高速大功率飛輪儲能裝置的特性與應用

唐英偉，張建平，鄧聰，葉才勇

（1. 盾石磁能科技有限責任公司，河北 唐山 063000；2. 華中科技大學，湖北 武漢 430074）

0 引言

飛輪儲能裝置是一種高度機電一體化的慣性儲能裝置，主要包括飛輪、支承軸承、電動/發電機、電力電子變換器、真空室等部分[1]。相比于其他常見儲能技術（如鉛酸電池、抽水儲能等），飛輪儲能有著功率密度高、儲能密度高、效率高、響應時間短、使用壽命長、綠色環保等優點，在軌道交通制動能量回收、電網電能質量調節、不間斷電源UPS、電動汽車、航空飛行器電源等方面有著廣闊的應用前景[2-3]。隨著新型材料、高速電機、電力電子控制技術、磁軸承技術的發展與進步，飛輪儲能正朝著大容量、高速化、高效化、高安全性、適應性強、模塊化的方向發展[4-6]。

隨著復合材料、高速電機、自動控制等各項技術的突破，國內外對飛輪儲能裝置的研究取得了諸多進展。2009年，美國Beacon Power公司在美國能源部的支持下建設了兩個20 MW飛輪電站；在2014年至2016年期間研發出功率160 kW的400模塊化系列和360 kW的450XP系列飛輪儲能裝置，儲能分別為30 kWh和36 kWh，工作轉速為16000 r/min[7]。美國Active Power公司開發了用于UPS的飛輪儲能裝置，功率為250 kW，工作轉速范圍在7000～7700 r/min，放電持續時間為幾十秒到幾分鐘[8]。美國VYCON公司開發出的飛輪儲能裝置，額定功率140kW，轉速范圍6000～24000 r/min[9]。

我國飛輪儲能研究相對國外起步較晚，主要是研究所和大學在進行飛輪儲能樣機的研究。目前，我國與國外先進國家相比仍然存在明顯差距。近年來，典型的樣機參數是：2010年，清華大學與中國電力科學研究院合作，研制了一套2.4 kWh/20 kW/5200 r/min復合材料飛輪儲能實驗系統[10]。2014年6月，中國電力科學研究院與華中科技大學共同研制了一套1.3 kWh/15000 r/min復合材料飛輪儲能樣機[11]。2016年，清華大學為鉆機混合動力傳動系統研制了一套16.6 kWh/500 kW/2700 r/min合金鋼飛輪儲能系統[12]。華北電力大學、北京航空航天大學、哈爾濱工程大學、沈陽工業大學、哈爾濱工業大學等單位也開展飛輪儲能技術的研究工作，對飛輪轉子的結構設計、飛輪儲能電機系統、磁懸浮軸承系統等飛輪關鍵技術進行了基礎研究，取得了一定的研究成果[13-16]。

本文針對電網電能質量調節及地鐵等沖擊性負荷對電網影響的解決方案，研發了一款高速大功率的飛輪儲能裝置。

2 GTR飛輪儲能裝置

GTR飛輪儲能裝置的整體結構如圖1所示。

圖1 GTR飛輪儲能裝置結構Fig. 1 Structure of GTR flywheel energy storage device

該飛輪儲能裝置主要包括碳纖維復合材料轉子、高速高效永磁電機、被動磁懸浮軸承、針式球形螺旋槽軸承、真空腔及外殼等部分。

高速永磁電機為外轉子內定子結構。電機定子鐵芯采用超薄高硅鋼片疊制，繞組采用高頻litz線，從而降低電機的鐵耗和銅耗。并且，定子中心為空心軸，用于導線引出和冷卻水路布置，能保證長時間運行溫度控制在合適的范圍內。

電機轉子為無鐵芯磁粉纖維層，與外層纖維復合材料飛輪徑向一體化集成。纖維復合材料飛輪為多層材料的圓筒式結構。該轉子結構一方面可以抑制轉子渦流損耗，緩解真空環境下轉子散熱難題；另一方面，無鐵芯轉子層與纖維復合材料層集成為一體，不僅提高了飛輪轉子系統允許的最大線速度和儲能密度，也提升了飛輪轉子的安全性。

軸承系統是由針式球形螺旋槽動壓軸承和永磁被動磁軸承組合形成的。永磁被動磁軸承安裝在轉子的頂部，針式球軸承和阻尼系統安裝在轉子的底部，兩者形成支撐配合，不僅降低了軸承損耗，也省去了主動磁軸承所需的復雜動態檢測與快響應控制系統，實現了高速轉子的懸浮穩定支撐。

飛輪儲能裝置的主要參數指標如表1所示：

表1 飛輪儲能裝置參數指標Table 1 Parameter index of flywheel energy storage device

3 典型飛輪儲能單機的比較分析

為分析本文所述GRT 333飛輪儲能裝置在國內外飛輪儲能產品體系中的技術定位和參數水平，此處對典型飛輪儲能單機的拓撲結構和主要性能參數進行對比分析。

飛輪儲能單機典型拓撲結構有四種，如圖2所示[17]。

圖2 飛輪儲能系統典型拓撲結構Fig. 2 Typical topological structures of flywheel energy storage system

第一種拓撲結構為常規電機結構，通過電機轉子儲能，為了提高儲能量，通常電機體積和重量大，轉速和儲能密度較低。第二種為電機和飛輪分體式結構，通過中軸或者聯軸器將電機與飛輪聯系起來，整體臨界轉速較低，振動和噪聲大。第三種為金屬輪轂內傳子外飛輪結構，其纖維增強復合材料薄壁輪緣具有較高的儲能密度，但內轉子電機在空間上限制了電機的額定功率。第四種為無輪轂外轉子外飛輪結構，與第三種結構一樣，具有較高的儲能密度，同時由于采用外轉子，可以增大電機的有效幾何尺寸，從而提升電機的額定功率。這四種單機拓撲結構中，只有第二種是分體式結構，其他三種為一體化結構。

典型飛輪儲能單機結構圖如圖3所示[18]。

圖3 典型飛輪裝置結構圖Fig. 3 Typical flywheel structure diagrams

從拓撲結構的角度，盾石磁能、GKN飛輪單機拓撲結構屬于外轉子外飛輪結構，Beacon Power屬于內轉子外飛輪結構，Active Power屬于內轉子內飛輪結構，ABB Powercorp屬于電機和飛輪分體式結構。

典型飛輪單機的主要性能參數如表2所示：

表2 GTR 333與其他飛輪儲能裝置的特性比較[19]Table 2 Comparison of the characteristics of GTR 333 and other flywheel energy storage devices

從表2中可以看出，雖然GTR 333的儲能量較小，但是儲能密度較高，工作轉速高，響應速度快，符合功率型飛輪儲能裝置的特點。此外，GTR 333滿功率循環充放電次數為30次/小時，頻繁充放電能力強。

4 GTR飛輪的應用

4.1 軌道交通領域

在城市軌道交通領域，主要耗能形式為電能，其中牽引系統能耗占所耗電能的90%[20]。在地鐵制動運行時，牽引電機作為發電機將列車的動能轉變為電能反饋到直流牽引電網，這樣會造成牽引電網電壓升高。過高的電壓會造成電氣故障。為了處理這個問題，通常的方法在列車段接入電阻進行能耗制動。這種方式需要配備相應的冷卻裝置，不僅增加了散熱裝置的能耗，還浪費了再生制動能量。

采用飛輪儲能裝置替代電阻能有效的解決上述的問題。采用飛輪儲能裝置作為再生制動能量的存儲單元，當地鐵制動時飛輪儲能裝置回收再生能量；當地鐵啟動或牽引電網需要能量回饋時，飛輪儲能裝置再將存儲的能量回饋至牽引電網。這樣合理的利用地鐵制動時的再生制動能量，提高了電網能量利用率，同時降低了散熱裝置的能耗。

上述的GTR飛輪裝置已成功安裝應用于美國洛杉磯地鐵黃金線高地公園站，由5臺200 kW的GTR飛輪組成的集裝箱1 MW軌旁固定式再生能利用系統被安裝在高地公園站附近。圖4為飛輪安裝現場。

圖4 飛輪安裝現場圖片Fig. 4 Pictures of flywheel installation site

飛輪未投入使用之前，技術人員對地鐵牽引網壓進行采集，得到了牽引電網一個時間段內的電壓波動曲線，如圖5所示，從曲線上我們可以發現，地鐵牽引網電壓最大值為853 V，最小值為518 V，電壓紋波系數為41.9%，網壓波動幅度比較大。

圖5 飛輪未投入時牽引網壓波動Fig. 5 Fluctuation of traction net voltage without flywheel

圖6是飛輪投入運行之后收集的運行數據。綠色曲線為牽引網壓，紅色曲線為飛輪的充放電功率，從數據上來看，應用飛輪儲能系統后牽引網電壓的最低值在700 V左右，電壓紋波系數為19.1%，電壓波動較飛輪應用前有了很大改善。

圖6 投入飛輪后牽引電網壓波動情況Fig. 6 Fluctuation of traction net voltage with flywheel

綜上所述，該GTR飛輪儲能裝置解決高地公園站的三個問題：① 飛輪裝置的投入有效地降低了牽引網電壓波動；② 飛輪回收的再生制動能量可回饋牽引電壓網，能夠解決牽引網壓過低的問題，為供電線路提供電壓支撐；③ 高地公園站附近的路況比較復雜，列車需要先減速通過十字路口，然后加速爬坡。列車加速時，由飛輪提供有功功率補償，能有效緩解雙邊供電的壓力。

4.2 行業認證

該GTR飛輪裝置于2016年在國內軌道交通行業權威產品測試認證機構“國家鐵路產品質量監督檢測中心”完成設備安全檢測及產品性能測試，全部指標均達到國家軌道交通行業技術標準。2017年5月份，中國電力科學院電力工業電力設備及儀表質量檢驗測試中心對該GTR飛輪裝置進行了檢測，全部指標均達到國家電力行業技術標準。GTR飛輪是我國首套通過國家鐵路產品質量監督檢測中心和國家權威電力機構檢測的飛輪儲能裝置。

5 結論

GTR 333飛輪屬于功率型飛輪儲能裝置，其具有毫秒級的功率響應特性，適用于頻繁充放電的工況。GTR 333在軌道交通領域已經投入實際應用，實際應用的試驗結果表明：GTR飛輪短時儲能，高頻次充放電，優良的功率響應特性等優點能快速有效地降低電網電壓（功率）的波動。GTR 333飛輪在電網/微電網調頻、再生能回收再利用、UPS 電源以及大功率脈沖電源等領域具有廣闊的應用前景。

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