大容量先进飞轮储能电源技术发展状况

二.国外技术状况

2.1概述

近15年来，国际上飞轮储能技术和应用研究十分活跃，美国、日本、法国、英国、德国、荷兰、俄罗斯、西班牙、韩国、印度、瑞士、加拿大和意大利等国都在进行研究。其中美国投资多，规模大，进展快。美国飞轮储能技术进步依赖于能源部的超级飞轮计划、宇航局的航天飞轮计划等国家层面的长期资助，再加上20世纪90年代风险投资的大量介入，才使得经历了50年研究开发的飞轮储能技术获得了成功应用。

国外为提高性能、推广应用，开展了高能量密度飞轮、高功率高速电机、微损耗轴承、高效电能变换器、低能耗真空及工程应用等多个方面的基础研究与应用研究。

2.2高速复合材料飞轮

提高能量密度、功率密度的途径主要是提高转速。考虑到转动惯量与尺寸的平方成正比，因此提高飞轮边缘线速度才能有效提高飞轮动能，限制飞轮线速度提高的因素是材料的强度极限以及轮毂与轮缘的变形协调。先进高比强度复合材料飞轮结构设计与研究有理论设计与实验考核两个方面，缺一不可，归结起来，高速飞轮结构设计研究是一个高强材料的应用力学问题。

高比强度复合材料显著的各向异性，导致纤维复合材料缠绕成的飞轮径向抗拉强度低而发生层间脱裂，因而需采用多个薄圆环过盈套装、预应力缠绕、层间弹性层等结构优化设计、采取在线固化工艺以及纺织工艺设计等。同时，飞轮还需要心轴传递扭矩和提供支承定位，在心轴和飞轮轮缘之间的轮毂部分一般采用超高强度钢或高强度铝合金，轮毂设计的难点是实现轴和轮缘之间大变形协调和承担高速离心载荷，先进飞轮采用了变截面锥壳或轮辐结构。考虑到工程应用的飞轮实际结构以及轮毂的储能密度较低，目前整体飞轮设计指标小于200Wh/kg。

2.3大功率高速电机

由于军用和民用对高速电机的需求，20世纪末以来发达国家竞相开展对高速电机的研究，成为国际电工领域的研究热点，其中以美国发展为迅速[12-13]。例如Syony公司可生产100kW，60000r/min和400kW，20000r/min的磁悬浮高速永磁电动机和发电机。

由于转速高，电机的功率密度大，其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机。高速电机可以有多种结构形式，如感应电机、永磁电机和磁阻电机等。特别是永磁电机由于其结构简单，磁密度高、无励磁损耗和效率高等优点，适合用于中、小型高速发电机。

电机在高速旋转时转子的离心力很大，当线速度达到200m/s以上时，常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子。转子采用非导磁钢对永磁体进行了保护，永磁体表面采用碳纤维绑扎都可以解决高速强度问题。高速感应电机的转子损耗大，功率因数低;但其实心转子能够承受400m/s表面速度，并能承受较高的温度。

高速电机单位体积内的损耗较大，虽然目前对各种普通电机的电磁性能和损耗研究比较多，但是对高速电机损耗的研究比较少。

2.4微损耗高速轴承

传统的滚动轴承、流体动压轴承难以满足高速重载而摩擦损耗低的要求，高速飞轮的先进支承方式主要有超导磁悬浮、永磁悬浮、电磁悬浮。

超导磁悬浮轴承(SMB)由永磁体与超导体组成。SMB的能量损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和风损。由于无机械接触，SMB的总能耗很小，当然低温液氮的获取和维持需要消耗一定的能量。

鉴于高温超导磁悬浮轴承具有的无源、无机械磨损、高转速、寿命长等几大突出优点，高温超导磁悬浮轴承吸引了世界各国广泛的关注。美国、德国和日本等国已开展了20年的研究，其他国家如韩国、西班牙、英国等在这方面的投资力度也在逐步加大。

2007年，美国波音公司和阿贡实验室联合开发出5kWh/100kW的轴向轴承飞轮储能系统，测试速度达到22500r/min。2007年，德国的ATZ公司设计出5kWh/250kW的径向轴承飞轮储能系统。飞轮大型化的轴承技术主要突破方向是超导磁悬浮。

电磁悬浮轴承(AMB)采用反馈控制技术，能在径向和轴向对主轴进行定位，使飞轮运转的稳定性和安全性得到一定的提高，电磁轴承的突出优点是可超高速运行，30000～60000r/min是电磁轴承通常的运行范围。电磁轴承在国内外研究十分充分、技术成熟，正在大力推广工程应用。

永磁轴承通常由一对或多个磁环作径向或轴向排列而成，其中也可以加入软磁材料。随着永磁材料的快速发展，永磁轴承的承载力迅速增加。但是只用永磁轴承是不可能实现稳定悬浮，需要至少在一个方向上引入外力(如电磁力、机械力等)。永磁体要实现高速旋转，需要减小径向尺寸或者以导磁钢环代替永磁环。与永磁轴承配合使用的机械轴承主要有滚动轴承、滑动轴承、陶瓷轴承。

以上各种支承方式各有优缺点，因此在实际应用中常将几种支承方式组合使用。美国ActivePower和德国Piller等公司生产的采用飞轮储能不间断电源(UPS)的飞轮支承系统采用的就是磁悬浮轴承和机械轴承组合技术。

2.5电机控制及电能转换器

电力转换器是飞轮储能系统的控制装置，是供电系统和电机的联系媒介，实现电能和机械能的相互转换，并有调频、调压和整流功能。电力变换电路必须实现能量的双向流动，而且在飞轮放电时，可以通过放电控制输出满足负载需求的能量。

随着电力电子技术的发展和新的功率器件IGBT和IGCT的应用，使得电力变换电路转换效率和器件开关频率更高，导通损耗更小，进一步提升飞轮储能系统的功率密度。

永磁同步电机可以采用矢量控制或者直接转矩控制。

飞轮系统的功率调节器PCS是将电机减速生成的变频变压的反电动势变换成适应于用户使用的电能形式，目前的实现方式主要有两种，一种将直流母线电压和给定电压的差值经过电压控制器生成电机的制动转矩指令值，构成电压外环、速度内环的双环控制结构。另一种是在飞轮减速时把逆变器的可控开关管全部关断，仅利用其续流二极管构成不控整流桥，得到幅值持续降低的直流电压，再经过DC-DC升降压控制把直流母线电压稳定在恒定值。

2.6低能耗真空获得与维持技术

高速旋转的飞轮必须处于真空环境中以减少风损。真空的获得与维持一般靠小型真空泵配合高密封。新的技术途径是自持分子泵。真空的获得相对容易，而保持相当困难。

2.7工程应用开发

经过20年的技术积累，20世纪90年代后期，基于飞轮储能的电源系统实用产品逐步成熟。早在1997年，Beaconpower推出2kWh的飞轮电池，飞轮转速30000r/min，采用永磁/电磁混合支承，永磁无刷电机效率高达96%。美国的ViataTechEngineering公司将飞轮引入到风力发电系统，实现全频调峰，飞轮机组的发电功率为300kW。全球范围内，目前至少有10家以上的公司可以提供飞轮电池产品。

三.国内技术现状

3.1飞轮储能系统技术

国内自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术，自90年代开始了关键技术基础研究。

中科院电工研究所目前已经设计并实现了基于钢转子和机械轴承的飞轮储能装置并应用于微型电网稳定控制和电能质量改善，清华大学300Wh飞轮储能样机1997年实现充放电;支承在永磁-微型螺旋槽轴承上的500Wh复合材料飞轮转速达到42000r/min(660m/s)。华北电力大学同期也建立了试验装置，钢质飞轮极限转速10000r/min，也采用了低损耗的永磁-流体动压混合支承。

北京航空航天大学、中科院长春光学精密机械与物理研究所近年来开展飞轮储能电源的航天应用研究。浙江大学、东南大学开展过关于先进飞轮储能技术的“863”探索项目研究，武汉理工大学探讨了飞轮储能在电动车混合动力的应用设计与研究。

3.2复合材料飞轮技术

国内学者在复合材料飞轮理论分析与设计方面做了大量工作。这些研究包括多层套装复合材料飞轮的变形与应力分析、纤维束张紧缠绕的预应力分析、纤维铺设角和层间过盈量平抑应力分析，为提高储能密度的优化设计指明方向。

国内飞轮试验研究数据缺乏，实验飞轮实际达到的储能密度指标低于国际先进水平。清华大学在复合材料飞轮强度试验研究方面开展较多工作，具备700m/s复合材料飞轮的设计和试验能力。

3.3高速电机技术

我国对高速电机的需求已经比较迫切，但研究工作起步较晚，目前能够生产的是10kW以下的小功率高速电机，大功率高速电机的研发尚处于起步阶段，是国内一大技术瓶颈。

沈阳工业大学与南京航空航天大学及浙江大学合作，在国家自然科学基金资助下研制采用磁悬浮轴承的75kW，60000r/min高速永磁电动机和发电机试验样机。目前有多个单位正在研发转速为15000～25000r/min，功率为75～250kW的高速电动机。

3.4磁轴承技术

北京航空航天大学设计并完成了多种磁悬浮惯性执行机构用永磁偏置混合磁轴承，磁轴承转速达到42000r/min。清华大学将永磁轴承-微型螺旋槽油膜混合轴承应用到储能飞轮，进行系统效率测试研究。

国内对高温超导磁悬浮轴承研究起步较晚，研究单位也较少且多处于理论研究和概念设计阶段，与发达国家差距较大。目前国内有三台高温超导磁悬浮轴承样机：中科院电工所的混合磁悬浮轴承样机，北京交通大学的混合磁悬浮轴承样机和西南交通大学超导技术研究所的双轴向型高温超导磁悬浮轴承样机。

3.5电机控制及电能转换技术

飞轮储能的电机控制和电能转换技术主要围绕飞轮充电、待机和放电三种工作模式的控制和相互切换，主要包括针对飞轮电机的充放电控制器和针对用户需求的功率调节器两个部分。对于飞轮电机的充放电控制器，国内几家研究飞轮的主要科研院所均有所研究和试制，大多采用较为先进的数字控制器，在充电和待机模式下采用速度外环、电流内环的控制方式，在放电模式下采用电压外环、电流内环的控制方式。清华大学完成了高速飞轮储能配套的永磁无刷直流电机双向控制器;基于飞轮储能的动态电压补偿控制系统，飞轮储能量1000Wh、电机功率10kW，转速为20000r/min。

对于飞轮的功率调节器，由于国内飞轮的应用研究还较少，因而相关研究不是很多，目前大多停留在UPS的应用研究上，采用恒压恒频输出控制方式，较为简单，在用于电网稳定控制和电能质量改善方面还需要深入研究。

中国的飞轮储能技术处于实验室研究阶段，与国外技术水平差距在10年以上。