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大容量先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能電源的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
1.1電儲(chǔ)能技術(shù)需求背景
受發(fā)電設(shè)備固有慣性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的限制，傳統(tǒng)電力供應(yīng)（水電、火電、核電）自身具有大規(guī)模、持續(xù)性特點(diǎn)，而用電負(fù)荷具有隨機(jī)性和間斷性，電能供給和需求的容量矛盾（日晝波動(dòng)、季節(jié)性波動(dòng)、經(jīng)濟(jì)周期波動(dòng)）導(dǎo)致發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的利用效率降低并嚴(yán)重影響一次能源的利用效率。
新型能源如風(fēng)電和光伏發(fā)電具有波動(dòng)特性，其大規(guī)模開發(fā)和利用，將使供需矛盾進(jìn)一步突出。因此，亟需突破儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)儲(chǔ)能裝備，以提高一次能源和輸變電設(shè)備的利用效率。然而，大容量電儲(chǔ)能技術(shù)長期以來一直是電力行業(yè)中尚未完全解決的難題之一。
目前電儲(chǔ)能以抽水儲(chǔ)能和常規(guī)電池儲(chǔ)能為主，而各種新型的儲(chǔ)能技術(shù)已顯示出很好的應(yīng)用前景，如飛輪儲(chǔ)能、超級電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池和鈉硫電池儲(chǔ)能等，這些新型儲(chǔ)能技術(shù)還處在研究開發(fā)階段，它們具有各自的突出優(yōu)點(diǎn)，但也存在著各自的缺陷。
電能存儲(chǔ)按容量可分為長時(shí)大能量、短時(shí)高功率兩種，長時(shí)大容量的抽水儲(chǔ)能電站可以在電網(wǎng)規(guī)模上供應(yīng)數(shù)小時(shí)的電能供給；而短時(shí)高功率的飛輪儲(chǔ)能電源可為高端用戶端供應(yīng)數(shù)分鐘的高品質(zhì)電能供給。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
各種儲(chǔ)能方式的技術(shù)比較見下表。從表中可看出，飛輪儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度高、效率高、瞬時(shí)功率大、響應(yīng)速度快、使用壽命長、不受地理環(huán)境限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一。
1.2飛輪儲(chǔ)能技術(shù)原理與應(yīng)用
飛輪儲(chǔ)能的基本原理是把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)體的動(dòng)能進(jìn)行存儲(chǔ)。在儲(chǔ)能階段，通過電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；在能量釋放階段，飛輪減速，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪存儲(chǔ)的能量可以表達(dá)為：E=Jω2/2，J為飛輪繞旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)綜合了先進(jìn)復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、磁軸承、高速電機(jī)以及功率電子技術(shù)而極大地提高了性能，在2000年前后，以美國為代表的現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能電源商業(yè)化產(chǎn)品開始推廣。例如，ActivePower公司的100～2000kWCleanSource系列UPS已經(jīng)應(yīng)用于精密電子生產(chǎn)公司、信息數(shù)據(jù)中心以及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等，滿足高級用戶對高質(zhì)量的供電需求。目前全球至少有3000套基于飛輪儲(chǔ)能的大功率綠色電源安全運(yùn)行了上千萬小時(shí)。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能容量、自放電率等方面還有待進(jìn)一步提高，這決定了飛輪儲(chǔ)能目前更適合于電網(wǎng)調(diào)頻、小型孤島電網(wǎng)調(diào)峰、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量治理、車輛再生制動(dòng)及高功率脈沖電源等領(lǐng)域；隨著飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)技術(shù)及超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的逐漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)展到大電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
1.3飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的重要需求
1.3.1提高電網(wǎng)對可再生能源接納能力
風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電具有間歇性特點(diǎn)，可再生能源的大規(guī)模接入給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。為了解決風(fēng)電接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需根據(jù)并網(wǎng)的風(fēng)電容量留出與風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量相當(dāng)?shù)膫溆脽釞C(jī)發(fā)電容量，在孤島電網(wǎng)中一般要配備相當(dāng)比重的柴油發(fā)電機(jī)。備用電廠的出力要隨著風(fēng)電出力的變化頻繁調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
飛輪儲(chǔ)能與風(fēng)力發(fā)電相配合供電，可以防止柴油發(fā)電機(jī)頻繁起停，提高風(fēng)能利用效率，降低發(fā)電成本和電價(jià)。澳大利亞的CoralBay、SandBay、NineMilesBeach、Denham、日本的DogoIsland、美國的Alaska等一系列島嶼電網(wǎng)，采用了飛輪儲(chǔ)能來提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、減少風(fēng)電出功波動(dòng)對系統(tǒng)電壓和頻率的影響，并大可能地降低柴油發(fā)電機(jī)的出功。
1.3.2提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性
隨著我國電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)之間的聯(lián)系將越來越緊密。近年來電網(wǎng)瓦解和大面積停電事故在世界各國時(shí)有發(fā)生，大規(guī)模電力系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行已成為各國電力系統(tǒng)發(fā)展的重要問題之一。在我國東北、華北、華中和川渝電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)中，就觀察到了一些國際上從未報(bào)道過的電網(wǎng)異常動(dòng)態(tài)行為。
電力系統(tǒng)的絕大多數(shù)穩(wěn)定問題是暫態(tài)穩(wěn)定問題，對儲(chǔ)能裝置需求的特點(diǎn)是：瞬間功率大、持續(xù)時(shí)間短。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一個(gè)可靈活調(diào)控的有功源，主動(dòng)參與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，并能在擾動(dòng)消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。日本Kansai電力公司于2002年在3.3kV系統(tǒng)上開展了飛輪儲(chǔ)能改善電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究，取得了良好效果。
電網(wǎng)有功負(fù)荷變化必然導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動(dòng)，傳統(tǒng)的電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)通過抽水蓄能電站、火電站、燃?xì)廨啺l(fā)電站的功率調(diào)整、投切來實(shí)現(xiàn)，但關(guān)于快速的電網(wǎng)頻率波動(dòng)常規(guī)電站來不及響應(yīng)，采用飛輪儲(chǔ)能電站可以滿足需求，利用其快速調(diào)節(jié)特性，可以在同樣容量下獲得雙倍的調(diào)節(jié)效果。
美國BeaconPower公司于2008年十二月在馬薩諸塞州建成了1MW/250kWh調(diào)頻電廠，2009年八月，美國能源部支持其建設(shè)兩個(gè)20MW飛輪儲(chǔ)電站。隨著技術(shù)進(jìn)一步成熟，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)還可以用于負(fù)荷中心的削峰填谷，提高電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
1.3.3高品質(zhì)供電
自20世紀(jì)80年代以來，新型電力負(fù)荷迅速發(fā)展以及它們對電能質(zhì)量的要求不斷提高，而電能質(zhì)量的問題卻日益突出：一方面用電負(fù)荷的非線性、沖擊性和非平衡性，使得電網(wǎng)的電壓波形畸變、電壓波動(dòng)和電壓閃變以及三相不平衡等電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重；另一方面電氣化和微機(jī)化程度越來越高，越來越多的用戶采用了性能好、效率高但對電源特性變化敏感的高科技設(shè)備，電力用戶對電能質(zhì)量的要求在不斷提高，特別是半導(dǎo)體制造、精密加工、醫(yī)療衛(wèi)生、金融、計(jì)算機(jī)中心、重要場館會(huì)所對電能質(zhì)量要求更是嚴(yán)格，幾十毫秒內(nèi)的電壓暫降都可能造成設(shè)備損壞停產(chǎn)，給公司帶來極大經(jīng)濟(jì)損失。以北京亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)為例，2007年至今的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，該區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了十多起瞬時(shí)斷電、電壓暫降等電能質(zhì)量事故。美國電力科學(xué)院估計(jì)電能質(zhì)量的相關(guān)問題在美國造成的損失有數(shù)百億美元。
為解決用戶暫態(tài)電能質(zhì)量（一般持續(xù)時(shí)間不超過1min）影響的動(dòng)態(tài)UPS（不間斷電源）以及動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等裝置的需求獲得了快速上升。目前，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用成功的領(lǐng)域是基于飛輪儲(chǔ)能的UPS實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)供電。
1.3.4車輛制動(dòng)動(dòng)能再生
城市軌道交通的特點(diǎn)是：站距短，車輛的動(dòng)能巨大，制動(dòng)頻繁，且起動(dòng)、制動(dòng)加速度大。一般為了減少閘瓦磨耗和對環(huán)境的污染，制動(dòng)方式從能耗制動(dòng)方式向再生能耗復(fù)合制動(dòng)過渡，車組的常用制動(dòng)一般都采用電力制動(dòng)，空氣制動(dòng)只作為制動(dòng)力的補(bǔ)充或作為后備制動(dòng)。由于地鐵的供電系統(tǒng)都是由交流整流而來的直流系統(tǒng)，一般變電站也不設(shè)逆變裝置，所以再生的能量只能隨機(jī)靠鄰近車輛吸收。當(dāng)電力制動(dòng)引起供電接觸網(wǎng)的電壓升高到一定值時(shí)，必須轉(zhuǎn)換到電阻制動(dòng)或空氣制動(dòng)，這就造成了能量的浪費(fèi)、設(shè)備的磨損和隧道溫度的上升。
采用了高儲(chǔ)能量、大功率的儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)，就可以提高接觸網(wǎng)供電電壓的穩(wěn)定性，在車輛起動(dòng)時(shí)，輸出電能供應(yīng)給車輛轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在制動(dòng)時(shí)間（持續(xù)15s左右）又通過再生制動(dòng)將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)入飛輪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量的回收。廣州地鐵4號線的制動(dòng)能飛輪儲(chǔ)能再生模型分析表明：一年可回收的電能為292萬kWh。
1.3.5高功率脈沖電源
脈沖功率技術(shù)，是把較小功率的能量以較長時(shí)間輸入到儲(chǔ)能設(shè)備中，將能量進(jìn)行壓縮與轉(zhuǎn)換，然后在較短的時(shí)間以極高的功率密度向負(fù)載釋放的電物理技術(shù)，在特種科研和高技術(shù)領(lǐng)域有著重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。
聚變能研究要建立高溫等離子體磁約束試驗(yàn)裝置，其中的磁場實(shí)現(xiàn)要高功率脈沖電源，供電要求為上百千伏安，放電時(shí)間為數(shù)秒。20世紀(jì)70年代以來，歐洲、日本、我國建立了多個(gè)大型飛輪儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，先用小功率電動(dòng)機(jī)將數(shù)十噸重的飛輪驅(qū)動(dòng)，然后飛輪驅(qū)動(dòng)大電機(jī)發(fā)電。這樣的電源系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速低、裝置巨大、能耗高等缺點(diǎn)，如采用現(xiàn)代復(fù)合材料飛輪和高速電機(jī)，預(yù)計(jì)可以提高轉(zhuǎn)速3～5倍。整套飛輪電機(jī)裝置重量可以縮小70%～90%。
基于飛輪儲(chǔ)能的脈沖電源還可以應(yīng)用于特種電磁發(fā)射。電磁發(fā)射物體不僅局限于彈頭，也可以是飛機(jī)、防空特種，電磁發(fā)射的技術(shù)瓶頸之一就是高功率脈沖電源。
2國外技術(shù)狀況
2.1概述
近15年來，國際上飛輪儲(chǔ)能技術(shù)和應(yīng)用研究十分活躍，美國、日本、法國、英國、德國、荷蘭、俄羅斯、西班牙、韓國、印度、瑞士、加拿大和意大利等國都在進(jìn)行研究。其中美國投資多，規(guī)模大，進(jìn)展快。美國飛輪儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步依賴于能源部的超級飛輪計(jì)劃、宇航局的航天飛輪計(jì)劃等國家層面的長期資助，再加上20世紀(jì)90年代風(fēng)險(xiǎn)投資的大量介入，才使得經(jīng)歷了50年研究開發(fā)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)獲得了成功應(yīng)用。
國外為提高性能、推廣應(yīng)用，開展了高能量密度飛輪、高功率高速電機(jī)、微損耗軸承、高效電能變換器、低能耗真空及工程應(yīng)用等多個(gè)方面的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究。
2.2高速復(fù)合材料飛輪
提高能量密度、功率密度的途徑重要是提高轉(zhuǎn)速。考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與尺寸的平方成正比，因此提高飛輪邊緣線速度才能有效提高飛輪動(dòng)能，限制飛輪線速度提高的因素是材料的強(qiáng)度極限以及輪轂與輪緣的變形協(xié)調(diào)。先進(jìn)高比強(qiáng)度復(fù)合材料飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究有理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)考核兩個(gè)方面，缺一不可，歸結(jié)起來，高速飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究是一個(gè)高強(qiáng)材料的應(yīng)用力學(xué)問題。
高比強(qiáng)度復(fù)合材料顯著的各向異性，導(dǎo)致纖維復(fù)合材料纏繞成的飛輪徑向抗拉強(qiáng)度低而發(fā)生層間脫裂，因而需采用多個(gè)薄圓環(huán)過盈套裝、預(yù)應(yīng)力纏繞、層間彈性層等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、采取在線固化工藝以及紡織工藝設(shè)計(jì)等。同時(shí)，飛輪還要心軸傳遞扭矩和供應(yīng)支承定位，在心軸和飛輪輪緣之間的輪轂部分一般采用超高強(qiáng)度鋼或高強(qiáng)度鋁合金，輪轂設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)軸和輪緣之間大變形協(xié)調(diào)和承擔(dān)高速離心載荷，先進(jìn)飛輪采用了變截面錐殼或輪輻結(jié)構(gòu)。考慮到工程應(yīng)用的飛輪實(shí)際結(jié)構(gòu)以及輪轂的儲(chǔ)能密度較低，目前整體飛輪設(shè)計(jì)指標(biāo)小于200Wh/kg。
2.3大功率高速電機(jī)
由于特種和民用對高速電機(jī)的需求，20世紀(jì)末以來發(fā)達(dá)國家競相開展對高速電機(jī)的研究，成為國際電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中以美國發(fā)展為迅速[12-13]。例如Sychrony公司可生產(chǎn)100kW，60000r/min和400kW，20000r/min的磁懸浮高速永磁電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。
由于轉(zhuǎn)速高，電機(jī)的功率密度大，其幾何尺寸遠(yuǎn)小于輸出功率相同的中低速電機(jī)。高速電機(jī)可以有多種結(jié)構(gòu)形式，如感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)等。特別是永磁電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單，磁密度高、無勵(lì)磁損耗和效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于中、小型高速發(fā)電機(jī)。
電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子的離心力很大，當(dāng)線速度達(dá)到200m/s以上時(shí)，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)的離心力，要采用特殊的高強(qiáng)度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子采用非導(dǎo)磁鋼對永磁體進(jìn)行了保護(hù)，永磁體表面采用碳纖維綁扎都可以解決高速強(qiáng)度問題。高速感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗大，功率因數(shù)低；但其實(shí)心轉(zhuǎn)子能夠承受400m/s表面速度，并能承受較高的溫度。
高速電機(jī)單位體積內(nèi)的損耗較大，雖然目前對各種普通電機(jī)的電磁性能和損耗研究比較多，但是對高速電機(jī)損耗的研究比較少。
2.4微損耗高速軸承
傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承、流體動(dòng)壓軸承難以滿足高速重載而摩擦損耗低的要求，高速飛輪的先進(jìn)支承方式重要有超導(dǎo)磁懸浮、永磁懸浮、電磁懸浮。
超導(dǎo)磁懸浮軸承（SMB）由永磁體與超導(dǎo)體組成。SMB的能量損耗重要包括磁滯損耗、渦流損耗和風(fēng)損。由于無機(jī)械接觸，SMB的總能耗很小，當(dāng)然低溫液氮的獲取和維持要消耗一定的能量。
鑒于高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承具有的無源、無機(jī)械磨損、高轉(zhuǎn)速、壽命長等幾大突出優(yōu)點(diǎn)，高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承吸引了世界各國廣泛的關(guān)注。美國、德國和日本等國已開展了20年的研究，其他國家如韓國、西班牙、英國等在這方面的投資力度也在逐步加大。
2007年，美國波音公司和阿貢實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)出5kWh/100kW的軸向軸承飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，測試速度達(dá)到22500r/min。2007年，德國的ATZ公司設(shè)計(jì)出5kWh/250kW的徑向軸承飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。飛輪大型化的軸承技術(shù)重要突破方向是超導(dǎo)磁懸浮。
電磁懸浮軸承（AMB）采用反饋控制技術(shù)，能在徑向和軸向?qū)χ鬏S進(jìn)行定位，使飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和安全性得到一定的提高，電磁軸承的突出優(yōu)點(diǎn)是可超高速運(yùn)行，30000～60000r/min是電磁軸承通常的運(yùn)行范圍。電磁軸承在國內(nèi)外研究十分充分、技術(shù)成熟，正在大力推廣工程應(yīng)用。
永磁軸承通常由一對或多個(gè)磁環(huán)作徑向或軸向排列而成，其中也可以加入軟磁材料。隨著永磁材料的快速發(fā)展，永磁軸承的承載力迅速新增。但是只用永磁軸承是不可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，要至少在一個(gè)方向上引入外力（如電磁力、機(jī)械力等）。永磁體要實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，要減小徑向尺寸或者以導(dǎo)磁鋼環(huán)代替永磁環(huán)。與永磁軸承配合使用的機(jī)械軸承重要有滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、陶瓷軸承。
以上各種支承方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中常將幾種支承方式組合使用。美國ActivePower和德國Piller等公司生產(chǎn)的采用飛輪儲(chǔ)能不間斷電源（UPS）的飛輪支承系統(tǒng)采用的就是磁懸浮軸承和機(jī)械軸承組合技術(shù)。
2.5電機(jī)控制及電能轉(zhuǎn)換器
電力轉(zhuǎn)換器是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制裝置，是供電系統(tǒng)和電機(jī)的聯(lián)系媒介，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，并有調(diào)頻、調(diào)壓和整流功能。電力變換電路必須實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，而且在飛輪放電時(shí)，可以通過放電控制輸出滿足負(fù)載需求的能量。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新的功率器件IGBT和IGCT的應(yīng)用，使得電力變換電路轉(zhuǎn)換效率和器件開關(guān)頻率更高，導(dǎo)通損耗更小，進(jìn)一步提升飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度。
永磁同步電機(jī)可以采用矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制。
飛輪系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器PCS是將電機(jī)減速生成的變頻變壓的反電動(dòng)勢變換成適應(yīng)于用戶使用的電能形式，目前的實(shí)現(xiàn)方式重要有兩種，一種將直流母線電壓和給定電壓的差值經(jīng)過電壓控制器生成電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩指令值，構(gòu)成電壓外環(huán)、速度內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。另一種是在飛輪減速時(shí)把逆變器的可控開關(guān)管全部關(guān)斷，僅利用其續(xù)流二極管構(gòu)成不控整流橋，得到幅值持續(xù)降低的直流電壓，再經(jīng)過DC-DC升降壓控制把直流母線電壓穩(wěn)定在恒定值。
2.6低能耗真空獲得與維持技術(shù)
高速旋轉(zhuǎn)的飛輪必須處于真空環(huán)境中以減少風(fēng)損。真空的獲得與維持一般靠小型真空泵配合高密封。新的技術(shù)途徑是自持分子泵。真空的獲得相對容易，而保持相當(dāng)困難。
2.7工程應(yīng)用開發(fā)
經(jīng)過20年的技術(shù)積累，20世紀(jì)90年代后期，基于飛輪儲(chǔ)能的電源系統(tǒng)實(shí)用產(chǎn)品逐步成熟。早在1997年，Beaconpower推出2kWh的飛輪電池，飛輪轉(zhuǎn)速30000r/min，采用永磁/電磁混合支承，永磁無刷電機(jī)效率高達(dá)96%。美國的ViataTechEngineering公司將飛輪引入到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全頻調(diào)峰，飛輪機(jī)組的發(fā)電功率為300kW。全球范圍內(nèi)，目前至少有10家以上的公司可以供應(yīng)飛輪電池產(chǎn)品。
3國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀
3.1飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)
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。
中科院電工研究所目前已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于鋼轉(zhuǎn)子和機(jī)械軸承的飛輪儲(chǔ)能裝置并應(yīng)用于微型電網(wǎng)穩(wěn)定控制和電能質(zhì)量改善，清華大學(xué)300Wh飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)1997年實(shí)現(xiàn)充放電；支承在永磁-微型螺旋槽軸承上的500Wh復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到42000r/min（660m/s）。華北電力大學(xué)同期也建立了試驗(yàn)裝置，鋼質(zhì)飛輪極限轉(zhuǎn)速10000r/min，也采用了低損耗的永磁-流體動(dòng)壓混合支承。
北京特種航天大學(xué)、中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所近年來開展飛輪儲(chǔ)能電源的航天應(yīng)用研究。浙江大學(xué)、東南大學(xué)開展過有關(guān)先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的863探索項(xiàng)目研究，武漢理工大學(xué)探討了飛輪儲(chǔ)能在電動(dòng)汽車混合動(dòng)力的應(yīng)用設(shè)計(jì)與研究。
3.2復(fù)合材料飛輪技術(shù)
國內(nèi)學(xué)者在復(fù)合材料飛輪理論分析與設(shè)計(jì)方面做了大量工作。這些研究包括多層套裝復(fù)合材料飛輪的變形與應(yīng)力分析、纖維束張緊纏繞的預(yù)應(yīng)力分析、纖維鋪設(shè)角和層間過盈量平抑應(yīng)力分析，為提高儲(chǔ)能密度的優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向。
國內(nèi)飛輪試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)缺乏，實(shí)驗(yàn)飛輪實(shí)際達(dá)到的儲(chǔ)能密度指標(biāo)低于國際先進(jìn)水平。清華大學(xué)在復(fù)合材料飛輪強(qiáng)度試驗(yàn)研究方面開展較多工作，具備700m/s復(fù)合材料飛輪的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
3.3高速電機(jī)技術(shù)
我國對高速電機(jī)的需求已經(jīng)比較迫切，但研究工作起步較晚，目前能夠生產(chǎn)的是10kW以下的小功率高速電機(jī)，大功率高速電機(jī)的研發(fā)尚處于起步階段，是國內(nèi)一大技術(shù)瓶頸。
沈陽工業(yè)大學(xué)與南京特種航天大學(xué)及浙江大學(xué)合作，在國家自然科學(xué)基金資助下研制采用磁懸浮軸承的75kW，60000r/min高速永磁電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)。目前有多個(gè)單位正在研發(fā)轉(zhuǎn)速為15000～25000r/min，功率為75～250kW的高速電動(dòng)機(jī)。
3.4磁軸承技術(shù)
北京特種航天大學(xué)設(shè)計(jì)并完成了多種磁懸浮慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)用永磁偏置混合磁軸承，磁軸承轉(zhuǎn)速達(dá)到42000r/min。清華大學(xué)將永磁軸承-微型螺旋槽油膜混合軸承應(yīng)用到儲(chǔ)能飛輪，進(jìn)行系統(tǒng)效率測試研究。
國內(nèi)對高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承研究起步較晚，研究單位也較少且多處于理論研究和概念設(shè)計(jì)階段，與發(fā)達(dá)國家差距較大。目前國內(nèi)有三臺高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承樣機(jī)：中科院電工所的混合磁懸浮軸承樣機(jī)，北京交通大學(xué)的混合磁懸浮軸承樣機(jī)和西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所的雙軸向型高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承樣機(jī)。
3.5電機(jī)控制及電能轉(zhuǎn)換技術(shù)
飛輪儲(chǔ)能的電機(jī)控制和電能轉(zhuǎn)換技術(shù)重要圍繞飛輪充電、待機(jī)和放電三種工作模式的控制和相互切換，重要包括針對飛輪電機(jī)的充放電控制器和針對用戶需求的功率調(diào)節(jié)器兩個(gè)部分。關(guān)于飛輪電機(jī)的充放電控制器，國內(nèi)幾家研究飛輪的重要科研院所均有所研究和試制，大多采用較為先進(jìn)的數(shù)字控制器，在充電和待機(jī)模式下采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式，在放電模式下采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。清華大學(xué)完成了高速飛輪儲(chǔ)能配套的永磁無刷直流電機(jī)雙向控制器；基于飛輪儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償控制系統(tǒng)，飛輪儲(chǔ)能量1000Wh、電機(jī)功率10kW，轉(zhuǎn)速為20000r/min。
關(guān)于飛輪的功率調(diào)節(jié)器，由于國內(nèi)飛輪的應(yīng)用研究還較少，因而相關(guān)研究不是很多，目前大多停留在UPS的應(yīng)用研究上，采用恒壓恒頻輸出控制方式，較為簡單，在用于電網(wǎng)穩(wěn)定控制和電能質(zhì)量改善方面還要深入研究。
我國的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，與國外技術(shù)水平差距在10年以上。
4發(fā)展趨勢與對策建議
4.1技術(shù)發(fā)展趨勢
4.1.1采用先進(jìn)復(fù)合材料飛輪以提高能量密度
提高飛輪速度的限制條件是材料的強(qiáng)度、軸承的轉(zhuǎn)速以及真空條件。飛輪儲(chǔ)能密度的提高依賴于更高性能的材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)的制造工藝。國外先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能密度達(dá)到100Wh/kg，考慮到先進(jìn)高強(qiáng)纖維的高技術(shù)貿(mào)易壁壘，國內(nèi)努力提高的目標(biāo)是60～80Wh/kg。
4.1.2采用高速電機(jī)以提高功率密度
通常電機(jī)轉(zhuǎn)速為數(shù)千r/min，轉(zhuǎn)速在數(shù)萬r/min的高速電機(jī)的尺寸、重量優(yōu)勢顯著，但突出的問題是高頻電磁損耗引起的散熱問題，這關(guān)于真空條件的大功率高速電機(jī)更具挑戰(zhàn)性。轉(zhuǎn)速超過10000r/min，功率超過100kW的高速電機(jī)是國內(nèi)的研發(fā)方向，轉(zhuǎn)子的冷卻要考慮新的冷卻方式。
4.1.3采用磁懸浮以降低損耗
電磁、永磁混合軸承技術(shù)趨于成熟，在現(xiàn)有的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中已經(jīng)得到大量應(yīng)用，研究方向是減低主動(dòng)控制損耗。
超導(dǎo)磁懸浮軸承研究方向是提高承載力、穩(wěn)定性，假如有更高溫度的超導(dǎo)材料，對超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)將是極大的推動(dòng)。高承載力、微損耗的高溫超導(dǎo)磁懸浮是大容量飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的軸承發(fā)展方向。
4.1.4飛輪陣列式運(yùn)行
為提高功率、能量容量，飛輪儲(chǔ)能單元采用模塊化設(shè)計(jì)，多個(gè)模塊并聯(lián)成陣列式儲(chǔ)能系統(tǒng)，目前國外的飛輪儲(chǔ)能電源功率由兆瓦級向十兆瓦級發(fā)展，放電時(shí)間由數(shù)秒向數(shù)分鐘發(fā)展，模塊化運(yùn)行管理是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)大型化的重要方向。
4.2總體發(fā)展趨勢與對策建議
經(jīng)過50年的長期積累與國家科技計(jì)劃的支持，以美國為代表的國外現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能電源高技術(shù)在產(chǎn)業(yè)過程中迅速擴(kuò)張，目前全球有超過3000套基于飛輪儲(chǔ)能的大功率動(dòng)態(tài)不間斷電源系統(tǒng)（UPS）安全可靠運(yùn)行了上千萬小時(shí)，應(yīng)用于高質(zhì)量電力、風(fēng)力發(fā)電、車輛制動(dòng)能再生等領(lǐng)域，自2005年以來，德國的Piller公司、美國的Active電源公司、Pentadyne公司都在大力開拓我國市場。
大容量飛輪調(diào)頻示范電站正在美國建立，為降低自放電率，美國、日本、德國都在大力研發(fā)基于高溫超導(dǎo)磁懸浮的大能量飛輪儲(chǔ)能電源，以延長飛輪發(fā)電時(shí)間到小時(shí)量級。
世界范圍內(nèi)，飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用研究領(lǐng)域首先著眼于車輛、航天，然后在動(dòng)態(tài)UPS中獲得了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，繼而在孤網(wǎng)中獲得應(yīng)用，未來的發(fā)展趨勢是應(yīng)用于大電網(wǎng)。
國內(nèi)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)理論設(shè)計(jì)探索較為充分，建立了多套小型實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)，但在工程應(yīng)用裝置研制方面因未在科技部立項(xiàng)支持，經(jīng)費(fèi)缺乏而與西方國家技術(shù)差距較大。
建議國家在十二五儲(chǔ)能專項(xiàng)中大力支持，縮短與先進(jìn)國家的差距，重要針對風(fēng)力發(fā)電非穩(wěn)態(tài)特性調(diào)節(jié)為應(yīng)用背景，攻克大容量先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能電源中的飛輪、電機(jī)、軸承、電能變換與電機(jī)控制器等關(guān)鍵部件技術(shù)、真空密封技術(shù)以及大容量儲(chǔ)能電源系統(tǒng)集成應(yīng)用等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，防止飛輪儲(chǔ)能電源高技術(shù)產(chǎn)品全被西方國家壟斷。
5結(jié)論
飛輪儲(chǔ)能電源突出的優(yōu)點(diǎn)是壽命長、功率大、效率高、無污染。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)適合于電網(wǎng)調(diào)頻、小型孤島電網(wǎng)調(diào)峰、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量治理、車輛再生制動(dòng)及高功率脈沖電源等領(lǐng)域；隨著飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)技術(shù)及超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的逐漸成熟，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能容量、自放電率等技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)一步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)展到大電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域。
國外飛輪技術(shù)產(chǎn)品處于快速擴(kuò)張時(shí)期，為防止飛輪儲(chǔ)能電源產(chǎn)品全被西方國家壟斷，我國應(yīng)當(dāng)積極從國家層面支持國內(nèi)飛輪儲(chǔ)能電源技術(shù)研究開發(fā)，縮短國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)差距，爭取早日推出國產(chǎn)飛輪儲(chǔ)能電源高技術(shù)產(chǎn)品。
