中国储能网讯：摘要： 通过对已商业化飞轮储能系统产品所用各项技术的分析比较，阐述了目前飞轮储能系统中的单项实用技术，总结了主要飞轮储能系统产品的系统集成技术及其应用。
 
    1 引言

    利用飞轮储存动能在机械系统中得到了广泛地应用，如发动机中的飞轮及冲压设备中的飞轮等，这些属于飞轮技术应用的初级阶段，受技术和工作场合的限制，工作转速较低，通常采用金属材料飞轮，增大质量及转动惯量是提高储能量的主要手段。随着电动机/发电机技术、高强度复合材料技术、磁悬浮轴承技术、电力电子技术的发展，使以提高转速来提高储能量成为现实。因此，飞轮储能技术的应用进入了高级阶段，从而出现了集成各种技术的飞轮储能装置——现代飞轮储能技术，又叫飞轮电池或机电电池[1]，随着飞轮储能装置在不同领域的应用，进而形成了飞轮储能系统。

    现代飞轮储能系统由于具有寿命长、能量转换效率高、绿色环保、储能密度大、快速响应、充放电循环成本低等特点，可广泛应用到包括航空航天、电动汽车、通信、医疗、电力等领域。因此，现代飞轮储能进入了高速发展期，飞轮储能技术得到了深入研究与应用，形成了飞轮储能单项技术和集成应用技术研究开发的热潮，也取得了令人瞩目的成就。用于提高电力品质的不间断电源（UPS）飞轮储能系统已进入商业化阶段，用于风力、光伏发电等新能源电网调峰的飞轮储能矩阵系统已进入示范阶段，用于混合动力车辆负载调节的飞轮储能系统已进入工程样机试验阶段，用于航天器和卫星的储能和调姿双重作用的飞轮储能系统也进入实际应用，另外应用于电池炮和弹射器的飞轮储能系统也进入研究阶段。

    2 现代飞轮储能系统的实用技术

    飞轮储能的基本原理是：电能经电动机驱动飞轮升速转换成机械能，利用飞轮的惯性储存动能，当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮储存的动能转换成电能。飞轮的升速和减速，实现了电能的存储和释放。

    飞轮储能技术必须借助于电动机/发电机技术、磁悬浮支承技术、复合材料飞轮技术、能量转换与控制技术、真空与密封技术。并将这些技术有机地结合起来才能真正研制出具有实用价值的飞轮储能系统。

    2.1电动机/发电机技术

    电动机/发电机是飞轮储能系统的核心动力部件，机械能与电能间的转换通过电动动/发电机及其控制系统来实现。储能时作为电动机运行，由外界输入能量驱动电动机，带动飞轮转子加速；释放能量时作为发电机运行，根据载荷的需要输出能量。因此，电动机和发电机宜采用一体机的结构形式。

    根据飞轮储能系统的工作要求和各种电动机和发电机的特性，以及目前研究应用情况，电动机/发电机的通常选用永磁无刷直流电动机和永磁交流同步电动机。

    永磁无刷直流电动机和永磁交流同步电动机区别在于逆变器把直流整流成交流方波还是交流正弦波，它们结构上差异不大，但本质上都是一样的。永磁无刷直流电动机也称正弦波永磁同步电动机（国际惯例Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM），当输入三相正弦波电流，气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料。永磁交流同步电动机也称梯形波永磁同步电动机（国际惯例Brushless DC Motor，简称BLDCM），输入为方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，磁极仍为永磁材料 。

    为了满足飞轮储能系统高效、高速、高功率密度、微型化、对磁轴承影响小的需要，在电机结构中永磁体采用Halbach磁体结构，Halbach 磁体结构永磁电机有内转子、外转子两种结构。Halbach 磁体结构电动机与常规磁体结构电动机相比具有如下优点[3 ]：

    （1） 具有很好的气隙磁密波形正弦性，不再需要采取分布定子绕组或定、转子斜槽等措施来获得正弦波。

    （2） 具有很好的转子轭部的磁屏蔽作用, 可减小转子导磁轭厚度, 甚至可以省去转子铁心。

    （3）功率密度大, 可减小电机体积, 提高电机功率密度。

    （4）系统间（如电动机与磁轴承系统）磁耦合效应小。

    2.2磁悬浮支承技术

    飞轮储能系统中的飞轮转子在高速下运行，为减少阻力和动力消耗，采用磁悬浮支承是最佳选择。磁悬浮轴承是利用磁场力实现转轴无接触悬浮的轴承，由于磁悬浮轴承无接触，避免了机械磨损，降低了能耗，减小了噪声，因而具有免维护、高转速、高精度和动力学特性好的优点。飞轮转子运行过程中需要限制五个自由度：包括一个轴向、两个径向以及两个角自由度。通常需要一个轴向磁轴承和上、下两个径向磁轴承来完成。同时为了飞轮转子在起停阶段及意外情况发生时能安全可靠，还要有着陆机械轴承作为辅助支承。

    磁悬浮轴承目前研究主要集中在三个方面，即主动磁轴承、混合磁轴承和超导磁轴承（HST）。其中五轴主动磁轴承是最理想的支承方式，已在众多商业化产品中应用。混合磁轴承支承是在某些轴采用永磁磁悬浮轴承(PMTS) ，同时还至少在某一轴采用电磁轴承，永磁磁悬浮轴承具有结构简单、造价低廉、能耗低、使用可靠等优点，但也存在刚度低的缺点。超导磁轴承（HST）目前正处于实验室研究阶级，距实际应用还有一段路要走。

    电磁轴承最主要的特征是通过控制电磁铁线圈的电流变化来产生时变磁场，以便调整在受到外界干扰时轴承所需的悬浮力，确保转子始终在预定位置平稳运转。最大优点是刚度和阻尼可调，可适应大负载、大扰动的转子支承。

    2.3复合材料飞轮技术

    飞轮转子是飞轮储能系统中最主要的储能部件，要承受高速旋转带来的极大负荷。现代飞轮储能技术最主要特征是采用复合材料飞轮技术，利用其质轻高强度的特点，以实现更高转速。但目前从样机研制到实际工程应用的飞轮，采用了两种解决方案，其一是在中低速飞轮储能系统中采用金属飞轮，其优点是飞轮制造成本低，动平衡易于保证；其二是高速飞轮中，采用以金属材料为轮毂，轮圈根据强度需要依次采用玻璃纤和维碳纤维复合材料，或单一复合材料，其优点是具有较高的储能密度，但同时制造成本也高。常用作飞轮的金属材料有铝合金、钛合金、高强度钢AISI4343、40Cr等，常用的复合材料飞轮材料有玻璃纤维-环氧树脂、碳纤维-环氧树脂。

    2.4能量转换与控制技术

    能量转换与控制由能量转换模块来实现，它是供电系统和电机/发电机的联系媒介，实现电能和机械能的相互转换，并有调频、调压和整流功能。能量转换模块提供能量转换和电机/发电机控制功能，由能量转换单元和能量转换控制器组成。能量转换单元由基于IGBT双向能量转换器组成，由能量转换控制器来控制，能够从DC（直流）总线接收和释放能量。当飞轮储能系统放电时，能量转换模块将来自电机/发电机“变频—变压”交流电转换为特定电压的直流电，并输出到直流总线。当飞轮储能系统充电时，能量转换模块将来自直流总线的直流电转换为“变频—变压”交流电供给电机/发电机。

    2.5真空与密封技术

    高速旋转的飞轮必须处于真空环境中以减少风损。真空的获得一般采用机械泵和分子泵联合工作，真空的维持主要采用高密封。目前的实用技术主要是储能装置工作初期使用机械泵获得初步真空，以后正常工作主要以分子泵为主，这样可以降低电力消耗。飞轮储能系统的真空室除需具有真空密封功能外，还需具有安全防护和系统结构支承的功能，目前以厚壁钢为主。

    3 飞轮储能系统集成技术及应用

    飞轮储能系统包括飞轮转子系统、电动机/发电机系统、支承系统、能量转换系统等诸多的单项技术单元，那么如何合理地选择各单项技术单元中的技术，从而构成性价比高、工作可靠的飞轮储能系统，是系统集成技术的主要研究内容。目前，用于UPS的飞轮储能系统在集成技术方面已趋于成熟，其产品已进入商业化应用阶段，表1是飞轮储能系统产品的主要技术参数[4-7]。从表1可以看出各公司对其产品采取了不同的解决方案，飞轮的材料采用金属或复合材料，工作转速的差异也很大，但它们都具有很好的技术性能指标和长期稳定工作的业绩。

    4 结论

    自上世纪70年代美国启动“超级飞轮计划”和80年代“航空飞轮计划”以来，飞轮储能技术得到了长足发展。形成了飞轮储能系统比较实用的技术，同时对其关键技术也在不断地研究和试验。如在飞轮线速度和储能密度方面，都创造了不凡的业绩。飞轮储能技术的发展和应用总结如下：

    （1）飞轮储能技术具有广泛的应用前景。从目前的UPS集成系统的应用已显露出来，其它方面的大范围应用只是时间问题。

    （2）目前飞轮储能系统的实用技术已为人们所掌握，并用于系统的集成，形成了商业化产品。

    （3）飞轮储能系统是众多高新技术的集合，系统综合性能的提高必须依靠各单项技术的进步。

    （4）飞轮储能系统还是一个新事物，在各领域的应用和推广还受到原行业相关法规、标准和通用技术及认识的限制。