調(diào)頻：電網(wǎng)中發(fā)電和用電不平衡會使電網(wǎng)頻率發(fā)生波動，為了平抑這種波動， 電網(wǎng)就需要配備總發(fā)電容量2%的調(diào)頻電站。隨著新能源的入網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)頻的需求將更大。

軌道交通：主要利用飛輪儲能在列車進(jìn)站時回收電能，列車出站時釋放電能，發(fā)揮節(jié)能和友好電網(wǎng)的作用，解決資源浪費(fèi)和沖擊電網(wǎng)的問題。

儲能式電動汽車充電樁：儲能飛輪在電動汽車大功率、快速充電的場景下，不僅減小充電樁對電網(wǎng)增容的壓力，又可以規(guī)避電網(wǎng)增容的制約。同時，由于儲能飛輪功率密度高、體積小、布置靈活、綠色環(huán)保無污染，可布置于地下， 減小城建工作的壓力。

隨著關(guān)鍵技術(shù)的逐漸突破，飛輪儲能系統(tǒng)也將逐漸成為一種成熟的儲能技術(shù)，未來會有更廣闊的應(yīng)用空間，成為儲能行業(yè)一支不可忽視的力量。

原標(biāo)題：未來儲能新星：飛輪儲能技術(shù)