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能量储存技术是一个世界性的研究课题，为了更有效地利用现有的能源就需要发展先进节能技术和储能技术。
长期以来，电能的储存一般采用化学蓄电池，而近十几年，飞轮储能技术得到了迅速的发展。
由于其具有使用寿命长、功率密度高、储能密度大、基本不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境无危害等优点，比使用蓄电池储能具有更大的优越性。
飞轮储能技术在电网调峰、电动汽车、航空航天、不间断供电备用电源UPS等诸多领域都有广泛的应用前景。
近年来，与飞轮储能技术密切相关的三项技术取得了重要突破；一是磁悬浮技术的研究进展很快，磁悬浮配合真空技术，可把轴系的摩擦损耗和风损降低到人们所期望的限度；二是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，允许飞轮边缘速度达到l 000 m／s以上，大大增加了单位质量的动能储存量；三是现代电力电子技术的发展给飞轮电机与配电网系统之间的能量交换提供了灵活的桥梁。
这三项技术的新进展，使飞轮储能技术取得了突破性的进展，并在许多领域中获得成功应用，其潜在价值和优越性逐渐体现出来。
在实际应用中，经常要使飞轮储能系统运行于发电运行状态单独给负荷供电，如飞轮储能系统应用于太阳能发电时，需要在无光照的条件下独立向负荷供电，而当飞轮储能系统用作UPS时，需要在电网供电中断或供电不正常的情况下独立向重要负荷供电。
然而，由于电机运行于发电状态时，其绕组电动势的大小与飞轮的转速成正比，而飞轮转速会随着电能的释放而逐渐降低，这样将不能满足向负荷供电的要求。
负荷的波动也会引起电机定子绕组端电压的变化。
因此，有必要设计合理的电路和控制方法使飞轮储能系统发出的电能能够满足负荷的要求。
在合理选择飞轮电机的基础上，设计了飞轮储能系统运行于减速发电状态并向负荷供电时的主电路结构，建立了飞轮储能系统的数学模型，重点对如何实现飞轮储能系统对负荷恒电压供电的控制策略进行了研究。
飞轮储能系统的构成飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。
飞轮储能关键技术及其发展现状一、本文概述飞轮储能技术，作为一种高效、环保的储能方式，近年来在全球范围内引起了广泛关注。
本文旨在全面解析飞轮储能的关键技术及其发展现状。
我们将深入探讨飞轮储能的基本原理、关键技术要素、应用领域以及当前的发展状况，同时展望其未来的发展趋势。
通过对飞轮储能技术的系统研究，我们期望能够为相关领域的研究者、从业者以及投资者提供有价值的参考信息，推动飞轮储能技术的进一步发展与应用。
文章将首先概述飞轮储能技术的基本概念和工作原理，为读者建立基础理解。
随后，将重点分析飞轮储能技术的关键技术，包括飞轮设计、材料选择、能量转换与存储等方面，揭示这些技术在推动飞轮储能技术发展中的核心作用。
紧接着，文章将讨论飞轮储能技术在不同领域的应用现状，如电力储能、轨道交通、航空航天等，展示其广泛的应用前景。
我们将对飞轮储能技术的发展趋势进行展望，分析当前面临的挑战与机遇，并提出相应的建议与策略。
通过本文的阐述，我们期望能够加深读者对飞轮储能技术的认识，为推动该技术的创新与发展贡献力量。
二、飞轮储能关键技术飞轮储能技术是一种利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的储能技术。
其关键技术主要包括飞轮设计、轴承技术、真空技术、磁悬浮技术、能量转换与控制技术等。
飞轮设计是飞轮储能技术的核心，它直接决定了储能密度和储能效率。
飞轮设计需要解决的关键问题包括飞轮材料的选择、飞轮形状的优化、飞轮强度的保证以及飞轮转动的稳定性等。
目前，常用的飞轮材料包括高强度钢、碳纤维复合材料等，而飞轮形状则多为圆柱形或盘形。
轴承技术是飞轮储能技术中的重要环节，它决定了飞轮转动的平稳性和效率。
飞轮轴承需要承受高速旋转带来的巨大离心力，同时还需要保证飞轮的转动精度和稳定性。
目前，常用的轴承技术包括滚动轴承和磁悬浮轴承，其中磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、低噪音等优点，因此在飞轮储能技术中得到了广泛应用。
为了减小空气阻力，提高飞轮储能效率，飞轮储能系统需要在高真空环境下运行。
飞轮储能技术及其在石油工程上的应用概述说明以及解释1. 引言1.1 概述飞轮储能技术是一种利用高速旋转飞轮来存储和释放能量的先进技术。
随着石油工程领域对能源存储和利用效率的要求不断提高，飞轮储能技术逐渐引起了人们的关注。
本文旨在介绍和探讨飞轮储能技术在石油工程上的应用潜力以及相关的优势和局限性。
1.2 文章结构本文分为五个主要部分：引言、飞轮储能技术概述、石油工程中的能量储存需求和挑战、飞轮储能技术在石油工程中的优势和局限性分析以及结论。
每个部分将详细说明相关内容，并通过案例和数据进行支撑，以全面阐述该领域的发展现状和未来前景。
1.3 目的本文旨在通过对飞轮储能技术及其在石油工程中应用的详细概述，帮助读者深入了解该技术背后原理与机制，并准确评估其在解决石油钻井过程中能量浪费问题上的潜力。
同时，我们将分析飞轮储能技术在应用过程中所面临的挑战和局限性，并提供相应的解决措施和发展方向，以期为相关研究者和从业人员提供相关参考和借鉴。
以上是“1. 引言”部分的内容介绍。
2. 飞轮储能技术概述2.1 飞轮储能技术原理飞轮储能技术是一种通过将机械能转化为旋转动能，并将其存储在旋转的金属轴上的方法。
它基于动力学原理，利用高速旋转的金属轴来存储和释放机械能。
当外部力使飞轮旋转时，它会获得机械能；而当需要释放能量时，它会逆向作用，将存储的机械能转化为有用的功。
2.2 飞轮储能系统组成与工作原理飞轮储能系统通常由以下几个组件构成：主要是由一个强大的电机驱动的大质量金属或复合材料制成的飞轮、驱动系统、控制系统和发电机组成。
该系统通过直接连接到驱动系统，经过电动机提供动力以加速飞轮达到目标运行速度，并将多余的功率通过发电机回馈到电网中。
在工作过程中，电动机向飞轮传递驱动力使其开始加速旋转。
一旦达到设计速度，控制系统便可以确保飞轮保持恒定的旋转速度。
当有能量需求时，系统可以通过切断电动机的供电来释放能量。
这时飞轮便会逆向作用，通过自身惯性继续提供功率。
飞轮在机械工程中的应用摘要：飞轮是机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器，是人类对机械和能量认知的产物。
当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。
飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波动。
装在发动机曲轴后端，具有转动惯性，它的作用是将发动机能量储存起来，克服其他部件的阻力，使曲轴均匀旋转；通过安装在飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动连接起来；与起动机接合，便于发动机起动。
由于飞轮结构比较简单使用效果好，所以飞轮应用范围越来越广。
关键词：转动惯量能量储存动能动量引言：飞轮作为一种能量储存器，在机械领域有着不可磨灭的作用，各种各样的机械中都可以见到飞轮的身影，所以要想更深刻的学习机械了解机械，我们必须要更加深刻的认识飞轮。
飞轮技术在我国仍处在研发阶段，而国际发达国家已有几十年的发展历史，在诸多领域获得应用，如F1赛车能量回收、轨道牵引能量回收、微电网调压及并网，超低温余热回收利用、应急电源、高速离心风机等。
1 飞轮的结构特点1.1 分述一飞轮是安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器。
当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。
飞轮可以用来减少机械运转过程的速度波动。
具有适当转动惯量、起贮存和释放动能作用的转动构件，常见于机器、汽车、自行车等，具有较大转动惯量的轮状蓄能器。
1.2飞轮是一个质量较大的铸铁惯性圆盘，它贮蓄能量，供给非作功行程的需求，带动整个曲连杆结构越过上、下止点，保证发动机曲轴旋转的惯性旋转的均匀性和输出扭矩的均匀性，借助于本身旋转的惯性力，帮助克服起动时气缸中的压缩阻力和维持短期超载时发动机的继续运转。
多缸发动机的飞轮应与曲轴一起进行动平衡，否则在旋转时因质量不平衡而产生的离心力将引起发动机振动，并加速主轴承的磨损。
为了在拆装时不破坏它们的平衡状态，飞轮与曲轴之间应有严格的相对位置，用定位销或不对称布置螺栓予以保证。
飞轮物理储能系统分析及应用随着人们生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，随着储能技术日趋成熟和成本快速下降，中国储能产业快速发展，逐步从研发示范向商业化阶段过渡，但整体来看储能产业还处于发展初期阶段，仍存在发展前景不明晰、技术标准不完善、商业模式和市场机制不清晰等问题。
从发展规模、技术经济性、产业链等方面总结中国储能发展现状，基于“源-网-荷-储”协调规划理论，从宏观层面展望新能源大规模发展形势下中长期储能发展前景，研究储能在电力系统中的合理运行方式、与新能源消纳关系等重要问题;从微观层面对储能在电源侧、电网侧和用户侧等场景的应用关键问题及发展对策进行分析，并提出相关建议，为推动中国储能产业健康发展提供参考。
标签：飞轮储能系统;交流侧储能;直流侧储能;储能前景分析1、引言通过对相关一系列储能技术进行分析和研究，就能对我国电力系统在实际运行过程中的状况进行全面的了解。
通过运用新能源，能科学有效的处理能源大规模缺乏这一问题。
在对系统自身稳定性进行加强的基础上，还能对其全面性给予保证，进一步提高功率在波动过程中的指令，加强电能质量，对出现的问题进行科学处理。
现阶段无论是储能系统的前期规划，还是中期进行推动的过程，都能加强经济性，对资源配置进行不断优化的基础上，还能保证不同场合的储能系统都能得到科学有效的运用。
2、飞轮物理储能系统简介飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理的方式实现储能，通过电动机/发电机互逆式双向电机，实现电能与高速旋转的飞轮的机械动能之间的相互转换与存储，并通过电力电子设备实现与不同系统之间的接入与控制。
当充电时，采用电动机工作模式，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电动机带动飞轮加速旋转，将电能转变为机械能存储，完成充电过程;当放电时，采用发电机工作模式，利用发电机将飞轮高速旋转的动能转变为电能，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成放电过程。
飞轮储能应用案例
嘿，朋友们！今天来给你们讲讲超级厉害的飞轮储能应用案例啊！
想象一下，飞轮储能就像是一个超级能量小宇宙！比如说在医院里，要是突然停电了，那可不得了啊！但有了飞轮储能，就像有了个坚强的后盾。
还记得上次我们医院的一次紧急停电吗？那些医疗设备瞬间都面临熄火的风险，这多吓人啊！可是，飞轮储能这时就像个超级英雄，迅速提供能量，保证各种设备继续运行，病人的治疗也没有受到影响。
还有啊，在那些大型的数据中心，飞轮储能也是大显身手呢！就如同在一场信息的赛跑中，它始终跑在最前面，给数据中心提供稳定的电力支持。
有一回数据中心遇到电力波动，要不是飞轮储能及时发挥作用，那得有多少数据丢失啊，后果简直不堪设想！
再说交通领域，地铁大家都坐过吧！地铁的运行也离不开飞轮储能哦。
它就好像是地铁的能量伙伴，随时准备着给予力量。
在某个地铁站，曾经出现过短暂的供电问题，这不，飞轮储能立马行动起来，确保地铁能够正常运行，没有耽误大家的出行。
飞轮储能的应用真的是无处不在啊！它就像是我们生活中的隐形守护者，默默地保障着一切的正常运转。
我们真的应该好好感谢这些科技的力量，没有它们，我们的生活可不会这么一帆风顺呢！
所以啊，飞轮储能真的是太重要了，我们可不能小瞧它的作用！它就如
同我们生活中的一盏明灯，照亮着我们前进的道路！。
飞轮储能在电网调频中的工程应用
全球商业化单体容量最大的
储能飞轮生产、研发及工程应用解决方案
报告内容我国电网调频的技术现状飞轮储能电网调频技术飞轮储能电网调频工程应用贝肯新能源技术优势
电网调频的必要性
u提高电能质量是电网的主要任务
l任何时刻，发电供电负荷需保持平衡，频率需保持一定值；
l电网频率偏差～供应与需求间的不平衡
l频率偏差对用户设备、发电厂设备、经济及社会活动都将产生不
利影响。
u随着大规模新能源比例的提高，系统惯量降低，系统频
着调频能力不足的挑战；
u急需优质的调频资源（储能）参与电网，维持电网的
安全与稳定。
2 我国电网调频的技术现状
u调频市场需求大
u目前：
（ 1）水电、抽水蓄能等优质调频容量缺乏：【2018年底, 水电装机达到总容量将达3.66亿千瓦，占约
20%，但受季节性影响；
抽水蓄能占总装机容量的1.6%，存在着建设周期长
（6-7年），选址及成本疏导的问题。
】
（2）供热、空冷机组等调频能力不足；
（3）主要依靠火电机组实现电网调频，存在着：。
飞轮储能技术及应用汤双清㊀著华中科技大学出版社内容提要本书是以作者多年来从事飞轮储能技术的研究成果,经过整理加工而成的㊂主要介绍了飞轮储能系统的发展历史与现状㊁飞轮电池的主要部件和一些关键技术㊂重点介绍了永磁磁力轴承悬浮力和刚度的计算理论㊁电动磁力轴承的原理和设计计算理论㊁飞轮电池能量转换理论以及飞轮储能系统在分布式发电系统中的应用㊂本书可作为科研院所和高等学校从事飞轮相关技术研究与开发的工程技术人员的参考书,也可作为从事磁力轴承和电机控制方面研究与开发的工程技术人员的参考书㊂作者简介汤双清,男,1962年7月出生于湖北孝感㊂1984年本科毕业于原葛洲坝水电工程学院机械工程系,1989年2月硕士毕业于东南大学机械工程系,1999年9月至2000年2月在法国瓦朗谢纳大学做访问学者,2004年2月博士毕业于华中科技大学机械科学与工程学院㊂现为三峡大学教授,中国机械工程学会会员,湖北省机械工程学会青年分会常务理事兼副秘书长,湖北省金工教学委员会常务理事,湖北省机械原理教学委员会常务理事,三峡大学 151 人才学术带头人㊂主要从事机械设计及理论方面的教学与科研工作,在机器人机构学和人工智能㊁计算机集成制造㊁加工过程数控㊁机电系统动态设计理论与方法㊁磁悬浮轴承及飞轮储能技术等领域有所成就㊂主持研究的课题及项目主要有: 工业机器人动力学参数识别 ㊁ 工业机器人的远㊁近程控制 ㊁ 新型磁力轴承悬浮机理研究 ㊁ 飞轮电池磁悬浮支承系统研究 ㊁ 超细长轴加工方案及制造设备研究 等项目㊂参与国家级研究项目有:国家自然科学基金3项,国家 九五 攀登计划项目子课题1项㊂在国内外刊物上发表论文近50篇,EI检索收录8篇㊂前㊀㊀言飞轮储能既是一个古老的话题,也是一个当今比较热门的话题㊂随着社会的进步和经济的发展,人类对能源的需求与日俱增;能源危机已经初现端倪,它将严重制约人类社会的飞速发展,甚至可能危及人类的生存㊂尽管采用飞轮储能技术并不能增加能源的供给,但它可以扩充能源的供应源,使原来不能直接应用的能源变得可以间接利用,从而可以从根本上缓解能源供应紧张的局面㊂此外,采用飞轮储能技术还可以改善电力供应质量,避免或减缓用电高峰拉闸限电的弊端,进而提高人们的生活质量㊂飞轮储能技术应用十分广泛,涉及卫星和空间站上的后备电源,多种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS),电动汽车㊁分布式发电㊁运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,电网负载调节㊁脉冲动力设备等㊂飞轮储能技术涉及多种学科与技术,主要包括:机械科学㊁电气科学㊁磁学㊁控制科学和材料科学等多学科,以及复合材料的成型与制造技术㊁高矫顽力稀土永磁材料技术㊁磁悬浮技术㊁传感技术㊁用于VVVF (变压变频)的电力电子技术㊁高速双向电动机/发电机技术等关键技术㊂为了让更多的读者了解飞轮储能技术,为努力营造一个节约型的和谐社会尽微薄之力,作者将近年来研究的成果经过整理和加工编写成这本专著,供从事飞轮储能研究与开发的工程技术人员参考㊂限于作者的水平,书中难免有错误和不妥之处,敬请读者批评指正㊂著㊀者序能源工业是现代文明的支柱之一,是工业发展的主体,也是国民经济持续发展的基础,缺少能源,社会将很难发展,没有能源,人类将无法生存㊂中国‘能源发展 十一五 规划“日前公布㊂规划指出, 十一五 时期我国能源建设的总体安排是:有序发展煤炭;加快开发石油天然气;在保护环境和做好移民工作的前提下积极开发水电,优化发展火电,推进核电建设;大力发展可再生能源㊂适度加快 三西 煤炭㊁中西部和海域油气㊁西南水电资源的勘探开发,增加能源基地输出能力;优化开发东部煤炭和陆上油气资源,稳定生产能力,缓解能源运输压力㊂十一五 期间,我国将重点建设五大能源工程:能源基地建设工程㊁能源储运工程㊁石油替代工程㊁可再生能源产业化工程㊁新农村能源工程㊂飞轮储能作为一种储能技术,早在蒸汽时代就有所应用,但直到20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究,那时才真正将飞轮作为一种单独的储能装置,而不是早期仅用于机器速度波动的调节㊂之后,对飞轮储能的研究如雨后春笋,方兴未艾㊂飞轮储能系统也称飞轮电池,与化学电池相比,它的优点主要体现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油还高,因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命只取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,因此较长,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~95%,这意味着有更多可利用的能量,更少的热耗散,而化学电池最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产天㊁国防㊁汽车工业㊁电力产业㊁医疗和通信等在内的多个行业与领域㊂因此,研究与开发飞轮电池的市场前景广阔㊂飞轮电池虽说不能 制造 能量,但它可以将零星的能量积聚起来使用,或将多余的能量储存起来在需要时再使用,而且还具备携带性,是一种储能更大的动力源,它的广泛使用将会引起电力工业的一场革命㊂本书是作者多年来对飞轮储能技术研究的一种总结与提炼,难免还有一些没有考虑周全的地方㊂因此,希望这本书的问世能得到同行专家和广大读者的帮助㊁批评与指正㊂2007年9月目㊀㊀录第1章㊀绪论(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.1㊀引言(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域(2)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理(2)………………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.2㊀飞轮电池的应用领域(4)……………………………………………㊀㊀1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况(5)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.1㊀磁力轴承研究现状(6)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.2㊀飞轮研究现状(10)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.3㊀飞轮电池辅件分析(14)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.4㊀飞轮电池其他研究热点(16)…………………………………………㊀㊀1.4㊀飞轮储能技术的发展机遇和展望(17)………………………………㊀㊀1.5㊀本书各章简介(18)……………………………………………………第2章㊀飞轮电池转子的支承、驱动和控制方案(20)………………………………㊀㊀2.1㊀飞轮电池系统结构方案(21)…………………………………………㊀㊀2.2㊀组合磁悬浮支承系统方案的拟定(22)………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.1㊀支承飞轮转子的磁力轴承(22)………………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.2㊀组合磁悬浮的支承系统方案(23)……………………………………㊀㊀2.3㊀集成式电动机/发电机的选型分析(24)………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.1㊀飞轮电池所用电机(24)………………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.2㊀永磁同步电机数学模型(27)…………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.3㊀永磁同步电机的控制策略(29)………………………………………㊀㊀2.4㊀电动机/发电机的控制方案拟定(31)…………………………………㊀㊀本章小结(32)…………………………………………………………………第3章㊀电动磁力轴承的悬浮机理(34)…………………………………………㊀㊀3.3㊀转子的磁力分析(38)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.1㊀导体环1所受电磁力分析(39)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.2㊀导体环i 所受电磁力分析(40)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.3㊀转子的受力分析(40)………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.4㊀最优的导体环数的确定(41)…………………………………………㊀㊀3.4㊀电动磁力轴承的稳定性分析(42)……………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.1㊀转子稳定运转条件的建立(42)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.2㊀系统稳定运转的最低速度和临界阻尼的确定(46)……………………㊀㊀3.5㊀阻尼系统的设计(46)…………………………………………………㊀㊀3.6㊀电动磁力轴承的可行性和特性分析(48)……………………………㊀㊀3.7㊀设计实例(50)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(51)…………………………………………………………………第4章㊀永磁体空间磁场的计算方法(53)………………………………………㊀㊀4.1㊀引言(53)………………………………………………………………㊀㊀4.2㊀磁化磁体的物理计算模型(54)………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.1㊀Maxwell 方程组及交界面条件(54)……………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.2㊀等效磁荷模型(56)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.3㊀等效电流模型(59)…………………………………………………㊀㊀4.3㊀永磁体周围空间磁场计算的数值方法(60)…………………………㊀㊀㊀㊀4.3.1㊀稳恒电磁场问题的统一表示形式和对应的变分方程(61)……………㊀㊀㊀㊀4.3.2㊀等效磁荷模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.3㊀等效电流模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.4㊀变分问题的有限元法(63)……………………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.5㊀轴对称问题的有限元格式(65)………………………………………㊀㊀4.4㊀圆柱形永磁体空间磁场的计算实例(67)……………………………㊀㊀㊀㊀4.4.1㊀永磁体及周围空间求解域的几何建模与网格划分(68)………………㊀㊀㊀㊀4.4.2㊀对整个求解域的求解(68)……………………………………………㊀㊀本章小结(70)…………………………………………………………………第5章㊀永磁轴承构形综合及其磁力和刚度的计算方法(72)…………………㊃2㊃飞轮储能技术及应用㊀㊀5.3㊀永磁轴承悬浮力的计算理论(76)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.1㊀重要的数学关系推导(76)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.2㊀Maxwell 应力张量及其磁力计算公式(77)……………………………㊀㊀㊀㊀5.3.3㊀虚功原理对应的磁力计算公式(79)…………………………………㊀㊀5.4㊀磁力计算的数值方法(80)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.1㊀Maxwell 力对应的数值方法(80)………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.2㊀虚功力对应的有限元法(81)…………………………………………㊀㊀5.5㊀磁力轴承刚度计算的有限元法(84)…………………………………㊀㊀5.6㊀永磁轴承应用实例分析(85)…………………………………………㊀㊀㊀㊀5.6.1㊀通用圆环形永磁体构成的永磁轴承特性分析(85)……………………㊀㊀㊀㊀5.6.2㊀带锥面磁隙的永磁轴承特性分析(88)………………………………㊀㊀5.7㊀永磁轴承磁场和悬浮力的实验分析(91)……………………………㊀㊀㊀㊀5.7.1㊀永磁轴承的实验方案(91)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.2㊀永磁轴承磁场和悬浮力测试(93)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.3㊀测试结果分析(96)…………………………………………………㊀㊀本章小结(98)…………………………………………………………………第6章㊀飞轮电池能量转换原理与矢量控制(100)……………………………㊀㊀6.1㊀引言(100)………………………………………………………………㊀㊀6.2㊀飞轮电池能量转换方案(100)…………………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.1㊀飞轮电池能量转换系统的要求(100)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.2㊀飞轮电池能量转换系统分析(101)……………………………………㊀㊀6.3㊀PWM 变流器的工作原理分析(103)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.1㊀单相PWM 变流器工作原理(103)……………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.2㊀三相电压型PWM 变流器工作原理(108)……………………………㊀㊀6.4㊀PWM 变流器的数学模型(111)………………………………………㊀㊀㊀㊀6.4.1㊀三相电压型PWM 变流器的数学模型(111)…………………………㊀㊀㊀㊀6.4.2㊀基于虚拟磁链的PWM 变流器数学模型(115)…………………………㊀㊀6.5㊀IGBT 模型和整流器的仿真模型(118)………………………………㊀㊀6.6㊀飞轮电池能量转换系统的矢量控制(119)……………………………㊃3㊃目录㊀㊀㊀㊀6.6.3㊀开关逻辑作用顺序(126)……………………………………………㊀㊀本章小结(127)………………………………………………………………第7章㊀飞轮电池在分布式发电系统中的应用(128)…………………………㊀㊀7.1㊀引言(128)………………………………………………………………㊀㊀7.2㊀含有飞轮电池的太阳能发电站的系统控制结构(129)………………㊀㊀7.3㊀太阳能电池的工作原理㊁种类及选用(131)…………………………㊀㊀7.4㊀飞轮储能单元(133)……………………………………………………㊀㊀7.5㊀动力系统的调节与控制(135)…………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.1㊀单相逆变器(135)……………………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.2㊀三相整流/逆变器(139)……………………………………………㊀㊀7.6㊀系统仿真(140)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(144)………………………………………………………………第8章㊀结语(145)………………………………………………………………㊀㊀8.1㊀全文总结(145)…………………………………………………………㊀㊀8.2㊀研究展望(146)…………………………………………………………参考文献(148)……………………………………………………………………㊃4㊃飞轮储能技术及应用第1章㊀绪㊀㊀论1.1㊀引㊀㊀言飞轮储能系统作为一种使能技术已经应用到包括航空航天㊁电动汽车㊁通信㊁医疗㊁电力等领域[1]㊂早在20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统的研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究㊂之后,英㊁法㊁德㊁日等西方国家也相继投入大量的人力㊁物力进行飞轮电池的研究,而我国从20世纪90年代才开始进行这方面的研究㊂飞轮储能系统又称飞轮电池或机电电池[2],它已经成为电池行业一支新生的力量,并在很多方面有取代化学电池的趋势㊂与化学电池相比,飞轮电池的优势主要表现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油的还高[3],因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命,而且飞轮也不会受到损害;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~ 95%,这意味着有更多可利用的能量㊁更少的热耗散,而化学电池的能量转换效率最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产品);⑧当它与某些其他装置组合使用时,如用于卫星上与卫星姿态控制装置结合在一起时,它的优势更加明显㊂现代飞轮电池使用复合材料飞轮和主动㊁被动组合磁悬浮支承系统[4]已实现飞轮转子转速达60000r/min以上,放电深度达75%以上,可用能量密度大于20Wh/lb(44W㊃h/kg)㊂而镍氢电池的能量密度仅有5~6W㊃h/lb(11~12 W㊃h/kg),放电最大深度不能超过40%㊂总体来说,目前飞轮电池的可用能量密度最低也在40W㊃h/kg以上,最高的已经达到944W㊃h/kg,可见它的优势是十分明显的㊂当它用于电动汽车上时[5],使得现代汽车制造业者完全不必考虑汽车废气的排放,从而真正开创无废气排放汽车的历史㊂不管飞轮电池应用于哪个领域,对飞轮电池的开发研究都会涉及以下几个方面的新技术:复合材料的成型与制造技术;高矫顽力稀土永磁材料技术;磁悬浮技术;用于VVVF(变压变频)电机的电力电子技术;高速双向电动机/发电机技术㊂这些技术通过系统工程技术(包括系统结构仿真和分析)而被融合在一起㊂尽管飞轮电池技术有了长足的进展,但由于它涉及机械科学与技术㊁电机学㊁电力电子技术㊁电磁学㊁传感技术与控制科学㊁材料科学等多学科诸方面的技术,所以到目前为止,国内外仍没有一套成熟的理论和设计方法指导飞轮储能系统的设计㊂即便在国外已有开发出的飞轮电池可供使用,但仍有诸多方面需要改善,而且价格昂贵㊂只有大幅降低其价格并提高其可靠性,才有大范围推广应用的可能㊂本书着重介绍作者这几年关于经济型飞轮电池的研究成果,使读者能更好地了解国内外飞轮电池的研究现状,也为有志于从事飞轮储能的读者提供研究参考㊂1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理1.飞轮电池的组成典型的飞轮储能系统一般是由三大主体㊁两个控制器和一些辅件所组成:①储能飞轮;②集成驱动的电动机/发电机;③磁悬浮支承系统;④磁力轴承控制器和电机变频调速控制器;⑤辅件(如着陆轴承㊁冷却系统㊁显示仪表㊁真空设备和安全容器等)㊂图1.1所示为一种飞轮电池的结构简图[6]㊂其中:1为飞轮;2为含有水冷却的径向磁轴承的定子;3为径向磁轴承;4为轴向磁轴承;5为含有水冷却的电㊃2㊃飞轮储能技术及应用机定子;6为电机内转子部分;7为电机外转子部分;8为真空壳体㊂图1.1㊀飞轮电池结构简图1 飞轮;2 径向磁轴承的定子;3 径向磁轴承;4 轴向磁轴承;5 电机定子;6 电机内转子部分;7 电机外转子部分;8 真空壳体㊀2.飞轮电池的工作原理飞轮电池类似于化学电池,它有以下两种工作模式㊂(1) 充电 模式㊂当飞轮电池充电器插头插入外部电源插座时,打开启动开关,电动机开始运转,吸收电能,使飞轮转子速度提升,直至达到额定转速时,由电机控制器切断与外界电源的连接㊂在整个充电过程中,电机作电动机用㊂(2) 放电 模式㊂当飞轮电池外接负载设备时,发电机开始工作,向外供电,飞轮转速下降,直至下降到最低转速时由电机控制器停止放电㊂在放电过程中,电机作为发电机使用㊂这两种工作模式全部由电机控制器负责完成㊂飞轮转子在运动时由磁力轴承实现转子无接触支承,而着陆轴承则主要负责转子静止或存在较大的外部扰动时的辅助支承,避免飞轮转子与定子直接相碰而导致灾难性破坏㊂真空设备用来保持壳体内始终处于真空状态,减少转子运转的风耗㊂冷却系统则负责电机和磁悬浮轴承的冷却㊂安全容器用于避免一旦转子产生爆裂或定子与转子相碰时发生意外㊂显示仪表则用来显示剩余电量㊃3㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃4㊃飞轮储能技术及应用和工作状态㊂1.2.2㊀飞轮电池的应用领域飞轮电池的应用十分广泛,但主要分为两大类型[1]~[7]:一是作为储能用的,如卫星和空间站的电源,车辆的动力装置,各种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS)等;二是作为峰值动力用的,如电力系统峰值负载的调节,分布式发电系统中电网电力的波动调节,混合动力车辆负载的调节,运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,脉冲动力设备等㊂1.在电动汽车和军用车辆上的应用目前,飞轮储能系统可以单独或与其他动力装置一起混合用于电动汽车上,极大地改善汽车的动力性和经济性以及汽车尾气的排放状况[8]~[11]㊂飞轮储能系统在军事车辆的脉动负载和运行负载调节方面也担负重要角色,如德克萨斯大学奥斯丁电动力学研究中心(UT-CEM)就为军用车辆开发了脉动负载和运行负载调节的飞轮储能系统[12],该系统能储存25MJ的能量,能提供5MW的瞬时功率,可满足14t级军用车辆的脉动动力要求㊂2.在卫星和航天器上的应用Fare公司㊁马里兰大学及受NASA资助的刘易斯(Lewis)研究中心共同开发了空心飞轮系统[13][14],它是将马里兰大学的500W㊃h的空心飞轮系统按比例缩小成50W㊃h的空心飞轮系统㊂该系统用于近距离地球轨道(LEO)卫星和地球同步轨道(GEO)卫星的动力装置,取代了原先的化学电池㊂同时,它结合飞轮储能和卫星的姿态控制,使其优势更加明显[15][16]㊂3.在电热化学炮、电磁炮上的应用飞轮储能系统在电磁炮应用中具有明显优势,有一种8级逐级驱动的线性感应线圈发射炮能将3kg的炮弹以2km/s的速度发射[17]㊂电热化学炮要求在1~5ms内将脉动动力传到枪炮后膛,而由飞轮储能装置构成的脉冲盘交流发电机(PDA)就能适应这种要求[18]㊂4.用于电力质量和电网负载调节电力质量问题是一直困扰着电力工业的老大难问题㊂但随着UPS市场的发展壮大,各种重要的敏感设备(如计算机㊁通信设备和医疗设备等)受电网电力波动或突然的电力供应中断而造成的损失问题逐步得到了解决[19]㊂作为飞轮储能系统,它完全可以担负起UPS的职能,而且电力供应质量可大大改善,供电时间可大大延长㊂此外,大功率㊁高储能的飞轮储能系统还可以用来调节电网用电高峰的电力供应,使其电网负载更加平稳[20]~[22]㊂在以风力发电的机组中,应用飞轮储能系统可使输出电压更加平稳[23][24]㊂5.不间断电源(UPS)不间断供应电源有着强大的应用市场㊂除目前通用的UPS 外,飞轮电池作为一支新生的力量已经逐步参与到UPS 市场中来[25][26]㊂1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况飞轮的起源可以追溯到一百多年以前的瓦特蒸气机时代,那时的飞轮主要用来保持机器的平稳运转,用途比较单一㊂第一次真正具有划时代意义的里程碑是A.Stodola 博士撰写的关于飞轮转子形状和应力分析的书[3],该书于1917年首次被翻译成英文,直到今天它仍然有很重要的参考价值㊂下一个大的里程碑诞生于20世纪70年代早期,由于出现的石油禁运和天然气危机[1],飞轮储能才开始引起人们的足够重视㊂当时,美国能量研究发展署(ERDA)和美国能源部(DoE)开始资助飞轮储能系统的许多应用研究与开发,如针对电动汽车的超级飞轮的研究㊂刘易斯(Lewis)研究中心(LeRC)在ERDA 的协助和美国航空航天局(NASA)的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于混合车辆的飞轮系统的传动系统㊂NASA 同时也资助戈达德(Goddard)空间飞行中心(GSFC)研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承㊂20世纪80年代,尽管DoE 削减了飞轮储能研究的资助,但NASA 继续资助空间飞行中心研究卫星飞轮系统的电磁轴承,同时还资助了兰利(Langley)研究中心(LaRC)及马歇尔(Marshall)空间飞行中心(MSFC)关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究㊂直到20世纪90年代,飞轮储能才真正进入高速发展期㊂这期间,磁悬浮技术的快速发展,提供了高速或超高速旋转机械的无接触支承,配合真空技术,使摩擦损耗包括风损耗降到最低水平;同时,高强度复合材料的大量涌现,如高强度的碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8.27Gpa)的出现,使飞轮转子不发生破坏的转速极大地提高,允许线速度可达500~1000m /s,已超过音速,从而大大地增加了飞轮储能系统的储能密度;电机技术的快速发展,尤其是大功率密度双向电动机/发电机的诞生使得飞轮电池驱动能力进一步增强;电力电子技术的新进展,尤其是变频调速技术的高速发展为飞轮储存的动能㊃5㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃6㊃飞轮储能技术及应用与电能之间高速㊁高效率的转化提供了条件㊂飞轮储能技术必须借助于磁悬浮技术㊁电机技术㊁电力电子技术㊁传感技术㊁控制技术和新型材料(复合材料和高矫顽力永磁材料)技术,并将这些技术有机地结合起来才能真正研制出具有实用价值的飞轮储能系统㊂迄今为止,国内外对飞轮电池的研究主要集中在以下几个方面:(1)磁力轴承(含高温超导磁力轴承);(2)飞轮技术;(3)电机及其控制技术;(4)安全与容器;(5)面向不同应用对象的飞轮储能系统的综合研究等㊂1.3.1㊀磁力轴承研究现状早在19世纪上半叶,人们就开始试验永磁体的无接触悬浮,但并未成功㊂1842年剑桥大学的昂箫(Earnshau)教授[27]通过大量的实验证明,永磁体与永磁体之间或永磁体与软磁体之间不可能实现全部6个自由度上的稳定悬浮,也就是说至少在1个自由度上是不稳定的㊂直到1937年,维吉尼亚大学的霍尔摩斯(B.A.Holmes)教授才利用磁化磁体㊁电磁铁和位置传感器等元器件成功地实现了物体的稳定悬浮,从而标志着磁悬浮时代的到来[28]㊂后来,经过人们大量的实验验证和理论分析,终于找出了实现物体无接触稳定悬浮的几种方法,如利用抗磁性材料[29],与时变场相互作用的导体[30],陀螺力矩[31],超导材料[32]和反馈控制系统[28]等㊂事实上,到目前为止,在上述5种悬浮物体的方法中仅有超导材料和反馈控制系统用于实际的工业应用之中㊂磁悬浮轴承(也称磁力轴承),按控制方式的不同主要有两大类[33][34]:其一是主动磁力轴承(active magnetic bearing,AMB),也就是人们通常称作的电磁轴承,是一种有源磁力轴承;其二是被动磁力轴承(passive magnetic bearing,PMB),也称无源磁力轴承㊂被动磁力轴承目前有两种,即永磁磁力轴承(permanent magnetic bearing,PMB)和超导磁力轴承(superconducting magnetic bearing,SMB),其中永磁磁力轴承简称永磁轴承㊂目前对磁力轴承的研究主要集中在对主动磁力轴承(即电磁轴承)[35][36]和超导磁力轴承[37]~[40]的研究上,而对永磁磁力轴承[41]的研究较少㊂主动磁力轴承最主要的特征是通过控制电磁铁线圈的电流变化来产生时变磁场,以便调整在受到外界干扰时轴承所需的悬浮力,确保转子始终在预定位置平稳运转㊂因此,这类轴承的承受变负载的能力很强,而且有较强的运动稳定性,这对于那些时常受到外界扰动的支承来说又是必须的,如高速切削机床主轴的电磁轴承就采用了主动磁力轴承㊂但这类轴承也存在几个方面的不足:其一,它必须安装多个位置传感器以便时刻监测转子的位置,一旦有一个传感器失效,轴承就不能正常工作,从而降低了系统的可靠性;其二,由于控制线圈的存在,要消耗系统一部分的电能,从而降低了储能效率;其三,由于控制系统的存在,增加了系统的复杂性,也增加了系统失效的可能性㊂所有这些除大幅增加了系统的费用外,也降低了系统的可靠性㊂尽管近期有人开始研究无传感器的主动磁力轴承[42],但控制难度很大,而且可靠性更低㊂超导磁力轴承的主要特征是利用超导体在临界温度以下具有的迈斯纳效应(meissner effect),磁通线不能穿过超导体,即超导体是在磁场中呈现完全抗磁性来实现物体悬浮的㊂但一般来说,超导体的临界温度很低,即使现在所称的高温超导体的临界温度最高的也只有-130ħ㊂因此,要保证超导体的正常工作就必须提供制冷设备,保障超导体始终工作在临界温度以下,这势必增加系统的能量消耗,也增加了系统的投资,同时也增加了失效的可能性㊂永磁磁力轴承的主要特征是利用定子和转子上的永磁体之间或永磁体与软磁体之间的吸力或斥力来支承轴向或径向的负载,结构简单,但承受变载荷的能力较差,稳定性没有主动磁力轴承好,不过,由于它无需传感器和控制线圈,也无需制冷设备,经济性较好,这对那些仅承受静态载荷的应用是具有明显优势的㊂1.电磁轴承电磁轴承是由致动器(actuator)㊁传感器和控制系统三个部件组成㊂致动器是由一组缠绕在定子铁芯上的线圈构成(每个象限至少有一个磁极)㊂对于径向轴承,在转子圆周上至少要安装三个传感器,传感器系统负责测量转子轴的位置,并将位置信号反馈到控制系统,控制系统再将位置信号与参考信号比较来确定转子的位置误差,再经功率放大器控制致动器电磁铁的电流㊂致动器可以用单独的电磁铁(EM)或者由电磁铁和永久磁铁(PM)组合构成,其对应的轴承分别称为EM 轴承和EM /PM 轴承[35]㊂图1.2所示为EM 轴承致动器的两种构形,其中图1.2(b)的布置是一种通用构形,它将产生比图1.2(a)布置更低的运动和磁滞损耗㊂图1.3所示为6种EM /PM 轴承致动器构形,除图1.3(f)仅有轴向主动控制外,其他5种既具有径向主动控制又具有轴向支承定位的功能㊂从上述两种致动器的构形可以看出,EM 致动器在构造上通常比EM /PM 致动器㊃7㊃第1章㊀绪㊀㊀论。
飞轮储能的原理图解和应用实例原理图解飞轮储能是一种机械储能系统，利用高速旋转的飞轮将机械能转化为储能。
下面是飞轮储能的原理图解：1.主要组成部分–飞轮：主要由轴承支撑和外壳组成，高速旋转的飞轮是储能的关键组件。
–马达或发动机：通过转动飞轮来为其注入能量，使飞轮高速旋转。
–驱动系统：用于将马达或发动机的动力传递给飞轮，使其高速旋转。
–电能转换系统：用于将飞轮的机械能转化为电能进行储存和利用。
2.原理与工作过程–工作过程：1.马达或发动机向飞轮注入能量，使飞轮高速旋转。
2.飞轮旋转过程中，会积累大量的机械能。
3.当需要释放储能时，飞轮通过电能转换系统将机械能转化为电能，并将其储存起来。
4.被储存的电能可以在需要时，再次转化为机械能供给外部设备使用。
3.优点–高效能储能：飞轮储能系统的能量转换效率较高，能够高效地储存和释放能量。
–高功率输出：由于飞轮的高速旋转，储能系统能够以较高的功率输出能量。
–长寿命：飞轮由高强度材料制成，具有较长的使用寿命。
–快速响应：由于飞轮的高速旋转，系统能够快速响应并释放储存的能量。
4.应用领域–能源储备：飞轮储能系统可用于储存可再生能源（如风能、太阳能等）产生的多余电能，以供不时之需。
–交通运输：飞轮储能系统可用于汽车、公交车等交通工具中，提供额外的动力支持，提高能源利用效率。
–电网稳定：飞轮储能系统可用于电网中，作为储能装置，平衡电网负荷波动，提高电网稳定性。
–航空航天：飞轮储能系统可用于航天器中，提供瞬时高功率以满足航天器的特定需求。
–重要设备备用电源：飞轮储能系统可用作备用电源，提供电能以确保关键设备的正常运行。
应用实例飞轮储能的应用实例多种多样，以下是几个典型的实例：1.风能储备系统–在风能发电系统中，飞轮储能系统可用于储存风能发电机组产生的多余电能。
–当风能发电量较大时，飞轮通过马达将多余电能转化为机械能，并存储在飞轮中。
–当风能发电量不足时，飞轮通过电能转换系统将储存的机械能转化为电能进行供电。
飞轮储能技术在电网调频中的应用在电力系统中，频率质量是电能质量中的重要指标,频率超出允许范围会破坏系统稳定性,影响电网运行安全，因此,频率控制是保证电网安全稳定运行的重要环节。
随着人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾日益凸显，能源转型的速度逐渐加快，越来越多的间歇式清洁能源大规模并网,绿色电力能源的占比不断提高，但与此同时，也给电网频率控制带来了新的难题,由于传统调频能力有限，已不能很好的满足现有电网调频的需求。
在此背景下，飞轮储能技术开始进入人们的视野，并逐渐被人们所认可。
性能对比传统调频手段主要集中在火电机组及水电机组，对水电机组来说，其调节特性较好，但水电机组的建设受地理位置的限制较大，其运行方面又受丰水期和枯水期的影响，故而水电机组的调频容量远远不足；对于火电机组来说，其调节速率有限，要想达到更好的调节效果，就必须有一定的旋转备用容量且多台机组同时参与调节，这样一来，一方面火电机组无法工作在最经济的工况，煤耗增加；另一方面由于旋转备用容量的增加，机组利用率下降，造成闲置资本增加，提高了电力企业的供电成本。
而飞轮储能，就可以弥补上面说到的传统调频手段的不足，具体的优势如下：功率密度大、快速充放电：300kW/2kWh的飞轮产品，意味着“充放电倍率”可达150C，毫秒级响应速度；使用寿命长：循环充放电次数可达上千万次，理论寿命超过20年，并且储能容量不会随充放电次数的增加而衰减；工作范围宽：对环境温度没有严格要求，对飞轮本体无需建设空调机房；能量转换效率高：电能动能之间的转换效率高于95%，储能系统综合效率约90%；低损耗、低维护：磁悬浮和真空环境使机械损耗可以被忽略，飞轮本体无需维护，系统整体维护周期长；可精确测量和控制：飞轮储能可精确测量转子转速从而精确推算出“剩余电量”，实现精确控制；安全环保：飞轮储能98%以上的材料都是钢材，无化学物质释放，无化学爆炸等安全隐患，从生产到应用的整个环节对环境友好；大规模制造成本大幅下降：飞轮主要材质为钢材，大规模制造后成本急剧下降，无限接近钢材成本；残值高：“废旧飞轮电池”可直接回收利用，回收工艺简单，残值高。
高速铁路中的飞轮储能应用发布时间：2021-07-23T16:51:02.253Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷3月第8期作者：王涤非[导读] 目前, 随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾, 飞王涤非中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东省青岛市 266109摘要：目前, 随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾, 飞轮储能研发人员的目光也必将其转向更多的应用领域。
飞轮储能系统的充电速度快, 放电完全, 损耗小, 也决定它广阔的应用前景。
飞轮储能系统是一种高度机电一体化产品,它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。
此外，飞轮储能在太空、潮汐、地热以及在港口特殊场合等也大有用途和良好的应用前景,并有更多的应用领域加入飞轮储能的使用范围中来。
本文建立高铁电力系统仿真模型和飞轮储能系统仿真模型，并进行了故障和稳定运行情况下的仿真分析。
关键词：高铁电力系统；PSCAD；飞轮储能系统Flywheel?energy storage system?in the analysis of application research and?Simulation of High-speed railway?power system Abstract:In recent decades, the application of flywheel energy storage system in our country became popular, people have realized the advantages of the flywheel energy storage system is very big, such as energy saving, environmental protection, high speed, and so on merits, space for the development of the flywheel energy storage system has provided a broad development prospects. Flywheel energy storage not only has many advantages, and application scope is very broad, such as the application in the field of automobile, aircraft, civilian power system, and so on. This paper studies the flywheel energy storage system applied in electric power system of High-speed railway to compare whether the effects of the flywheel energy storage system of ship power system.Key words: High-speed railway Power System; PSCAD; Flywheel Energy Storage0引言在高铁列车的启动和制动过程中，由于高铁列车的加速和减速过程会造成网压的不稳定，因此每节车厢需要安装一个制动电阻箱来稳定电网的网压。
飞轮储能技术在新能源发电领域的应用发布时间：2023-07-05T01:38:46.854Z 来源：《科技潮》2023年9期作者：罗浩[导读] 当前在传统电网运行过程中面临的挑战相对较多，例如输电模式无法满足分布式发电的实际需求以及电网运行不稳定等，针对此问题必须要采取合理的控制措施，并且要加大对储能技术的研究力度，确保在输电过程中可以提高其整体的可靠性及稳定性。
北京外企人力资源服务江苏有限公司南京 210000摘要：随着国民生活水平的不断提高，其对于电力能源的依赖性越来越强，因此需要加大对新能源发电领域的研究力度，并且明确在相关发电过程中存在的不稳定因素。
通过调查研究分析发现，在风能、太阳能以及光伏发电系统运行过程中，经常会出现发电不稳定问题，针对此现象研究出了飞轮储能技术，进而提高新能源发电的稳定性和安全性。
基于此，本文则通过分析风电及光伏发电并网存在的问题，探究飞轮储能技术的具体应用。
关键词：飞轮储能技术新能源发电风能光伏发电引言：当前在传统电网运行过程中面临的挑战相对较多，例如输电模式无法满足分布式发电的实际需求以及电网运行不稳定等，针对此问题必须要采取合理的控制措施，并且要加大对储能技术的研究力度，确保在输电过程中可以提高其整体的可靠性及稳定性。
针对电网的不稳定性运行问题需要明确其主要原因，尤其是对于新能源发电领域来说，要加大对局部电网储能系统的研究力度，进而解决不稳定并网问题。
一、新能源发电并网存在的问题分析当前在我国新能源发电领域中，主要包含了风力发电、光伏发电以及太阳能发电等，但是通过对其整体的发电效果进行全面分析发现，在并网运行的过程中，经常会出现电网安全性和稳定性不足等问题，同时还有部分电力企业会将风力发电和光伏发电等称为垃圾电和劣质电，影响了电力系统的稳定供电。
通过深入研究，发现其存在的并网问题主要体现在以下几点。
首先对电网的调度会产生一定影响，因为风力发电和光伏发电属于不可控能源，所以需要依据自然状况，判断其发电状态和发电量，同时又因为光照和风速的不稳定性相对较强，所以在并网后经常会出现较多的扰动源，进而增加发电的不稳定性和发电调度的难度。
飞轮储能技术及应用一、引言飞轮储能技术是一种高效、可靠且可持续的能量储存和释放系统。
它通过将机械能转化为电能，并在需要时将其转化回机械能，实现能量的储存和释放。
本文将详细介绍飞轮储能技术的原理、应用领域以及未来发展方向。
二、原理飞轮储能技术的原理基于动能守恒定律。
当飞轮旋转时，它具有一定的动能。
通过将电能转化为机械能，飞轮开始旋转并储存动能。
当需要释放能量时，飞轮将机械能转化回电能，供应给外部设备使用。
三、应用领域3.1 电力系统飞轮储能技术在电力系统中有广泛的应用。
它可以作为短时储能设备，用于平衡电力系统的负荷波动。
当电力需求增加时，飞轮储能系统可以释放储存的能量，满足电力需求；当电力需求减少时，飞轮储能系统可以吸收多余的电能并储存起来，以备不时之需。
3.2 交通运输飞轮储能技术在交通运输领域也有广泛的应用。
它可以作为电动车辆的辅助能源系统，提供额外的动力支持。
通过将制动能量转化为机械能并储存起来，飞轮储能系统可以在车辆需要加速时释放能量，提高车辆的加速性能和燃油效率。
3.3 工业制造飞轮储能技术在工业制造中也有重要的应用。
它可以用于峰值负荷削峰填谷，提高能源利用率。
在工业制造过程中，能量需求通常存在波动，而飞轮储能系统可以平滑能量供应，减少能源浪费。
3.4 可再生能源飞轮储能技术对于可再生能源的集成具有重要意义。
可再生能源如太阳能和风能具有间歇性和不稳定性，而飞轮储能系统可以作为能量储存设备，平衡能源供应和需求之间的差异，提高可再生能源的利用效率。
四、未来发展方向4.1 提高储能效率目前飞轮储能技术的储能效率还有一定的提升空间。
未来的研究应该集中在减少能量转化过程中的能量损耗，提高储能系统的效率。
4.2 提高安全性飞轮储能系统在高速旋转时存在一定的安全风险。
未来的研究应该致力于提高飞轮储能系统的安全性，防止意外事故的发生。
4.3 降低成本目前飞轮储能技术的成本较高，限制了其在大规模应用中的推广。
飞轮储能系统及其在风电场站中的应用高性能磁悬浮飞轮储能技术主要应用领域：关键电源保障、电力领域微电网、新能源配套、辅助调频；电能质量电力动态增容；能量回收领域可以在轨道交通进行再生能量回收，在油田系统进行能量回收；国防领域等方面。
----沈阳微控新能源市场技术支持部产品经理王智勇11月28日由中国长江经济带可再生能源装备制造业产业联盟、江苏省南京市新型电力（智能电网）装备集群、江苏省可再生能源行业协会、协鑫新能源控股有限公司联合主办的“2019第九届加强应用长江经济带“一带一路”新能源创新发展论坛暨首届新型电力（智能电网）技术装备发展大会”在南京盛大开幕。
北极星太阳能光伏网作为战略合作媒体对大会进行全程直播。
沈阳微控新能源市场技术支持部产品经理王智勇做《高性能磁悬浮飞轮储能技术与应用》主题演讲。
沈阳微控新能源市场技术支持部产品经理王智勇直播专题：第九届加强应用长江经济带“一带一路”新能源创新发展论坛以下为发言实录：尊敬的各位领导、各位来宾、大家下午好，很荣幸代表沈阳微控物理储能研究有限公司在这里做汇报，我汇报题目是：高性能磁悬浮飞轮储能技术与应用。
第一个汇报飞轮技术简介；第二个飞轮储能系统在风电场站应用。
公司总部位于中国沈阳高端装备制造产业园，在深圳和美国洛杉矶设有研发中心，在国内多个城市设有分支机构，微控新能源通过对美国VYCON、INC美国境内收购技术转让方式，建成唯一可以量产磁悬浮飞轮储能生产线，我们已经超过1900台，广泛应用于半导体产业、加工制造业、电信、医疗、交通运输等行业。
我们技术来源是美国VYCON公司，是专业磁悬浮飞轮储能产品与服务的供应商，是全球唯一在轨道交通行业大规模部署飞轮储能产品的科技公司，这个项目是在美国洛杉矶地铁红线2014年部署，掌握了全球领先的磁悬浮飞轮储能技术，拥有24项发明专利，具有成熟的商业化应用，全国有1900套磁悬浮飞轮系统应用。
微控已申请国家发明专利16项，实用新型2项，外观设计2项，以下是我们公司取得一些专利。
飞轮储能系统及其工程应用
（辽宁工程技术大学，机械工程学院）诉讼
摘要：飞轮储能系统是一种具有广阔应用前景的机械储能装置。
本文介绍了飞轮储能系统的原理和基本结构，并阐述了飞轮储能系统在相应工程领域的应用情况。
关键字：飞轮；储能系统；应用
Application of Flywheel Energy Storage Technology
Liang-Shengzhao
(Liaoning Technical University,College of mechanical engineering,fluid power transmission and control engineering)
ABSTRACT：Flywheel is a mechanical based on energy storage method with a wide range of potential applications.In this paper,we introduce the principle and components of a flywheel energy storage system,and look at applications of the technology in relevant engineering fields. Key words:flywheel;storage energy system;application
能源问题是当今人类面临的重要问题之一，尤其是对于像阜新这样的资源枯竭型城市。
随着石油、煤炭等不可再生能源的日益稀少，人们将目光转向了新能源以及能源存储系统的研究和开发应用。
飞轮储能系统是一种绿色的能量存储装置，它具有高能量转换效率、储存密度大、绿色环保等特点。
到目前为止，飞轮储能系统已经被广泛应用于航空航天、UPS电源、交通运输、核工业等领域。
1 飞轮储能系统的工作原理
图1为飞轮储能系统的工作原理。
系统充电时，外接电源驱动飞轮转子加速旋转，当飞轮达到一定工作转速时，停止驱动电动机，系统完成充电。
党外不需要能量时，高速旋转的飞轮转子降低转速，通过动/发一体机的发电功能将动能转化成电能释放。
衡量飞轮储能系统性能的重要指标是系统的储能密度，即：
式中，K s为飞轮转子的形状系数；K m为飞轮转子材料的利用系数；αB为飞轮转子材料的许用应力；ρ为飞轮转子材料的密度；R为飞轮转子的外径。
2 飞轮储能系统的结构组成
按飞轮储能系统中的关键部件分类，可以将整个储能系统分为飞轮转子、支撑系统、动/发一体机、电力转换器、真空壳体等5部分。
（1）飞轮转子为了提高其性能，目前多以高性能连续纤维作为增强体，以树脂材料作为基体，采用预应力缠绕技术与多环过盈配合相结合的工艺制造出重量轻、储能密度大的复合材料飞轮转子。
（2）支撑系统飞轮储能系统的轴承支撑方式主要包括：机械轴承、被动磁轴承和主动磁轴承。
为了提高整个储能系统的效率，多采用磁轴承作为低能耗的支撑方式，但为了避免磁轴承失效对转子系统造成的损伤，目前多选用机械辅助轴承配合磁轴承的支撑方案。
（3）动/发一体机动/发一体机是整个飞轮储能系统的核心动力源。
机械能与电能之间的转换就是通过动/发一体机的相互转换实现的。
使用动/发一体机可以大大提高整个系统的空间使用率，降低储能系统的总体重量。
（4）电力转换器电力转换器是储能飞轮系统中能量转换控制的关键部件，它具有调频、恒压、整流等功能。
（5）真空壳体真空壳体是飞轮储能装置的辅助系统，主要是为了减少飞轮转子系统的风阻损耗。
不过相比较于高真空度的状态，氦气环境下更有利于减小风损。
3 飞轮储能系统的工程应用
（1）智能电网的应用飞轮储能系统可以从电网中快速吸收和释放电力，因此，飞轮储能系统与电力系统相结合可以解决电网稳定性和电能质量问题。
这对于煤电之城阜新来说有重要应用。
它可以在用电低峰期把电能转换成机械能储存起来，到用电高峰期时再释放出来用来弥补高峰期的电力不足。
（2）交通运输的应用汽车在正常行驶的时候，功率仅为最大功率的1/4左右，而且当汽车制动减速时，很大一部分能量转化成热量被浪费了。
因此，如果在汽车中加上飞轮储能装置进行调节，当汽车减速时，用高速旋转的飞轮吸收多余的能量，到汽车加速或上坡时再释放出来，用来驱动汽车。
（3）航空航天领域的应用国际空间站的主要能量来源是太阳能，平时多余的太阳能可以用高速旋转的飞轮储存起来，等月食出现时再释放出来供空间站正常运行。
并且它与化学电池相比，在质量和体积上减少了35%-55%。
下图为NASA 研制的飞轮储能系统
（4）风力发电系统的应用阜新拥有天然的风力发电厂。
但风能的特点是间歇性、不稳定性，如果把风电直接并网到国家城市电网，将造成整个电网的不稳定，给电网运行调度、系统安全运行带来巨大压力。
这直接制约了风电的大规模发展。
若在风电系统中引入飞轮储能系统，当风电的输出功率高于负载功率时，用飞轮储存起来，当低于负载功率时，将飞轮储存的机械能转化成电能以补偿输出功率的不足。
（5）UPS电源的应用当市电输入出现断点时，高速旋转的飞轮立刻转入发电机工作输出状态，向负载供电，因此输出并不会出现断点
4 结语
飞轮储能是一项新兴的技术，随着科学技术的发展，现代飞轮储能系统已经成为一种绿色的能量存储装置。
它在UPS、航空航天、风能、汽车等领域有广阔的应用前景。
目前，我国和美国等工业强国相比，在飞轮储能系统的研发，应用和资金配套等方面还存在一定差距。
希望更多的研究人员和机构加入到飞轮储能系统的研发与应用工作中，为我国制造出具有自主知识产权的飞轮储能系统提供强有力的支撑。
参考文献
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