飞轮储能技术及其应用场景探讨

卢山 傅笑晨

(二重德阳储能科技有限公司，四川 德阳 618000)

随着“3060”双碳目标的提出，我国近年来大力发展以光伏、风电为主力的新型能源，并取得了长足的进步。据国家发展改革委、国家能源局统计，截至2021年底，我国风电、光伏发电的装机容量均超过3亿kW[1]，计划2030年我国风力发电、光伏发电总装机容量达到12亿kW以上[2]，这表明我国将持续建设以新能源发电为主的新型能源体系。而随着新能源发电不断发展，为了弥补其周期性的短板，“新能源+储能”将是未来能源结构的重要路径。

飞轮储能属于机械储能中的一个分支，由于其具有绿色、环保、寿命长等优势，随着技术的不断进步，在近年来有了长足发展。

旋转的物体具有能量，根据转动体能量计算公式，其计算方式如下：

(1)

式中，E代表能量，J代表物体转动惯量，ω代表物体旋转角速度。转动惯量是物体的固有属性，当物体被制造出来，其转动惯量就确定了，大小与其形状和质量有关。对于绕轴旋转的圆柱体，转动惯量可由以下公式计算：

(2)

式中，J代表物体转动惯量，m代表旋转体质量，r代表圆柱体半径。

飞轮储能即是根据上述公式进行能量储存的设备，当飞轮被驱动而旋转起来，驱动的能量就转化成了机械能储存在了旋转体中。飞轮储能设备的能量转换过程是电能—动能—电能，利用电力驱动电机带动飞轮旋转起来，电能便被储存起来；
当需要释放电能时，飞轮利用惯性带动电机发电，向外输出电能。

飞轮储能结构如图1所示。飞轮储能产品通常由以下五大部分组成：

图1 飞轮储能结构示意图

2.1 储能轮体

由公式(1)可以得出，飞轮储能产品储存能量取决于旋转体质量和转速(主要质量集中于储能轮体)，增加储能轮体的质量和提高转速都可以提升储存能量，而根据公式(1)不难得出，储存能量同质量成正比例关系，同转速呈平方关系，理论上增加转速更容易提高储存能量，这就导致业界两种不同设计思路：低速轮体(质量大)和高速轮体(质量轻)。

低速轮体通常由合金钢制成，通常转速在10 000 r/min以下，优点是成本较低，制造难度相对简单；
缺点是质量大，安装地点要求较高(承重问题)。

高速轮体通常由碳纤维制成，通常转速在10 000 r/min以上，优点是质量轻，缺点是成本较高，制造难度相对较大。

2.2 电机

电机是实现电能-机械能转化的关键部分，适用于飞轮储能系统的电机必须具备以下特点：电机可分别运行于电动机工况和发电机工况，实现能量双向转换；
空载损耗低，电机效率高，保证飞轮储能系统长时运行、整体能量转换效率高；
电机调速范围广，转速控制方式简单且可靠，满足飞轮储能系统运行转速工作范围；
电机能量密度高，既能输出较大转矩，又能输出较大功率。

永磁电机具有功率密度大、功率因数高、调速范围宽、效率高、体积小、起动性能好等诸多优良特性，随着永磁材料的发展进步，业界通常使用其作为飞轮储能系统的电机来使用。

2.3 外壳

飞轮外壳由真空室、轴承系统、散热系统等组成，起到保证飞轮高速安全运行的作用。由于依靠电力驱动进行旋转，高转速下风阻会极大影响转动能耗，所以必须在旋转腔室内营造真空环境。根据转速不同，设计真空度通常在1～100 Pa不等；
飞轮高速旋转，必须采用合理的散热方式，以免导致永磁体退磁等问题影响稳定性，业界通常采用风冷或空调制冷等方式；
轴承系统主要采用被动磁轴承和主动磁轴承两种方式。

2.4 电力电子系统

电力电子系统作为飞轮储能的“大脑”，起到控制电机旋转、充电、放电等作用。由于永磁电机输入输出频率随转速变化，而输入输出要求为稳定的直流或交流电，这就要求电力电子系统具备整流、逆变、滤波等多种功能，以保证高效驱动电机和稳定输出电能。

2.5 伺服系统

伺服系统通常包含润滑系统、监测系统、真空系统等，保证飞轮正常运行，同时对飞轮运行时各项参数进行监控，当参数异常时及时进行报警和通知。

以上五大部分共同组成了飞轮储能系统，包含了材料、电机、电控、真空等各学科，属于跨行业较多的综合性技术。

由于飞轮储能原理为电能-机械能，储能和释能过程中不包含化学反应过程，这就使得飞轮储能产品制造、使用、回收过程中本身不会产生排放污染物质，具备环境特性优势；
另一个突出特点是基于物理储能的原理，飞轮储能产品可进行快速充放电且充放电循环次数极高，具备电力特性优势。

同时，飞轮储能也具有其短板，由于其满功率放电时间较短，因此，飞轮储能产品更适合于短时充放电，比如在备用发电机组启动期间为用户系统提供可靠的电力[3]。

3.1 环境特性优势

物理储能方式使得飞轮储能成为一种绿色、安全、环保的储能设备，由于产品完全基于物理原理制造，生产、使用、回收各环节中其本身均不产生有害物质，同时具有较高的残值率，是对环境极为友好的储能产品。

3.2 电力特性优势

飞轮储能由飞轮转速决定储存能量，反复充放电实际上是飞轮反复加减速的过程，不会影响储存能量，这就决定了其寿命长，反复充放电不会导致储存能量衰减。通过理论计算，目前飞轮储能寿命可达20年以上，充放电次数达200万次以上，相较于电池则是5年和5000～8000次。从充放电速度来看，飞轮储能可在几分钟内进行一次充放电循环，针对需要反复充放电的应用场景，有得天独厚的优势。

以充放电功率来看，飞轮储能产品具有高放电倍率的特性，放电倍率可达200C以上，这在市电配置容量不足的情况下，可以利用飞轮储能进行功率放大功能，满足大功率用电设备使用。

目前业界飞轮储能产品的单机功率在100～1000 kW范围内，同功率下，占地面积约为化学电池的1/3～1/4，在储能电站等大规模应用领域，可进行地下安装，有效节省占地面积。

同时，飞轮储能具有良好的环境适应性，可工作于-20～50℃环境中而不影响其寿命。

3.3 短板

由于其物理储能特性，飞轮储能也不可避免的存在缺陷，一是能量密度低，单体飞轮储能通常储电量在1～50 kWh范围内，相比于同体积化学电池，储电量相差数十倍；
二是初投成本较高，目前飞轮储能初投价格在5000元/kW左右，是化学电池的5～10倍，需要随着产业发展和变革逐步降低。

基于以上特点，飞轮储能可以应用于不间断供电、能量回收、电网调频、综合能源系统应用等领域。

4.1 不间断供电(UPS)

在各类数据中心、高端加工生产线、应急保电等领域，都需要提供UPS对服务器、关键生产设备等进行保障。目前传统UPS利用化学电池作为储能器件，受制于化学电池寿命短、环境要求高等短板，在数据中心等环境控制较好的场景通常3～5年需要更换一次电池，在非恒温恒湿环境下，化学电池的寿命会更短，这造成了成本增加、环境污染等问题。利用飞轮储能作为UPS的储能器件，可极大延长其使用寿命和可靠性，提高关键用电设备供电质量。由于飞轮储能能量转换效率极高，在负载率20%～100%的范围内，效率均能达到95%以上[4]，能够起到很好的节电作用。

飞轮储能供电系统拓扑图如图2所示，利用柴油发电机组、飞轮储能UPS、切换开关(ATS)等关键设备，在市电出现波动或中断时，将主用电源无缝地切换到备用电源。

图2 飞轮储能供电系统拓扑图

实际使用效果如图3所示，市电出现中断时，由飞轮储能产品放电，并立即向柴油发电机发送启动信号，柴油发电机启动后，经过一定时间达到稳定输出状态，检测到柴油发电机输出功率稳定后，由ATS自动将负载转移至柴油发电机供电，整个切换过程中，输出端将持续保持稳定。

图3 UPS输入侧功率图

二重(德阳)重型装备有限公司信息中心承接了其公司范围内网络、办公、数据资料汇集及处理功能，原使用铅酸电池UPS进行不间断供电，未配置柴油发电机。2019年进行机房改造，利用飞轮储能不间断供电系统进行了升级，替换了原有铅酸电池116组，配置了柴油发电机组，为信息中心的电力供应提供了重要保障。

同时，设计方案中，将飞轮储能运行状态实时传输到数据机房动环系统，可以对飞轮储能产品运行状态进行实时监控。

在数据机房大规模后续的应用扩展中，飞轮储能系统还应考虑系统性缩短系统切换时间、增加与数据机房-48 V直流系统结合[5]，以满足中大型数据机房更多的应用需求。

4.2 能量回收

在轨道交通、石油钻井等行业，由于设备反复启停会造成电能浪费、网压稳定性差等问题，利用飞轮储能产品可对制动能量进行回收，启动时再利用，起到节电的作用；
同时飞轮将能量进行回收再释放，避免了电网的功率冲击，可延长用电设备使用寿命。

典型应用如地铁轨道能量回收系统，当地铁进站需要制动刹车时，将地铁制动的能量用于飞轮储能产品加速；
当地铁列车出站加速时，利用飞轮放电补充列车能量。飞轮储能产品特有的充放电频次高、时间短等优势可以在该系统中进行使用，以减少电能损耗，提高地铁网压质量。张丹、姜建国等[6]通过MATLAB/Simulink中搭建基于高速飞轮储能系统的地铁列车起动与制动仿真模型，验证了所提控制方法的有效性。

再如由柴油发电机作为电力供给的起重机械系统中，由于频繁上下运动，导致负载波动大，将对其动力源——柴油发电机造成频繁的功率冲击，带来寿命减少、积碳、能耗高等问题，导致系统经济性差、维护成本高。飞轮储能因其强大的反复充放电能力，特别适用于短时周期性的能量存贮及释放，发挥其功率倍增功能。在柴油机低负载运行时，可以缓慢充电使飞轮储能产品处于额定转速；
当系统中出现冲击负荷时，短时间内将能量释放出来。这样，就将负荷的冲击性转移至飞轮储能产品而非柴油发电机，使得柴油发电机的功率变化保持平稳。

目前实际运行的案例有德克萨斯大学机电研究中心与VYCON公司联合测试飞轮储能用于集装箱起重机系统[7]，利用2台300 Wh、60 kW飞轮系统并机，使用后燃油节省21%，烟尘排放减少67%，氮氧化物排放降低26%[8]。清华大学与中原石油工程有限公司联合研制的60 MJ/1000 kW飞轮储能系统，实现钻井系统势能回收，可以单次回收能量5 MJ，柴油机重载减少50%[9]。

4.3 电网调频

随着新能源的发展和各类用电设备的增加，电网频率稳定性要求逐步增高，需要配置相应储能设备进行频率调整，在短时高频调频场景下(每天数百次，每次数秒)，飞轮储能产品是目前适应性最好的一种储能装置。针对电网频率特性及机组调频特点，飞轮储能系统的接入可以起到减少机组磨损、抑制反向调频、储能电量持续性管理的作用[10]。由于风电和光伏等新能源发电方式，受自然环境条件制约，存在着周期性以及同用电峰谷不匹配的问题，容易引起电网频率的不稳定。

针对火力发电机组，由于大部分火电厂均承担调频任务，而火电机组调频存在迟滞性、超调、欠调、反调等问题，并且在反复调频过程中，会对火电机组内的机械系统的寿命造成影响，这就会导致电网频率的调节效果受到影响。利用飞轮储能的快速响应特点结合锂离子电池大容量储能特点，可以很好地完成火电机组调频工作，使得火电机组调频更加稳定并且能够接受连续调频作业[11]。美国Beacon Power公司在纽约州建设飞轮调频电站，总容量20 MW，该电站于2011年投运，由飞轮阵列、升压系统、控制系统、冷却系统等组成，可以承担该地区23%左右的调频能力，调频准确率在90%以上[12]。近几年国内也开始出现了飞轮储能参与电网调频的示范项目，表1统计了部分国内外飞轮储能调频项目情况。

表1 国内外部分飞轮储能调频项目

目前在中国国内运行的调频储能系统绝大部分采用锂离子等化学电池技术，在应用过程中已经明显暴露出使用寿命短、存在安全隐患高等问题。飞轮储能系统具备充放电次数几乎不受限制、具有极高的功率密度和使用安全等不同特性，但能量成本较高，在承担大时长的调频指令时不具备经济性竞争优势。若采用能量型锂离子电池与功率型飞轮储能组成混合式储能系统，则可充分发挥各自的优势，达到更好的性能指标。

混合储能调频系统由储能单元、储能变流器(PCS)、变压器、配电设施等组成。储能单元采用飞轮与锂离子电池两种储能技术，飞轮储能系统和锂离子等化学电池储能按一定比例搭配，组成混合储能系统共同辅助发电机组响应AGC调频指令。飞轮储能系统因其功率密度大，寿命长，适合应用于短时大功率、频繁地充放电场景；
锂离子等化学电池储能系统能量密度大，适合较长时间的功率和能量支撑，通过两种储能系统的优势互补，可大幅提升储能系统的调频性能、延长电池使用寿命1～2倍，最大化经济收益。

4.4 综合能源系统应用

综合能源系统是指在一定区域内，通过利用智慧管理模式，整合区域内电能、冷能、热能、天然气、新能源发电、储能等多种能源资源，实现多种能源发电、多模式储能、多层次用电的协调运行、协同管理、共同相应。在满足系统内多层次用能需求的同时，提升各类能源利用效率。

二重德阳储能科技有限公司参与中国葛洲坝集团装备工业有限公司在湖北省武汉市建设的葛洲坝高端设备产业园综合能源项目，为其提供一台200 kW的飞轮储能产品及相关配套系统，建成了104 kW光伏、200 kW/400 kWh交流电化学储能、50 kW/100 kWh直流电化学储能、2×5 kW风电、200 kW飞轮储能和200 kW测试柴油发电机及1台14 kW交流充电桩、1台60 kW直流充电桩等构成的多能互补综合能源系统科研实验平台。项目具备组态式智慧能源管理系统和混合储能系统测试试验功能，将为电化学储能单体测试、飞轮储能单体测试、系统调度策略优化、并/离网状态下系统故障稳定性等提供试验测试平台，为多能互补、源网荷储一体化等关键技术研究提供科技创新平台，为发展光柴储、光储充、分布式能源站、智能微电网发挥重要示范作用，具有科技研发支持和产业化支撑的双重意义。项目目前运行状况良好，现场如图8所示。

图8 二重储能葛洲坝多能互补综合能源项目现场

飞轮储能技术发展已历时50年，目前具有非常大的发展空间，飞轮储能技术涉及的高强度新材料技术、真空技术、动平衡技术、磁悬浮技术、电机转子技术、飞轮储能阵列技术等，随着研究发展将进一步推动飞轮储能的发展。在新能源领域、电网调频领域、能量回收领域等将是飞轮储能后续发展的坚实阵地。

飞轮储能产品目前受限于市场接受度较低、初投成本较高、相关标准缺失等原因，在国内仍处于发展前期阶段，随着国家大力发展新能源、节能环保理念的提升，特别是国家《“十四五”新型储能发展实施方案》中明确“强化技术攻关，构建新型储能创新体系，推动多元化技术开发，加快多元化技术示范应用，开展复合型储能技术示范应用”。随着飞轮储能等不同新型储能技术的不断发展，不同时间、不同维度的多类型储能的综合应用将开启储能应用的新模式。飞轮储能产品的后续市场将进一步扩大，同时降低制造成本，可使得飞轮储能产品在更多行业有更好的发展前景。