飞轮储能技术及其应用详解.docx

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1、飞轮储能技术及其应用详解轮储技术是一种新兴的电能存储技术，它与超导储能技术、燃料电池储能技术等各种先进的储能技术，是近年来出现的、具有很大发展前景的储的技术，星然目前化学电池（铅欧营电池、离子蓄电池等储自技术已经发展得非常成,但是铅动营电池有污染环境的风险，涨酸铁锤营电洲的充放电次数受到一定的限制。新能源、电动汽车、UPS供电等许多行业迫切需要新型的储能技术来满足某些特殊技术要求，其中飞轮储能技术就是一种具有无限的充放电次数和绿色环保型的储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。1、飞轮储能电源系统的工作原理飞轮请能电源系统的原理如图1所示轮储能电源系统主要由以下三部分组成:飞轮

2、、电机和轴承，整个系统置于真空容器内。飞轮储能电源系统中的电机,既是电动机也是发电机。充电”时,作为电动机给飞轮加速将电能转换成机械影，放电”时作为发电机将机械能转换成电能给外部供电:在为外部供电时飞轮的转速不断下降。而当飞轮空闲运转时，飞轮储能电源系统的运行损耗非常小。飞轮旋转时，其转动动能为式中：为飞轮的转动惯量：4为飞轮旋转的角速度从式中可以看出，飞轮转动时的动能与飞彩的转动赁量）成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮的直径和飞轮的质量为得到较大的转动惯量），要采用大直径和大质量的飞轮。庞大、沉重的飞轮在高速旋转时，将会产生极大的离心力，若超过飞轮材料的极限强度，将是极不的。因此,用增大飞

3、轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是不现实的。不能用增大飞转动惯量来获得飞轮动能的增加，那么，只有通过提高飞轮的角速度来增大飞的转动惯量，当飞轮处于大气中时，飞高速转动要克服空气的阻力（摩棕力）和轴承的摩惊损耗。将飞轮系统置于真空容中，并采用超导磁悬浮技术,可以使飞轮在高速转动时耗能达到小。另一个关问题是轴承的设计和洗择，在高速转动下工作的轴承除要求轴承的摩惊损耗极小还应具有足够的承载能力，保证飞工作的可靠性和稳定性。飞轮储能技术在新能源中的应用大阳能、风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。仅以风能为例，中国风储量很大、分布面广,仅陆地上的风能情量就有约2.53亿千瓦，近几年来

4、，中国的并网风电迅速发展，截至2011年3月中旬,我国风电累计装机客量达4450万千瓦,风电建设的规模居全球之首.这也意味着中国已进入可再生原大国行列。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广调，预计未来很长一段时间都将保持高速发展。午我国风电建设规模高居然然的同时,风电并网问题却始终制约着我国风电的发展，我国风电特机密县中仍然有诉二成风电没有并网。这是由于风能随机性和间歌性的特点造成风电机组的出力频繁波动，从而风电场的出力可靠性也差,风电比重过大,会使电网的调频、调峰压力加大因此风电场大规模的并网接入对电力系统的运行带来一些新问题。光伏发电、风力发电等绿色新源自身所固有的随机性、间歌性、不可

5、控性的特点使得可再生前的原电厂不可能像其它传统电源一样制定和实施准确的发电计划，这给电网的运行调度带来巨大压力。同时,可再生能源的大规模接所带来的局部电网无功电压和频率问题、电能质量问题等等也不容忽视,会对电网调峰和系统”运行带来显著影响。研究表明，如果风电装机占装机总量的比例在10%以内,依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网*,但如果所占比例达到20%甚至更高，电网的调金能力和“运行将面临巨大挑战，储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输此能有效调节所自原发电引起的电网电压，频率及相位的变化,使大规模风电及大阳发电方便可靠地

6、并入传统电网。高速飞的储能系练可以在照间释放出大电力以稳定电网波动，可穿现对电网的调功能从而巷代水九，做气发电为电网运营商创造更可靠的供电系统。由此可见了，储自影技术能够提高电网对可再生能源的接纳能力。中国国家电网公司规定了风电场1min和IOmin的功率变化率该变化率与风电场的装机容量有关如小于30MW的风电场IOnIin*大变化量为20MW,Imin大变化量为6MW,由于飞储能电源系统可以以巨大的峰值电流极高速的充放电，将其用于克服光伏发电和风力发电所固有的随机性、间歌性、不可控性的特点对并入传统电网所带来的弊病是完全可行的。3、飞轮储能技术在电动汽车中的应用目前随着环境保护意识的提高以及

7、全球源的供需矛盾，研发环保型汽车成为当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大、充电时间短、循环寿命长的新型储能电源系统，是电动汽车与汽油车比拼的关键。而飞轮储能电源系统因具有清洁、高效、充放电快速、可无限制的充放电、不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。飞储能电源系统非常适合应用于混合电动汽车中。车辆在正第行使或刹车制动时，给飞轮储能电源系统充电;在车辆加速或爬坡时，飞轮储能电源系统放电给车辆提供动力,保证车辆运行在一种平稳、*优状态下的转速可减少燃料消耗并可以减少发动机的维护，延长发动

8、机的寿命，众朋周知在城区运行的各种车辆需要颁的刹车制动、再启动。而刹车制动的能量,却以机械磨惊的形式转化为热能消耗掉，研究证明,此能量约占车辆使用能量的30%6o如果能再利用这部分能量,则会产生巨大的经济效益轮储能电源系统除了在电动汽车中的应用以外,还可以用于电车、载重汽车、城铁、铁路交通等许多领域图2是基于三菱PLC控制的飞轮储能在电车中应用的原理示意图。通过三菱0系列PLC.CC-Link现场总线和F700变频器的控制系统,依据一定的控制算法,把电机运行时的电能转化为动能储存在飞轮的机械系统中，电机处于发电机状态时，再释放这部分能量.飞轮储能电源系统在电车中应用的工作原理可以分为三个部分来

9、说明：1此例中电车是由二相交流电供电，交流输入在变器B中经整流和逆变后驱动电机B处于电动机状态带动高速运转,此时将能转化为飞轮的动能储存起来；2）电车启动:与飞轮储能的同时,交流输入在变频器A中经整流和逆变后,驱动电机A通过传动装置驱动车轮转动，当电车运行时,控制变频器B的输出频率使电机B处于再“电状态此时飞轮储存的能量回馈到变频器的直流母线侧,再经过变频器A的逆变器将直流电转化为交流,为电车的运行提供能量,在这个过程中，需要对变频器B的输出频率进行相应的控制，使变频器的直流母线电压稳定在一定范围内；13）电车制动:在电车制动时，同样控制变频器A的输出频率将电动汽车的能量回馈到变频直流母线侧,

10、此时提高变频器B的输出频率飞轮加速将电车回馈的能量重新储存到飞轮中，从而达到节能的效果飞轮储能技术在UPS供电系统中的应用磁息浮式飞轮储能UPS引发了人们越来越多的关注。这种技术抛弃了传统UPS利用铅酸蓄电池进行储能的方式。在现代数据中心中,迅速增长的业务需求，日益增加的运营成本有限的机房空间和更高的能量密度已经成为云计算时代下数据中心及其电源管理系统建设面临的*大挑战。DC的统计数据显示电力能源成本已经成为因扰数据中心运营者的头号准题。其中,UPS、空调等周边设备的耗电量大大高于主机电量，另外酸铅营电池并非绿色环保的产品。因此配备一套智能绿色UPS供电系统成为数据中心节能环保的重中之重，传统

11、电源系统中的蓄电池需要空调制令而目24小时连续运转耗巨大，磁是浮式飞储UPS系统则无需空调，大大节省了运营成本；而且其占用的空间也大幅减小维护成本低无需更换电池:寿命长达20年。图3给出了柜式磁县浮飞轮储能型UPS的外形图。在传统UPS供电系统中，当电力发生中断时，电池会支撑系统正常运转与此同时,柴油发动机开始启动，以此保证数据中心主机正常工作、空调连续运转。蓄电池型UPS在化过程中,提供了“分钟级”的电力供电。而飞轮储能型UPS受制于机械储能,仅仅能够提供30s到Imin电力供电,这也是飞轮UPS被诟病的主要原因。然而,专家指此如今,市电电源的可靠性达到99.9%,有些重要的负载都采用双路市电供电，市电的可靠性可以说经达到了99.99%,万一市电中断,后逢电源的可靠性也可以达到99.9%,从市电到后备电源的切换在技术上只需要IOS的时间,这是一个公开的标准，目前,欧洲已经将这个时间定了8s。可以断定飞轮储能型UPS能提供30s的电力完全能够满足从市电到后备电源的可靠切换的要求,图4给出了柜式磁县浮飞轮储能型UPS的运行示意图。