飞轮储能系统及简述
在电网的调频调峰方面，飞轮储能电站与核电站，火电站等其他类型的电站相比，在爬升能力，调峰调频比率等方面有着一定的优势。
1研究意义
储能技术应用于电力系统，可以改变电能生产、输送与消费必须同步完成的传统模式。目前，我国正在规划与大力发展坚强智能电网，全面覆盖发-输-变-配-用-调的六大环节与信息平台的建设。储能技术将是未来智能电网的重要组成部分，涉及其建设的各个主要环节。发展储能技术重要意义包括削峰填谷、调节节约能源、提高电力电网系统效率、保证电力电网系统安全等方面。同时采用储能技术可以弥补新能源发电的随机性、波动性，并实现新能源发电的平滑输出，使大规模风电及太阳能发电更安全更可靠地并入常规电网。储能技术也可以解决电动汽车充电的随机性、波动性问题，有效调节电动汽车充电引起的电网电压、频率及相位的变化，为新能源汽车的大规模推广提供基础。随着智能电网、分布式供电等新技术的推广应用，储能的作用进一步突现出来。大规模储能技术的发展和应用将对新能源乃至整个电力系统带来革命性的影响。
2飞轮储能的原理
飞轮储能是利用高速旋转的飞轮将电能以动能形式储存起来。典型的飞轮储能系统的基本结构如图1所示,主要由五部分组成：飞轮转子、支撑轴承、高速电机、双向变流器、真空室。为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内以减少风阻。通常发电机和电动机使用一台电机来实现，通过轴承直接和飞轮连接在一起。
图1飞轮储能系统的基本结构
其工作原理为：系统储能时，高速电机作为电动机运行，由工频电网提供的电能经变频器驱动电机加速，电机拖动飞轮加速储能，能量以动能形式储存在旋转的飞轮体中。当飞轮达到设定的最大转速后，系统处于能量保持状态，直到接收到一个释放能量的控制信号，系统释放能量，高速旋转的飞轮利用其惯性作用拖动电机减速发电，经变流器输出适用于电网要求的电能，完成动能到电能的转换。在整个飞轮储能装置中，飞轮是其中的核心部件，它决定了整个装置的储能多少，其储存的能量为：
J为飞轮的转动惯量,与飞轮的形状和重量有关；ω为飞轮转动的角速度。
3飞轮储能的技术优势
储能技术是指，将电能通过某种装置转换成其他便于存储的能量高效存储起来，在需要时，可以将所存储的能量方便地换成所需形式能量的一种技术。储能技术主要有物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如各类蓄电池、可再生燃料电池、液流电池、超级电容器等)和电磁储能(如超导电磁储能等)。
飞轮储能是用物理方法实现电能存储,是一种高度机电一体化产品,是最有发展前途的储能技术之一。飞轮储能与其他几种典型储能方式性能比较如表1所示。飞轮储能使用寿命可达到20年以上，超过了其他几种储能方式，并且由于飞轮储能是机械储能方式，对于工作温度没有特定的要求，对于环境几乎没有影响。飞轮储能具有较大的容量密度和功率密度，维护周期长，系统稳定性强，适用于调峰调频，电能质量调节，输配电系统稳定性，UPS等场合。
表1各储能方式性能比较
在电网的调频调峰方面，飞轮储能电站与核电站，火电站等其他类型的电站相比，在爬升能力，调峰调频比率等方面有着一定的优势，如表2所示。表3显示了飞轮储能电站的调频调峰能力，1MW飞轮储能提供的调峰能力相当于2-24MW其它传统发电系统的调峰容量，30-50MW储能调峰优于100MW的燃气轮机的调峰能力。
表2各电站调峰调频性能比较
表3飞轮储能电站调频调峰能力
4飞轮储能的典型应用
飞轮储能作为一种新型的储能方式,其展现出来的控制简单、高储能密度、高效率、快响应、长寿命、低维护、绿色环保等优点是其他任何储能方式都无法比拟的。
飞轮储能的应用实例无法穷举，典型应用如下：
基于飞轮储能的调峰电厂
飞轮储能系统是在电网负荷处于低谷时,机组作为电动机拖动飞轮,将电能转换为动能,在用电高峰时,飞轮拖动机组作为发电机将动能转化为电能。飞轮储能除了能够单台应用,还可将多台飞轮并联运行,以获得更大的存储容量,作为电网中调峰、调频电厂,起到稳定电网频率、削峰填谷、平衡负荷的作用。
用于孤岛风力发电系统
风力发电系统并网运行的关键问题是如何降低风力发电的间歇性对电网电压和频率的影响，特别是在孤岛等电网较为薄弱的地方,其影响更为突出。为了解决孤岛风力发电带来的问题,采用了飞轮储能来提高电网的稳定性、减少风电有功波动对系统电压和频率的影响,并最大可能地降低柴油发电机的有功,提高经济效益。
飞轮储能在不间断电源中的应用
传统的不间断电源(UPS)用化学蓄电池作为储能单元。化学蓄电池储能密度大、价格低廉,被广泛采用,但是它需要定期维护、寿命短、充电时间长,还会给环境带来污染。由于飞轮储能系统具有高比能量、长寿命、高效率、无污染等特性,用飞轮储能系统代替化学蓄电池将成为趋势。
5国内外典型飞轮储能系统
世界上许多国家对飞轮储能技术进行了大量的研究开发和应用，包括美国、英国、德国、日本、中国等多个国家的研究所、高校和公司。
美国的BenconPower公司飞轮单机如图2所示。为了减小摩擦损耗等原因，采用了真空室形式和磁悬浮轴承。飞轮采用了高强度碳纤维复合材料。电机在储存能量时电动机运行，放电时做发电机运行。单机的高度约2.1m，直径约0.9m，旋转速度为15500r/min，额定功率为100kW，充放电能量达到25kWh，寿命超过20年，一生能量吞吐量超过4375MWh。图3为飞轮单机的安装剖面图，包括了功率控制模块、冷却系统以及安装地基，有着占地面积少，容易安装，功率面积比高等优点。
图2飞轮单机结构图图3在地基中的飞轮剖面图
到目前为止，BenconPower公司负责建设了三个飞轮储能电厂。在2008年12月，负责建设的0.5MW调峰调频电厂投入商业运行，该电厂位于马萨诸塞州的Tynsgboro。在2011年和2014年，分别在纽约州史蒂芬镇以及宾夕法尼亚州建立了20MW的电厂，商业运行至今。飞轮电厂可从电网中快速吸收电力并快速释放，吸收并释放1MW的电能仅需要15min。
图42MW系统配置图
图5BenconPower建立的三座电厂
美国的ActivePower公司主要设计制造飞轮UPS，其广泛应用于许多工业场合。飞轮UPS系统能够持续提供不间断电力供应，消除电源谐波，调频调峰，满足清洁高品质的供电需求，具有效率高，寿命长，过载能力强，环境友好，可靠性高等优点。飞轮UPS电机以及模块系统如图6所示。飞轮UPS在真空下以7700r/min的速度旋转，在满载的情况下可提供15s的供电时间。
图6飞轮UPS系统
我国在飞轮储能方面的研究起步较晚，一些科研院所与高校进行了飞轮技术的相关研究。其中，华中科技大学电气与电子工程学院在飞轮储能方面做了相关的研究和应用。在国家“985工程”建设项目的支持下，研制出10kW永磁体磁悬浮飞轮储能实验装置，如图8所示。实现了无功的灵活调节和补偿，更重要的是可以实现有功的灵活调节、存储和补偿。以这些储能装置为基础的新型电力系统稳定控制器，已经在电力系统动态模拟试验环境下进行了试验，无论在控制器的鲁棒性上还是控制效果上，都取得了比常规电力系统稳定器好得多的控制效果。
图710kW永磁体磁悬浮飞轮储能实验装置
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