飛輪儲能技術

陳亞愛，甘時霖，周京華，陳煥玉

(北方工業大學北京市電力電子與電氣傳動工程研究中心，北京100144)

飛輪儲能技術

陳亞愛，甘時霖，周京華，陳煥玉

(北方工業大學北京市電力電子與電氣傳動工程研究中心，北京100144)

飛輪儲能技術因其儲能密度大、儲能效率高、對環境無危害等優點而備受關注。在分析飛輪儲能工作原理的基礎上，重點介紹了當今飛輪儲能系統中儲能釋能分立結構和雙向逆變結構的電路拓撲，以及目前飛輪儲能技術在國內外的應用情況，為飛輪儲能技術的研究與工程應用提供參考。

飛輪儲能技術；電路拓撲；儲能；釋能

飛輪儲能技術因其儲能密度大、儲能效率高、對環境無危害等優點而備受關注。大約在20世紀50年代飛輪儲能技術就被提出，受到當時技術水平以及硬件設備的限制飛輪儲能技術發展緩慢。直到20世紀80年代初期，高溫超導磁懸浮技術、高強度碳素纖維化合物、現代電力電子技術得到了重大研究突破，帶動了飛輪儲能技術的深入研究。隨著新能源發電技術的發展和智能電網的建設，儲能技術成為全球研究的重要課題，飛輪儲能技術也隨之成為研究熱點問題之一[1]。

1 飛輪儲能系統的分類及工作原理

1.1 飛輪儲能系統的分類

目前國內外研究的飛輪儲能系統的種類很多，若按飛輪儲能系統所用電機可分為：基于同步電機的飛輪儲能系統[2-3]、磁阻電機的飛輪儲能系統[4]和基于感應電機的飛輪儲能系統[5]；若按飛輪儲能系統主電路拓撲分則有：儲能釋能分立結構飛輪儲能系統[6]和雙向逆變結構飛輪儲能系統[7]；若按系統調節器可分為：傳統PID控制的飛輪儲能系統[8]、模糊PID控制的飛輪儲能系統[9-10]和神經網絡控制的飛輪儲能系統[11-12]。飛輪儲能系統分類圖如圖1所示。本文以飛輪儲能系統主電路拓撲分類進行綜述。

1.2 飛輪儲能系統組成及工作原理

飛輪儲能系統是一種以動能方式存儲能量的機械電池，它由高速飛輪、電動機/發電機、軸承、功率電子變換器、控制設備以及附加設備(如真空泵、緊急備用軸承)等組成，如圖2所示。

圖1 飛輪儲能系統分類圖

圖2 飛輪儲能裝置結構示意圖

飛輪系統在儲能時，由工頻電網提供的電能，經功率電子變換器，驅動電機并帶動飛輪高速旋轉，以動能的形式將能量儲存于飛輪中，從而完成電能-機械能轉換的儲存能量過程。當需要向負載供電或者并入電網時，高速旋轉的飛輪作為發電機發電，經功率變換器輸出用于負載的電流與電壓，完成機械能-電能轉換釋放能量過程。整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出的全過程[14]。圖3所示為飛輪儲能系統工作原理示意圖。

圖3 飛輪儲能系統工作原理示意圖

2 飛輪儲能系統儲能技術

飛輪儲能系統中，控制器的作用是在儲能時采用不同的控制方法，控制主電路半導體元件的開通和關斷，完成脈寬調制，使逆變器輸出電壓符合需要的頻率大小和波形，滿足飛輪加速或減速的需要[7]。圖4所示為飛輪儲能驅動系統示意圖。系統處于充電狀態時，PWM變流器1起整流作用，將工頻交流電整流為直流電；PWM變流器2起逆變作用，將直流電源經脈寬調制變為頻率電壓可調的交流電，驅動電機帶動飛輪高速旋轉，電機工作在電動狀態，將電能轉化為動能儲存于飛輪中。

圖4 飛輪儲能驅動系統示意圖

由前所述，飛輪儲能系統主電路拓撲結構主要有：(1)儲能與釋能回路分立結構；(2)儲能與釋能回路一體的雙向逆變結構[3]，其中一體結構又可以分為雙向背靠背結構和獨立升降壓雙向逆變結構。分立結構的優點是控制方法相對簡單，缺點是功率器件多但利用率低和拓撲電路相對復雜；較之分立結構，雙向逆變結構其具有功率器件少、集成度高以及拓撲簡單等優點，缺點是相對分立的結構而言，其控制算法較為復雜。

2.1 基于儲能釋能回路分立結構的儲能技術

飛輪儲能系統要求驅動飛輪的電機能夠運行在電動、能量保持和發電三種狀態。儲能釋能回路分立結構的飛輪儲能系統主電路拓撲如圖5所示，控制系統主要由AC/DC整流電路、DC/AC逆變電路、機電雙向能量變換器、工作方式控制開關以及飛輪單元等組成[13]。

當系統工作在儲能狀態時，機電雙向能量變換器工作在逆變狀態，飛輪電機作為電動機運行。電能經三相不控整流電路將交流電變換為直流電為逆變側提供穩定的直流源[14]。通過控制器控制逆變器輸出頻率，使電機升速達到給定轉速，帶動飛輪旋轉完成電能的儲存。系統工作在釋能狀態時，電機作為發電機運行，應用PWM整流技術對輸出的交流電進行整流，使直流母線電壓維持穩定，此時輸出的直流電經網側逆變器后回饋電網或供給交流負載[15-16]。

圖5 飛輪儲能系統儲能釋能回路分立結構主電路拓撲

文獻[6]介紹了利用電機電感的儲能升壓實現飛輪能量回饋的發電控制方案，即根據永磁無刷直流電機的轉子位置信號，導通相應的開關管，使電機電流與電動勢反相，回饋能量。

2.2 基于雙向逆變結構的儲能技術

由于PWM控制的三相橋結構變流器可工作于整流和逆變兩種狀態，能夠實現能量的雙向傳輸，且硬件結構簡單，因此在飛輪儲能系統領域得到廣泛的應用[17]。

2.2.1 采用雙向DC-DC電路結構變換器的儲能技術

采用雙向DC-DC變換器的飛輪儲能系統主電路拓撲如圖6所示，主電路由雙向DC/DC變換器、逆變電路等部分組成[18]。

圖6 采用雙向DC-DC變換器的飛輪儲能系統主電路拓撲

如圖6所示，在三相橋變換器的基礎上增加了兩個功率器件，用于獨立的升壓、降壓控制。在儲能工作模式下，充電時Qboost關斷，采用Qbuck、Dbuck、L、C2組成的Buck降壓電路控制直流母線電流恒定，從而實現飛輪電機的控制；三相橋用于飛輪電機的換相。電機為電動機工作模式，能量由網側向電機側正向流動。驅動系統是一個電流速度的雙閉環系統，控制框圖如圖7所示，外環是轉速環，內環是電流環。文獻[19]介紹了運用此控制方法實現對飛輪系統的儲能控制，使電機驅動飛輪轉動完成儲能。

圖7 雙閉環系統控制框圖

當系統切換到釋能狀態時，Qbuck關斷，采用Qboost、Dboost、L、C1組成的Boost升壓電路控制負載兩端電壓恒定；三相橋六個開關管全部關斷，僅續流二極管用于不控整流。電機處于發電機工作狀態，在放電過程中系統的機械能轉換成電能，電機的轉速下降致使電機端電壓逐漸下降，因此需要在負載前加上Boost升壓電路。系統工作在釋能狀態下，電能通過續流二極管組成不空整流電路將交流轉為直流，再經Boost升壓斬波電流為網側逆變器或者直流負載提供穩定的直流電源。

文獻[20-21]介紹了如圖6所示拓撲下的釋能控制策略并且采用了新型的Boost升壓電路，對DC/DC變換器采用雙閉環控制直流側的電壓和電流，控制框圖如圖8所示。在控制器中給定參考電壓，通過電壓調節器控制輸出側的直流電壓，電壓調節器的輸出作為電流調節器的參考值；該雙閉環結構不僅能夠同時控制輸出側的電壓電流值防止系統過壓過流，并且還能夠有效減小擾動以及由于轉速下降太快、電流過大、過度釋能的影響。

圖8 DC/DC變換器采用雙向閉環控制框圖

2.2.2 采用雙向背靠背變流結構的儲能技術

在文獻[3]、[7]和[22]介紹的飛輪儲能系統中電力變換器主要完成飛輪的儲能和釋能時的回饋，如圖9所示雙向背靠背儲能和釋能一體的結構拓撲，網側變流器在飛輪儲能系統工作在儲能工況時為PWM整流器，在釋能工況下為逆變器；電機側變流器在儲能工況下為逆變器，在釋能工況下為PWM整流器。該拓撲結構簡單、功率器件少、集成度高[23]。

如圖9所示飛輪儲能系統主電路采用背靠背雙向PWM變流器拓撲結構，其電網側PWM變流器通過LCL濾波器與電網連接，Lg，Lr分別為LCL濾波器的電網側電感和變流器側電感，Cf為交流濾波電容。電機側PWM變流器為永磁同步電機的定子電樞繞組供電。直流母線上電容的作用是抑制母線電壓的紋波，圖9中Udc為直流母線電壓。在2個變流器間設置泄放回路的主要目的是防止電機處于發電狀態時，逆變器出現故障導致母線電壓泵升，造成直流支撐電容損壞。

圖9 雙向背靠背結構逆變器的飛輪系統

飛輪儲能系統的整體控制策略的目標是：(1)保持網側和電機側的能量平衡；(2)按需求控制系統的能量傳輸[3]。儲能工況下電網側變流器采用的是電網電壓定向控制算法來控制母線電壓穩定，電機側驅動器采用的是磁場定向控制算法來控制電機轉速。整體控制框圖如圖10所示。飛輪儲能系統需要根據上層控制策略計算得到的電流指令值，在其工作范圍內滿足該電流指令要求，因此電機側變流器采用轉速外環與電流內環雙閉環控制。為了防止直流母線電壓泵升或者下降，網側變流器采用電壓電流的雙閉環控制，保證母線電壓穩定。

圖10 整體控制框圖

飛輪儲能系統釋能時，為保證負載正常工作需要機側變流器來穩定直流母線電壓，控制系統外環為直流電壓環，內環為電流環，根據電容電壓的變化控制永磁同步電機經變流器輸出到直流側的功率。網側變流器工作在逆變并網模式下使飛輪儲存能量回饋電網或者負載側供電[24]。

3 飛輪儲能技術的應用

飛輪儲能技術在許多領域已經投入使用，特別是在美國、日本、德國等發達國家發展得已比較成熟。其主要應用在電力調峰、不間斷電源、飛輪電池、航空航天等領域。

3.1 電力調峰

飛輪儲能系統的運行沒有地理限制，不污染或破壞環境，可在任意時間間隔、以任意規模方便地進行能量存儲與釋放，可就近分散放置，適應環境保護的要求，因而被認為是近期最有希望和最有競爭力的新型調峰技術。另外，由于它的充放功率可以很大，并聯或串聯在電網中也能起到改變系統阻尼、增加電網穩定性的作用。德國于1996年建造的100 MWh的超導磁懸浮飛輪儲能電站，飛輪儲能系統效率可達96%。考慮到飛輪的儲能密度高、充放電快捷、充放電次數不限等優點，國外許多研究機構已將飛輪儲能引入風力發電系統。美國的BCON公司制造的20 MW的飛輪儲能系統已在紐約配合當地風電網投入使用[25]。

3.2 不間斷電源(UPS)

UPS是一種利用市電或蓄電池能源向負載提供高質量交流電源的設備。飛輪儲能裝置正在逐步取代UPS中的化學蓄電池，特別是用在通信行業的UPS中，由于很多工作在戶外，工作環境差，一般的化學蓄電池不能適應，而飛輪儲能裝置對環境無要求，工作適應能力較強[26]。美國Active Power公司主要生產用于不間斷電源的飛輪儲能裝置，該公司生產的飛輪儲能系統工作轉速在7 000～7 700 r/min，工作維持時間為幾十秒到幾分鐘[27]。

3.3 飛輪電池

將飛輪安裝在化學電池或內燃機供能的機車上起緩沖器作用與系統協同工作，稱這種裝置為飛輪電池。汽車制動過程中，將制動能耗通過電動機轉化為飛輪的機械動能儲存起來，成為再生能源。當汽車需大功率工作時，飛輪再通過發動機將動能釋放以供系統使用。該技術也可用在火車和軍用電池坦克上。研究表明合理設計混合飛輪電池可節約能耗30%，并能減少廢氣排放量75%。美國的威斯康星大學、勞倫斯國家實驗室、麻省理工學院、德國的磁電機公司和加拿大的McMaster大學目前都在此方面有所研究，并取得了一定的成果[27]。

3.4 航空航天

現代航天器大多采用太陽電池陣和蓄電池聯合供電系統。蓄電池組的主要用途是在航天器進入地球陰影區時，在太陽電池陣不能供電給負載時供電，或在負載需求功率超過太陽電池陣功率時供電。這種蓄電池系統存在比能小、可靠性低、充放電深度難以準確估量及使用壽命等問題制約了現代航天器的發展。采用飛輪儲能系統不但能克服這些缺點完成能量供給，還可實現姿態控制，使航天器的質量得到較大幅度的減輕，降低系統成本的同時增強系統的可靠性。因此姿態控制和儲能兩用飛輪系統的研究已成為當前國內外衛星飛輪系統的研究熱點[28]。美國Satcon技術公司、NASA研究中心和馬里蘭大學都在開發衛星姿態控制用飛輪儲能系統，其中NASA還進行了太空運行實驗。

4 結語與展望

飛輪儲能具有大儲能容量、高效率、無污染、適用廣、無噪聲、長壽命、維護簡單及可實現連續工作等優點，已成為國際能源界研究的熱點之一[29]。我國應當積極從國家層面支持國內飛輪儲能電源技術研究開發，早日推出國產飛輪儲能電源高技術產品[30]。飛輪儲能系統不僅可以解決偏遠地區的供電問題，同時又能提高電能的利用效率，為電力行業的穩定發展提供了重要保障。隨著飛輪儲能系統多單元并聯技術逐漸成熟，飛輪作為一項新的儲能裝置在未來幾年中必將獲得更廣泛的應用。

[1]PARK J C,CHOE G H,KIM Y S,et al.Analysis and Design of PWM Inverter System for Flywheel Energy Storage System[C].Daegu:The 7th International Conference on Power Electronics,2007:169-173.

[2]張秋爽.飛輪儲能系統控制策略研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[3]王江波，趙國亮，蔣曉春，等.高速飛輪儲能系統的研究與實現[J].電氣傳動，2014,44(1):26-30.

[4]宋良全，孫佩石，蘇建徽.飛輪儲能系統用開關磁阻電機控制策略研究[J].電力電子技術，2013,47(9):55-57.

[5]ACARNLEY P P,MECROW B C,BURDESS J S,et al.An integrated flywheel machine energy store for road vehicles[J].IEEE Colloquium on New Topologies for Permanent Magnet Machines,1996,32(6):1402-1407.

[6]李雪松.飛輪儲能系統電動發電運行控制技術的研究[D].北京：華北電力大學，2006.

[7]梁榮.飛輪儲能電力變換器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[8]張邦力，胡漢春，何青，等.飛輪儲能裝置儲能狀態控制研究[J].機電產品開發與創新，2010,23(6):100-102.

[9]FU X X,XIE X P.The control strategy of flywheel battery for electric[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Control and Automation.Guangzhou:IEEE,2007:493-496.

[10]付雄新，謝小鵬.電動汽車用飛輪電池充放電控制系統研究[J].微計算機信息，2007,23(6):263-265.

[11]蔣宇，李志雄，湯雙清.BP神經網絡在飛輪電池控制系統中的研究[J].微特電機，2009(6):29-32.

[12]湯雙清，李志雄，蔣宇.改進算法單神經元PID在飛輪儲能系統中的研究[J].機械設計與制造，2009，5(5):127-129.

[13]劉麗影，李雪松，張建成.飛輪儲能系統發電運行控制技術的研究[J].華北電力技術，2007(9)：8-10.

[14]楊鋒，于飛，張曉鋒，等.飛輪儲能系統建模與仿真研究[J].艦船技術，2011，4(4):3-7.

[15]黃宇淇，姜新建，邱阿瑞.飛輪儲能能量回饋控制方法[J].清華大學學報，2008，48(7):1085-1088.

[16]陳峻嶺，姜新建，朱東起，等.基于飛輪儲能技術的新型UPS的研究[J].清華大學學報，2004，44(10):1322-1324.

[17]黃宇淇，姜新建，邱阿瑞.飛輪并聯運行于放電模式時的控制策略[J].微電機，2008,41(5):20-23.

[18]王楠,李永麗,張瑋亞.飛輪儲能系統放電模式下的非線性控制算法[J].中國電機工程學報,2013,33(19):1-7.

[19]王爽，李鐵才，林琦，等.飛輪儲能系統雙向逆變器研究[J].微電機，2010，43(9):52-56.

[20]李保軍.飛輪儲能系統電機設計與充放電控制仿真研究[D].上海：上海交通大學，2011.

[21]談震.飛輪儲能驅動控制系統的研究與開發[D].天津：天津大學，2011.

[22]王爽，李鐵才，王治國，等.零動量儲能飛輪系統研究[J].微電機，2010，43(8):6-11.

[23]RODRIGUEZ J R,DIXON J W,ESPINOZA J R,et al.PWM regenerative rectifiers:State of the art[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(1):5-22.

[24]郭偉，王躍，李寧.永磁同步電機飛輪儲能系統充放電控制[J].西安交通大學學報，2014，48(10):2-6.

[25]葛舉生，王培紅.新型飛輪儲能技術及其應用展望[J].電力與能源，2012，33(2):181-184.

[26]王巍，高原，姜曉弋.飛輪儲能技術發展與應用[J].船電技術，2013，33(1):31-34.

[27]WERFEL F N,DELOR U F,RIEDEL T,et al.Towards high-capacity HTS flywheel systems[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2010,20(4):2272-2275.

[28]王力.飛輪儲能控制系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2008.

[29]張維煜，朱秋.飛輪儲能關鍵技術及其發展現狀[J].電工技術學報，2011，26(7):142-146.

[30]戴興建，鄧占峰，劉剛，等.大容量先進飛輪儲能電源技術發展狀況[J].電工技術學報，2011，26(7):133-140.

Energy storage technology of flywheel

CHEN Ya-ai,GAN Shi-lin,ZHOU Jing-hua,CHEN Huan-yu
(Power Electronics&Motor Drivers Engineering Research Center,North China University of Technology,Beijing 100144,China)

The energy storage technology of flywheel has attracted more attention because of its high energy storage density,high storage efficiency and no harm to the environment.On the basis of operation principle of flywheel energy storage,the flywheel energy storage system and energy release discrete structure and bidirectional inverter circuit structure were emphatically introduced.The domestic and international application of flywheel energy storage system based on the advantages of this technology was presented.

energy storage technology of flywheel;circuit;storing energy;releasing energy

TM 31

A

1002-087 X(2016)08-1718-04

2016-01-08

陳亞愛(1961—)，女，上海市人，教授，主要研究方向為電力電子與電氣傳動。