唐西胜,娄彦涛,戴兴建,等/飞轮储能技术及其构网应用展望.
研究背景
随着新能源发电及电力电子设备接入电网比例的持续上升，电力系统正在经历着深刻的演变，惯量响应、快速调频调压、暂态支撑等构网需求凸显。多种新型储能技术在解决上述问题中呈现出优良的特性，飞轮储能作为一种典型的高频次、高效率、长寿命和低运行成本的短时高功率物理储能技术，在电力系统快速高频次调节的构网运行中具有广阔的应用前景。本文主要介绍飞轮储能技术的发展和应用情况，分析飞轮储能单机和阵列需要解决的关键问题，并展望了飞轮储能阵列构网运行的发展前景。
高速飞轮储能发展现状
20世纪80年代以来，经过国内外研究团队的不懈努力，飞轮储能的功率、储能量、转速等关键技术参数均不断突破。近十多年以来，多个高性能飞轮产品陆续投入应用，荷兰S4 ENERGY 公司、中国的盾石磁能公司、沈阳微控公司、华驰动能公司等推出的飞轮储能单机，其单项性能指标已达功率兆瓦、转速30 000 r/min、储能量百千瓦时以上。
然而，对于大容量飞轮储能产品，功率、能量和转速三者之间具有很强的制约性，体现了产品的技术复杂度及难度。本文基于这3个主要参量，提出飞轮储能系统的“技术强度”综合性指标，以评价不同技术路线和单项参数的飞轮储能技术产品。标幺值下技术强度如下式所示。
(1)
式中：P为飞轮额定功率；Pb为飞轮额定功率基准值；Eb为飞轮储能量基准值；n为飞轮额定转速；nb为额定转速基准值；P∗为归一化额定功率；E∗为归一化额定储能量；n∗为归一化转速。
图1中根据相关技术样机或产品的面世时间顺序，展现了技术强度水平的发展趋势。可以看出，国外的飞轮储能技术发展提升期较早，我国则在近十年内奋起直追，进步明显。另一方面，国内一些新技术产品通常在功率、储能量或转速等某个单向指标上领先，但也在其他指标上有所舍弃，本质上这是由产品不同应用场景需求决定的，也反映了产品包含的综合价值和竞争能力。
图1 飞轮储能技术产品的技术强度演化趋势
飞轮储能单机及阵列关键技术
飞轮储能单机在功率、储能量、转速等关键参数上提升的制约发展因素主要包括磁悬浮轴承、主轴振动抑制和真空下电机散热等以下几项关键技术。
1）磁悬浮轴承技术
全磁悬浮轴承理论上不产生摩擦损耗，大大延长系统寿命。常用的磁轴承主要包括永磁轴承、电磁轴承与超导磁轴承，三者在性能、功耗、成本、控制难度上各有优劣，目前的飞轮产品中大多混合使用。
2）高强度转子
为了提高飞轮的储能量，提高转速是重要的手段。但转子的最高转速会受到转子材料强度的限制，过高的线速度会引起材料内部应力破坏而引发转子碎裂，往往需要采用高强度的碳纤维、玻璃纤维及相关复合材料。
3）真空下电机散热技术
为了减小高速运行时的风摩损耗，飞轮通常真空运行，但高阻热气隙使得电机又给转子降温带来了极大困难。当前已有包括风冷、液冷及相变冷却等主动散热手段以及多种空心轴散热结构方案，但当前尚缺乏轴内流动介质适应真空环境随轴旋转的理论研究与实验验证。
4）主轴振动控制技术
由于材料本体及制造误差，转子质量分布并不完全均匀，转子微元旋转会引发不平衡振动。综合飞轮-轴承-外壳完整的精确动力学模型、多种振动激励/故障下的飞轮转子系统特性分析，以及临界转速在宽转速范围内的分布优化等振动抑制方法的研究还不够完善。
5）飞轮构网控制技术
飞轮储能具备短时、高频次和高功率的调节控制能力优势，构网控制通过模拟同步发电机的外特性，两者结合应用在加强电网运行特性和实现新能源高比例接入能够发挥关键作用。但目前飞轮储能系统中的构网型控制技术主要为理论研究，许多储能项目对于飞轮参与电网惯量响应等的构网特性也没有体现出来，还需要控制技术的发展及进一步工程应用验证。
在实际应用中，大规模飞轮储能电站往往由多台单机组成的阵列构成。飞轮阵列的集结方式和协同方式往往决定了电站的整体性能。而目前的飞轮阵列仍存在以下需要突破的关键技术。
1）阵列集结架构设计
飞轮阵列的集结方式包括电气连接方式和通信控制方式，二者共同决定了阵列的可靠性、经济性和功率输出能力。电气连接方式应与阵列规模、电网接入等级、继电保护等要素匹配；通信控制方式则与调控需求与监控管理等相关，决定现场部署便利性和运行控制快速性。
2）阵列快速响应能力
快速、高频次的动作能力是飞轮储能的固有优势，从单机到阵列，不应削减其快速响应的竞争力。飞轮储能阵列的响应快速性能受任务决策、系统通信、装置动作等环节影响，若要达成快速响应目标，还需要在以上技术点展开更深入的理论研究与工程实践验证。
3）阵列协同控制技术
飞轮阵列构网运行时，往往需要协同稳态运行时的惯量响应、调频调压的多运行目标，故障时还需要提供短路电流等暂态支撑；同时，电力系统频率和电压变化这一连续时序过程中，不同时序阶段的支撑需求存在差异，不同机组的输出特性存在差异，因此需要研究解决支撑多时间尺度、多应用目标的阵列协同方法。
4）阵列能量优化管理方法
如何实现阵列整体能效优化，是阵列能量管理的核心问题。指令均分法虽然简单，但没有考虑到阵列损耗，尤其针对永磁同步电机飞轮，通过主动待机可以减少涡流损耗。此外，飞轮阵列运行中各单机在转速、转子温升、振动量等亦有差异，通过差异化指令分配有利于各飞轮单机趋优运行，从而保障阵列整体性能的发挥。
飞轮储能构网运行展望
飞轮储能更能适应短时高频次的快速调节支撑需求的特点，使其在构网应用场景中更有竞争优势，具备良好的发展潜力，也存在诸多技术挑战。
1）飞轮储能的暂态构网特性仍需要提升
目前的新能源发电设备或新型储能的构网运行控制，大多以稳态的频率和电压支撑能力提升为主，但要比拟常规同步发电机组的构网效果，暂态响应能力不可或缺，尤其是对系统故障时的短路电流贡献度，是解决目前新能源规模化接入下系统短路比不足的关键。
2）构网型飞轮阵列的控制与性能评估
飞轮阵列构网能力的提升需要更高的响应速度和一致性，尤其是惯量响应和暂态支撑方面。针对构网应用，相较于常规的飞轮阵列要求会更高。上述性能的表征与测试评估也是亟须研究的内容。
3）同步电机直接并网的差速飞轮新体系值得研究
兼顾飞轮稳态调节能力和暂态支撑能力的同步电机为并网接口的飞轮储能方式值得探索，类似的研究如新型惯量调相机，通过增加常规调相机的机械惯量，提升系统静态稳定性与暂态支撑能力。但这种设计下高速转子与同步电机大范围差速运行下的融合结构与控制等问题需要解决。
总的来说，面向新型电力系统的构网运行需求，飞轮储能系统及其阵列具有良好的技术经济性优势。同时，为了使飞轮储能技术能够适应新型电力系统的复杂应用场景，在构网应用中更具竞争力，中国“十四五”重点研发计划项目中提出研发先进飞轮储能单机功率≥1.2 MW，储能量≥150 MJ，转速≥10 000 r/min，其技术强度指标评估接近于4，这将是在考虑多种约束下迭代出的非常有竞争力的技术产品。
/ 引文信息
唐西胜,娄彦涛,戴兴建,等.飞轮储能技术及其构网应用展望[J/OL].电力系统自动化[2024-11-07].http://doi.org/10.7500/AEPS20240424010.
TANG Xisheng, LOU Yantao, DAI Xingjian, et al. Flywheel Energy Storage Technology and Prospect of Its Grid-forming Application[J/OL]. Automation of Electric Power Systems[2024-11-07].http://doi.org/10.7500/AEPS20240424010.
主要作者简介
Introduction to the Authors
博士，研究员，博士生导师，主要研究方向：电力系统稳定与控制、电力储能与应用。
硕士，正高级工程师，主要研究方向：高压直流输电系统研究，大功率电力电子装备研制。
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