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圖1飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

其工作原理為：系統(tǒng)儲(chǔ)能時(shí)，高速電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，由工頻電網(wǎng)提供的電能經(jīng)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速，電機(jī)拖動(dòng)飛輪加速儲(chǔ)能，能量以動(dòng)能形式儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)的飛輪體中。當(dāng)飛輪達(dá)到設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)處于能量保持狀態(tài)，直到接收到一個(gè)釋放能量的控制信號(hào)，系統(tǒng)釋放能量，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪利用其慣性作用拖動(dòng)電機(jī)減速發(fā)電，經(jīng)變流器輸出適用于電網(wǎng)要求的電能，完成動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換。在整個(gè)飛輪儲(chǔ)能裝置中，飛輪是其中的核心部件，它決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少，其儲(chǔ)存的能量為：
J 為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 與飛輪的形狀和重量有關(guān)；ω為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

3飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)優(yōu)勢

儲(chǔ)能技術(shù)是指，將電能通過某種裝置轉(zhuǎn)換成其他便于存儲(chǔ)的能量高效存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)，可以將所存儲(chǔ)的能量方便地?fù)Q成所需形式能量的一種技術(shù)。儲(chǔ)能技術(shù)主要有物理儲(chǔ)能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等)、化學(xué)儲(chǔ)能(如各類蓄電池、可再生燃料電池、液流電池、超級(jí)電容器等)和電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等)。

飛輪儲(chǔ)能是用物理方法實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ), 是一種高度機(jī)電一體化產(chǎn)品, 是最有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一。飛輪儲(chǔ)能與其他幾種典型儲(chǔ)能方式性能比較如表1所示。飛輪儲(chǔ)能使用壽命可達(dá)到20年以上，超過了其他幾種儲(chǔ)能方式，并且由于飛輪儲(chǔ)能是機(jī)械儲(chǔ)能方式，對(duì)于工作溫度沒有特定的要求，對(duì)于環(huán)境幾乎沒有影響。飛輪儲(chǔ)能具有較大的容量密度和功率密度，維護(hù)周期長，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，適用于調(diào)峰調(diào)頻，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，輸配電系統(tǒng)穩(wěn)定性，UPS等場合。

表1各儲(chǔ)能方式性能比較
在電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰方面，飛輪儲(chǔ)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(diào)峰調(diào)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(chǔ)能電站的調(diào)頻調(diào)峰能力，1MW飛輪儲(chǔ)能提供的調(diào)峰能力相當(dāng)于2-24MW其它傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)峰容量，30-50MW儲(chǔ)能調(diào)峰優(yōu)于100MW的燃?xì)廨啓C(jī)的調(diào)峰能力。

4飛輪儲(chǔ)能的典型應(yīng)用

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

飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用實(shí)例無法窮舉，典型應(yīng)用如下：

基于飛輪儲(chǔ)能的調(diào)峰電廠

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是在電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時(shí), 機(jī)組作為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪, 將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能, 在用電高峰時(shí), 飛輪拖動(dòng)機(jī)組作為發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪儲(chǔ)能除了能夠單臺(tái)應(yīng)用, 還可將多臺(tái)飛輪并聯(lián)運(yùn)行, 以獲得更大的存儲(chǔ)容量, 作為電網(wǎng)中調(diào)峰、調(diào)頻電廠, 起到穩(wěn)定電網(wǎng)頻率、削峰填谷、平衡負(fù)荷的作用。

用于孤島風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵問題是如何降低風(fēng)力發(fā)電的間歇性對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率的影響，特別是在孤島等電網(wǎng)較為薄弱的地方, 其影響更為突出。為了解決孤島風(fēng)力發(fā)電帶來的問題, 采用了飛輪儲(chǔ)能來提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、減少風(fēng)電有功波動(dòng)對(duì)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(jī)的有功, 提高經(jīng)濟(jì)效益。

飛輪儲(chǔ)能在不間斷電源中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的不間斷電源(UPS )用化學(xué)蓄電池作為儲(chǔ)能單元?；瘜W(xué)蓄電池儲(chǔ)能密度大、價(jià)格低廉, 被廣泛采用, 但是它需要定期維護(hù)、壽命短、充電時(shí)間長, 還會(huì)給環(huán)境帶來污染。由于飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)代替化學(xué)蓄電池將成為趨勢。

5國內(nèi)外典型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

世界上許多國家對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了大量的研究開發(fā)和應(yīng)用，包括美國、英國、德國、日本、中國等多個(gè)國家的研究所、高校和公司。

美國的Bencon Power公司飛輪單機(jī)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(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料。電機(jī)在儲(chǔ)存能量時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，放電時(shí)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行。單機(jī)的高度約2.1m，直徑約0.9m，旋轉(zhuǎn)速度為15500 r/ min，額定功率為100kW，充放電能量達(dá)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(jī)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(diǎn)。

圖2 飛輪單機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖3 在地基中的飛輪剖面圖

到目前為止，Bencon Power公司負(fù)責(zé)建設(shè)了三個(gè)飛輪儲(chǔ)能電廠。在2008年12月，負(fù)責(zé)建設(shè)的0.5MW調(diào)峰調(diào)頻電廠投入商業(yè)運(yùn)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(yùn)行至今。飛輪電廠可從電網(wǎng)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(shè)計(jì)制造飛輪UPS，其廣泛應(yīng)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(yīng)，消除電源諧波，調(diào)頻調(diào)峰，滿足清潔高品質(zhì)的供電需求，具有效率高，壽命長，過載能力強(qiáng)，環(huán)境友好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。飛輪UPS電機(jī)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(zhuǎn)，在滿載的情況下可提供15s的供電時(shí)間。

圖6 飛輪UPS系統(tǒng)

我國在飛輪儲(chǔ)能方面的研究起步較晚，一些科研院所與高校進(jìn)行了飛輪技術(shù)的相關(guān)研究。其中，華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院在飛輪儲(chǔ)能方面做了相關(guān)的研究和應(yīng)用。在國家“985工程”建設(shè)項(xiàng)目的支持下，研制出10kW永磁體磁懸浮飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)裝置，如圖8所示。實(shí)現(xiàn)了無功的靈活調(diào)節(jié)和補(bǔ)償，更重要的是可以實(shí)現(xiàn)有功的靈活調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)和補(bǔ)償。以這些儲(chǔ)能裝置為基礎(chǔ)的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制器，已經(jīng)在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)，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。