飛輪儲能

飛輪儲能技術是一種新興電能存儲技術，透過在低摩擦環境中高速旋轉的轉子來存儲動能。飛輪儲能可以實現電能與飛輪轉子動能的轉化。當釋放能量時，通過驅動發電機工作，降低飛輪轉子轉速轉換成電能；當儲存能量時，通過電機使得飛輪轉子升速，將電能轉換成飛輪轉子的動能。飛輪的響應速度在毫秒級，充放電效率高，環境友好無污染，運行壽命長，全壽命周期成本低，在調頻領域具有得天獨厚的優勢

飛輪儲能系統一般包含飛輪轉子、永磁同步電機、逆變器、軸承以及真空室等主要部件

(1) 飛輪轉子：飛輪轉子是飛輪儲能系統的儲能媒介，飛輪轉子的特性關系著飛輪儲能系統的儲能量。

(2) 永磁同步電機：永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)結構簡單，調速范圍廣，空載損耗小，功率密度高，是目前飛輪儲能系統的常用電機。飛輪儲能系統利用同步電機實現機械能與電能的相互轉換，充電時通過永磁同步電機將電能轉化為機械能儲存起來，放電時再通過永磁同步電機將機械能轉化電能釋放出去。

電池或超級電容系統只需通過控制變流器就能實現儲能系統的充放電，而飛輪儲能系統需要通過控制永磁同步電機驅動飛輪轉子才能實現充放電，對永磁同步電機的控制會影響儲能系統整體的工作效率和功率輸出能力。因此，不同于其他的儲能系統，對飛輪儲能系統的控制必須考慮永磁同步電機的控制策略。

(3)逆變器：飛輪儲能系統逆變器包括雙向DC-AC變流器與控制器。雙向DC-AC變換器作為儲能系統與牽引供電系統的能量交換裝置，通過控制器合理的控制其開關脈沖即可控制永磁同步電機，實現飛輪儲能系統的充放電控制。飛輪儲能系統逆變器的拓撲如圖

(4)軸承：軸承支撐系統為飛輪轉子提供了支撐，是飛輪儲能系統的重要組成部分。目前常見的軸承形式包括機械軸承和磁軸承，其中機械軸支撐強度高，安裝簡單，但存在能耗大，維護頻繁，使用壽命短的缺點，已逐漸無法滿足當下大轉速、高效率飛輪儲能系統的需求。磁軸承采用磁懸浮的方式，使飛輪轉子懸浮于真空室，不存在機械摩擦，有效提高了系統效率，無需定期維護，使用壽命長，是飛輪儲能系統的理想支撐方式。

(5)真空室：為進一步降低飛輪儲能系統的功率損耗，可以將飛輪轉子、電機以及軸承都放到真空環境中運行。真空室技術為飛輪儲能系統提供了一個低風阻的運行環境，提高了的系統效率和可靠性^[1]。

(1)儲能密度高，瞬時功率大。在短時間內可以輸出更大的能量，有利于電磁炮的發射和車輛的快速啟動。

(2)壽命周期長。在整個壽命周期內，不會因為過充電或過放電而影響儲能密度和使用壽命，而且飛輪也不會受到損害。其壽命主要取決于飛輪電池中電子元器件的壽命，一般可長達20年左右。

(3)容易測量放電深度和剩余“電量”。

(4)充電時間短：一般幾分鐘內就可以將電量充滿。

(5)能量轉換效率高：一般可達90%左右，這意味著有更多可利用的能量、更少的熱耗散，高于化學電池的轉換效率。

(6) 綠色環保，無污染。

飛輪儲能系統適用于電力系統調頻、風電等間歇式新能源發電、不間斷電源(UPS)、軌道交通制動能量回收、脈沖功率電源等領域，目前在國外已有應用案例。

(1)電力系統調頻：飛輪儲能具有瞬間功率大的特點，可使電力系統頻率的變動保持在允許偏差范圍內而對發電機組有功出力進行的調整。2011年美國Beacon Power公司在紐約Stephen town鎮建成第一座20MW/5MWh飛輪儲能調頻電站。

(2)風電等間歇式新能源發電：風力發電具有間歇性、隨機性，會導致系統的穩定性問題。飛輪儲能系統可以與風力發電等間歇式新能源相配合來供電，可以避免柴油發電機的頻繁起停，提高風電滲透率，降低發電成本與電價。飛輪儲能在葡萄牙亞速爾群島已有相關應用。

(3)不間斷電源：當外部電網中斷或供電質量異常時，為確保這些用戶連續可靠供電，可配備飛輪儲能不間斷電源。美國Active Power公司生產的飛輪儲能UPS產品已經數據中心、電信運營商等領域采用

(4)軌道交通：將機車進站減速時的制動能量存儲到飛輪儲能系統中，在機車提速駛出時飛輪儲能釋放所存儲的能量，實現制動能量再利用。美國紐約地鐵已可采用飛輪儲能，實現機車制動能量的再利用。

(5)脈沖功率電源：脈沖功率技術是將能量儲存起來以后，再瞬間以脈沖大功率釋放的技術，在高科技領域及國防軍事上應用較多。德國IPP研究所的托卡馬克裝置可采用飛輪儲能作為脈沖功率電源^[2]。

國外參與飛輪儲能主要企業包括：Beacon Power、VYCON、Temporal Power、Active Power、Amber Kinetics、Quantum Energy。國內飛輪儲能市場，處于起步階段，早期從事飛輪儲能技術研發的單位有：北京飛輪儲能(柔性)研究所、核工業理化工程研究院、中科院電工研究所、清華大學、華北電力大學、北京航空航天大學等?，F階段飛輪儲能公司主要有以下幾個

(1)華陽股份：兩套600千瓦全磁懸浮飛輪儲能系統在華陽集團飛輪儲能項目生產基地于2021年8月成功下線，將用于深圳城市軌道交通。

(2)國機重裝：旗下二重裝備成立了二重德陽儲能科技有限公司，自2020年開始飛輪儲能裝置項目上線運行。公司自主研發的10OKW、200KW飛輪儲能裝置，具有儲能密度大，效率高成本低，使用壽命長等優勢，在國內同行業中處于領先地位。公司具備制造高端鍛鑄件優勢。

(3)廣大特材：已成功開發了飛輪儲能轉子產品，已裝機運行。

(4)蘇交科：子公司交科能源已有基于飛輪儲能的通用能量回收整套系統，并為飛輪儲能數個專利持有方。

(5)湘電股份：所屬子公司湘電動力有限公司與其他單位聯合研制中國首臺套1兆瓦飛輪儲能裝置在青島地鐵3號線萬年泉路站完成安裝調試并順利并網應用。產品擁有完全自主知識產權。

(6)泓慧能源：公司致力于完全自主知識產權的大功率真空磁懸浮飛輪儲能的研發、生產、銷售和服務。

(7)坎德拉(深圳)新能源科技有限公司：公司定位以磁懸浮飛輪儲能技術為核心的飛輪儲能產品設備供應商和儲能系統集成商。

(8)微控新能源技術有限公司：公司掌握了全球領先的全磁懸浮軸承及控制技術、飛輪材料及工藝技術、高速電機技術、大功率電力電子變換、安全防護等核心技術，擁有國內/國際發明專利四十余項。微控公司是遼寧省主動磁懸浮技術應用工程研究中心依托單位，承擔了遼寧省、深圳市重大科技專項研發項目，我國飛輪儲能標準制定企業。2022年2月28日獲一筆來自交投潤達的股權融資

(9)貝肯新能源：從事先進儲能技術的全球化高新技術企業，致力于提供成熟可靠的超大功率飛輪儲能電網調節技術。

(10)盾石磁能：GTR飛輪儲能裝置在城市軌道交通應用項目在軌道交通領域達到國際先進水平。公司具有高速磁懸浮電機及控制核心技術，消化吸收歐洲較大鈾濃縮公司Urenco的技術，具有高速磁懸浮電機及控制核心技術，與國內中科院電工所、華中科技大學、上海交通大學等單位合作開發，專門用于軌道交通的GTR333型符合永磁碳纖維轉子飛輪成功用于洛杉磯地鐵、北京地鐵。

(11)中核匯能有限公司：中核匯能是一家新能源開發運營商，專注于新能源產業開發建設及運營，主要涉及風電、光伏、地熱、氫能等可再生能源服務。

(12)恩斯特：一家同時掌握電磁懇浮和超導磁懇浮飛輪儲能技術，裝備制造及系統方案捉供商。團隊掌握各核心部件(飛輪材料、電機、磁軸承、電機控制器、磁軸承控制器等)全鏈條自主知識產權。實現飛輪儲能關鍵技術的自主可控。是國內擁有秒級、分鐘級、小時級全應用場景飛輪儲能系統解決方案的高科技新創企業^[3]。

飛輪儲能技術自20世紀中葉開始發展，至今已經有超過50年的研究、開發和應用歷史。目前全球飛輪儲能技術的研發力量主要集中在美國、歐洲和日本，在飛輪技術基礎應用研究、關鍵技術、制造工藝、產品產業化開發與市場運作等方面，美歐日都遠遠領先于其他國家，全球研發格局一度呈現出三足鼎立的局面。目前，隨著其他國家對儲能技術的重視和大力投入，多極化趨勢日益明顯。

美國：目前，美國在飛輪儲能技術研究方面居于全球領先地位，這主要得益于DOE和NASA等機構從上世紀70年代以來的長期投入和近10多年資本市場的持續支持。在商用飛輪市場，具有代表性的企業主要包括專注于電網級應用的BeaconPower公司、專注于企業級UPS應用的ActivePower公司、專注于大功率應用的AFSTrinityPower公司和專注于城市輕軌動能再生的Pentadyne公司(已重組)等。

歐洲：在眾多歐洲國家中，德國和英國對飛輪儲能技術的研究最為深入，另外法國、意大利等國也有較大的投入。日本：日本在高強度碳纖維材料、高溫超導材料等方面具有雄厚的技術實力，為飛輪儲能技術的發展提供了有利條件。

在國內，中國科學院電工研究所率先投入研究，開拓了國內飛輪儲能領域的先河。國內從事飛輪儲能技術研究的機構有清華大學、北京航天航空大學、華北電力大學、哈爾濱工業大學、天津大學、浙江大學、西南交通大學等高校，此外唐山盾石磁能科技、北京泓慧能源、沈陽微控、二重德陽儲能和航天803所等研制出了適用于不同領域的飛輪儲能產品。

中國科學院電工研究所主要進行了關于飛輪儲能磁懸浮軸承方面的研究分析，研究飛輪儲能用于改善微電網電能質量；清華大學研制出了0.5kWh、0.3kWh飛輪儲能系統，1kWh/20kW飛輪儲能樣機，并在微損耗磁懸浮軸承、高密度復合材料飛輪轉子和試驗樣機方面取得了一定的成果；華北電力大學研制出了永磁流體動壓混合支承飛輪儲能系統，轉速約10000r/min，在應用于可再生能源并網、輔助常規機組調頻方面進行了研究，通過理論研究與仿真分析進行驗證

參考來源：

[1]李進.城軌交通地面飛輪儲能系統控制策略研究[D].北京交通大學，2021.

[2]華陽股份：從無煙煤龍頭到鈉電池材料龍頭-220714(39頁).pdf

[3]中國儲能行業：東風將至快速上行賽道潛力巨大-220627（23頁）.pdf

飛輪儲能相關報告：

儲能行業深度報告：聚勢前行如日方升開啟萬億藍海新篇章-210811（95頁）.pdf

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