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飞轮储能一.飞轮储能原理飞轮储能是通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。
典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。
在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。
图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统。
充电时，电动/发电机通过转换器接外电源作电动机运行,把飞轮转子快速加速到非常高的转速,于是电能转化为动能储存起来。
放电时,电动/发电机作发电机运行,通过电子转换器向负载输出电能,转子转速下降,动能转化为电能。
二.飞轮储能的关键技术飞轮电池的原理简单，主要结构和运行方法已经基本明确，但要实现起来却并不容易,要突破的关键技术有：(1)飞轮转子的设计：转子动力学，强度和密度的优化；(2)磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；(3)功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗电动\发电机；(4)安全及保护特性：不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计；(5)机械备份轴承：磁轴承失效时支撑转子。
飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用，其原因主要有三个：1.飞轮本身的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。
人们曾通过改变轴承结构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力，通过抽真空的办法来减小空气阻力，轴承摩擦系数已小到0.001。
即使如此飞轮所储的能量在一天之内仍有25％被损失，仍不能满足高效储能的要求。
2. 常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。
例如，欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电，储能轮需用钢材150万吨！3. 要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置。
三.飞轮储能技术的进展近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。
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。
飞轮储能技术的发展现状摘要: 飞轮储能技术已成为国际能源界研究的热点之一。
从飞轮储能技术的技术进展(包括飞轮本体、转子支承系统、电动/发电机、电力转换器与真空室)角度出发，系统地介绍了该技术国内外的发展现状。
关键词: 飞轮储能系统，电动机/发电机，电力转换器，真空室近年来，飞轮储能技术发展非常迅速。
国内外都积极地投入大量资金和人力在这项储能技术上，目前已经有了可喜成果，以飞轮储能五大关键技术为出发点，分别对其技术发展现状进行阐述。
1飞轮转子技术现状美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺锤形飞轮开发，这是一种等应力设计，形状系数等于或接近1，材质同样为玻璃纤维复合材料，储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm。
美国Beacon 电力公司推出的Beacon 智能化储能系统，其飞轮转子以一种强度高、重量轻的石墨和玻璃纤维复合材料制成，用树脂胶合。
美国Satcon 技术公司开发的伞状飞轮，这种结构有利于电机的位置安放，对系统稳定性十分有利，转动惯量大，节省材料，轮毂强度设计合理。
NASA Glenn 中心和美国宾州州立大学高级复合材料制造中心等单位均采用湿法缠绕工艺制备了复合材料飞轮。
2飞轮储能的轴承支承系统技术现状2.1机械轴承美国TSI 公司应用高级的润滑剂、先进的轴承材料及设计方法和计算机动态分析，成功地开发出内部含有固体润滑剂的陶瓷轴承，最新又研制的基于真空罩的超低损耗轴承，其摩擦系数只有0.000 01。
2.2被动磁轴承（PMB）目前对永磁轴承的研究较少，目前主要集中在对超导磁轴承（SMB）的研究上。
西南交通大学超导技术研究所从20 世纪90 年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000 年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车。
日本ISTEC 正在对10kWh/400kW 等级飞轮系统中的SMB 进行组装实验，同时加工设计100kWh等级飞轮定子。
德国ATZ 公司则从2005 年开始对5kWh/250kW 等级的飞轮进行研究。
磁悬浮飞轮储能技术
随着科技的不断进步，储能技术也在不断的发展，其中磁悬浮飞轮储能技术备受瞩目。
磁悬浮飞轮储能技术是指利用磁悬浮技术，将飞轮悬浮在真空中，并通过高速旋转来储存能量。
磁悬浮飞轮储能技术的优势在于其高效、可靠和环保。
首先，磁悬浮技术可以有效减少能量损失，提高能量转换效率。
其次，磁悬浮飞轮储能系统可以长时间稳定地运行，不受外部环境影响，保证了系统的可靠性。
最后，磁悬浮飞轮储能系统没有排放有害物质，对环境无污染，符合可持续发展的要求。
磁悬浮飞轮储能技术有着广泛的应用前景。
首先，在可再生能源领域，磁悬浮飞轮储能技术可以有效解决能源储存问题，为可再生能源的大规模应用提供支撑。
其次，在航空航天领域，磁悬浮飞轮储能技术可以为航空器提供动力支持，实现长时间飞行。
此外，磁悬浮飞轮储能技术还可以应用于高速列车、电网备用电源等领域。
磁悬浮飞轮储能技术的发展离不开科技创新和产业合作。
在科技创新方面，需要加强对磁悬浮技术的研究和开发，提高技术水平和应用能力。
在产业合作方面，需要建立产学研一体化的合作模式，促进技术转化和产业化进程。
磁悬浮飞轮储能技术是一种高效、可靠、环保的储能技术，具有广泛的应用前景。
在未来的发展中，我们需要加强科技创新和产业合
作，推动磁悬浮飞轮储能技术的进一步发展和应用。
飞轮储能技术研究报告飞轮储能技术研究报告1.飞轮储能技术原理简介飞轮储能技术起源于20世纪70年代，但当时技术水平限制了其实际应用。
直到20世纪90年代，随着碳纤维材料和磁轴承技术的发展，美国科学家成功地研发出飞轮电池。
飞轮储能利用物理方法实现储能，实现电能和机械能的相互转化，工作过程中不会造成任何污染。
飞轮储能是一种物理储能方式，通过电力电子设备驱动飞轮进行高速旋转，利用飞轮高速旋转时所具备的动能进行能量存储，通过电动/发电一体化双向高效电机配合真空中的飞轮实现电能和动能的双向转换，如图1所示。
飞轮储能系统由高强度合金或复合材料做成的飞轮转子、高速轴承、电动/发电机、电力转换器、真空安全罩等部分组成，如图2所示。
飞轮储能设施充放电的实现方式为：（1）当飞轮存储能量时，电动/发电一体化双向高效电机实现电动机运行状态，将电能转换为飞轮转子的动能，飞轮转速升高实现能量的存储；（2）当飞轮释放能量时，电动/发电一体化双向高效电机实现发电机运行状态，将高速旋转的飞轮转子动能转换为电能，飞轮转速下降实现能量的释放。
飞轮所存储的能量计算公式为：E=Jω2，其中J为飞轮的转动惯量，ω为飞轮旋转的角速度。
从公式中可以看到，飞轮存储的能量值与飞轮转速的平方以及飞轮的转动惯量成正比。
提高飞轮的转速可以更显著地提高飞轮存储的能量值。
飞轮储能系统的控制策略原理如图3所示。
飞轮储能系统共有三种工作状态，分别为充电、维持和放电，可根据系统电压的高低自动响应充放电动作。
当系统电压抬高，电压值U>U2+a时，飞轮储能系统处于充电状态，吸收外部电能进行存储，充电的功率随系统电压的升高而增大；当系统电压降低，电压值U<U2-a时，飞轮储能系统处于放电状态，向外部释放电能，放电的功率随系统电压的降低而增大；当系统电压值在空载电压附近波动时，为飞轮的旋转维持区域[U2-a。
U2+a]，飞轮执行维持转速指令，处于不充电、不放电的空转状态。
飞轮储能系统高速永磁同步电动发电机控制关键技术研究一、本文概述随着全球能源结构的转型和可再生能源的大力发展，飞轮储能系统作为一种新型储能技术，凭借其高功率密度、快速充放电、长寿命等优势，逐渐受到业界的广泛关注和深入研究。
高速永磁同步电动发电机作为飞轮储能系统的核心部件，其控制技术的优劣直接影响到整个系统的性能与稳定性。
对高速永磁同步电动发电机控制关键技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文旨在深入研究飞轮储能系统中高速永磁同步电动发电机的控制技术，针对其高速旋转、高功率密度、高精度控制等特点，探索有效的控制策略和优化方法。
对高速永磁同步电动发电机的基本原理和结构特点进行详细介绍，为后续的控制技术研究奠定理论基础。
重点分析现有控制技术的优缺点，并针对存在的问题提出改进方案。
在此基础上，结合先进的控制理论和技术手段，设计高效的控制算法，实现对高速永磁同步电动发电机的高效、稳定控制。
通过仿真和实验验证所提控制技术的有效性和可行性，为飞轮储能系统的实际应用提供有力支持。
本文的研究内容不仅有助于推动飞轮储能技术的发展和应用，也为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴。
同时，本文的研究成果对于提高我国在新能源和储能技术领域的自主创新能力和核心竞争力具有重要意义。
二、飞轮储能系统概述飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage System，FESS）是一种基于机械能储存与释放原理的新型储能技术。
其基本原理是，通过高速旋转的飞轮将电能转化为机械能进行储存，当需要能量时，飞轮减速将机械能再转化回电能。
这种储能方式具有响应速度快、效率高、寿命长、维护成本低等优点，因此在电力调峰、分布式能源、不间断电源等领域具有广泛的应用前景。
飞轮储能系统的核心部件是高速永磁同步电动发电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous MotorGenerator，HSPMSG）。
磁飞轮技术在机车动力传动系统中的应用前景展望引言：随着科技的不断发展与创新，机车的动力传动系统也在不断升级。
磁飞轮技术作为一种新兴的动力储存与转换技术，其在机车动力传动系统中的应用潜力正逐渐被人们所认识和开发。
本文将探讨磁飞轮技术在机车动力传动系统中的应用前景以及可能的影响。
一、磁飞轮技术概述磁飞轮技术是一种通过将机械能转换为磁能进行能量存储的技术。
磁飞轮由一个旋转的轴，上面装有磁性材料，通过在高速运转时储存机械动能，并在需要时释放。
二、磁飞轮技术在机车动力传动系统中的应用1. 储能装置：磁飞轮可以作为机车动力传动系统的储能装置之一，将多余的能量转化为机械能存储起来。
这样，在需要额外动力时，可以迅速释放储备的能量，提供给机车驱动系统。
2. 转速平稳性：磁飞轮在动力传动系统中的应用可以大大提高转速平稳性。
传统燃油机在运行过程中，转速的波动会导致动力输出的不稳定，而磁飞轮通过吸收和释放动能可以使转速变化更加平滑，从而提高机车的运行稳定性。
3. 能量回收：机车在制动过程中会产生大量的能量损失，这些能量可以通过磁飞轮技术进行回收利用。
磁飞轮可以将制动过程中产生的机械能转换为磁能存储起来，然后在需要动力时将其释放出来，从而提高能源利用效率。
4. 减少污染排放：磁飞轮技术在机车动力传动系统中的应用也有助于减少污染排放。
通过减少机车在起动过程中的燃油消耗，磁飞轮可以有效降低尾气排放，减少对环境的污染。
三、磁飞轮技术在机车动力传动系统中的挑战1. 成本问题：磁飞轮技术在机车动力传动系统中的应用需要大量的研发投入和技术实施。
此外，磁飞轮本身的制造和维护成本也较高。
这些因素都对技术的商业应用造成了一定的挑战。
2. 安全性问题：在高速运转过程中，磁飞轮可能会产生过高的温度和机械压力，如果不加以合理的控制和防护，可能会对整个机车系统的安全性产生不利影响。
3. 受限旋转时间：磁飞轮在装置内需要保持一定的旋转时间，以确保能量的有效储存。
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。
I 油气、地矿、电力设备管理与技术China Science & Technology Overview飞轮储能技术研究进展罗桂平卫宏强孟德超宋浩强(华驰动能（北京）科技有限公司，北京101111)摘要：储能是智能电网、能源互联网的重要组成部分和关键支撑技术。
近年来储能产业发展迅猛，各类储能技术也日趋成熟。
本文对各种储能技术进行了介绍，着重分析了飞轮储能技术的特性，对其国内外研究现状及进展进行阐述，以期推动飞轮储能技术在 电力行业中的大规模应用。
关键词：储能；飞轮；智能电网；新能源中图分类号：TH133.7文献标识码：A 文章编号：1671-2064(2020)20-0104-040. 引言能量具有多种形式，包括电能、机械能、声能、化学 能、电磁能、光能、热能及核能等。
储能是使能量转化为 比较稳定的存在形态，再通过介质或设备把能量存储起 来，以备在需要时释放的过程，主要是指电能的储存，此 外还有储热、储氢等。
1. 储能分类及特点1.1电化学储能电化学储能主要指各种电池储能，包括铅酸（铅碳） 电池、锂电池、钠硫电池和液流电池等，其在能量密度、系 统效率、响应速度等方面具有明显优势。
电化学储能主要 适用于调峰、削峰填谷等快速响应的大规模应用场景[11。
(1)铅酸电池。
铅酸电池具有安全性高、系统成本低等优点，可进行深度的充放电。
液流电池适用于平抑新能 源发电波动、辅助调峰、边远地区供电等，主要包括全钒 液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池等[41。
1.2电磁储能(1)超级电容器。
超级电容器的电荷以静电方式存储在双电层界面上，其具有功率密度大、充放电速度快、循 环寿命长、工作温度范围宽等优点，以及能量密度低、自 放电率较高等劣势，可应用于功率大、时间短的场景，如 电力调频、平抑波动、轨道交通能量回收等。
(2)超导磁储能。
超导磁储能是利用超导线圈进行储能的一种技术，具有功率密度大、响应速度快、能量转换效率高、循环寿命长等优势，主要应用于改善电能质量、 稳定电力波动等场景。
飞轮储能在数据中心的应用1. 应用背景随着互联网的快速发展和大数据时代的到来，数据中心的规模和能耗呈指数级增长。
数据中心作为存储、处理和传输海量数据的关键设施，对电力供应的要求极高。
然而，传统电力供应方式存在着一些问题，如电网不稳定、电力负荷波动等，这些问题对于数据中心的稳定运行和可靠性产生了很大影响。
飞轮储能技术作为一种高效、可靠的储能方式，正逐渐被广泛应用于数据中心。
飞轮储能通过将多个旋转惯量大的飞轮连接到发电机上，利用机械能转化成电能，并通过控制系统实现对电力负荷的平衡和调节，从而提高数据中心的供电可靠性和稳定性。
2. 应用过程2.1 飞轮储能系统组成飞轮储能系统主要由以下几个组成部分构成：•飞轮：由高强度材料制成，具有较大的转动惯量。
•发电机：将飞轮的机械能转化为电能。
•控制系统：实时监测和控制飞轮转速，调节发电机输出电力。
•能量转换装置：将飞轮旋转的机械能转化为电能或逆向转化。
2.2 应用过程数据中心的飞轮储能系统主要包括以下几个步骤：1.飞轮充能：在数据中心电网供电正常的情况下，利用多余的电力将飞轮加速旋转，将机械能储存到飞轮中。
2.数据中心运行：数据中心正常运行期间，飞轮储能系统处于待命状态，监测和记录数据中心的电力需求和供应情况。
3.电力负荷波动：当数据中心需求超过电网供应时，飞轮储能系统通过控制发电机输出额外的电力来满足需求。
反之，当数据中心需求下降时，多余的电力被用于将飞轮继续加速旋转。
4.飞轮放能：当发生突发停电或者其他紧急情况时，飞轮储能系统会立即释放储存的机械能，通过发电机输出稳定的电力，以保障数据中心的正常运行。
5.飞轮充电：当电网供电恢复后，飞轮储能系统会利用多余的电力将飞轮重新充能，以备下一次使用。
3. 应用效果飞轮储能在数据中心的应用可以带来以下几个显著效果：3.1 提高供电可靠性由于飞轮储能系统具有快速响应和高效能转换的特点，可以在短时间内提供稳定的电力输出。
国外飞轮储能技术状况人类对飞轮的应用始于2000多年前，当时陶工所用的制陶转轮被认为是飞轮最早的应用。
18世纪发明的蒸汽机装有大飞轮，以增加轮轴旋转的惯性，使活塞的往复运动变换成旋转运动时转速均匀。
上世纪50年代，学者们开始研究用于电动汽车的储能飞轮，但受当时飞轮转子材料、支承技术、电能变换技术的限制，没有取得实质进展[1]。
上世纪70～80年代，石油危机爆发，美国能源部（DOE）开始大力资助能源项目，其中包括集成超级储能飞轮的电动汽车项目。
80年代初，DOE还资助了卫星航天飞轮的研究，项目在美国航空航天局（NASA）Glenn研究中心的领导下开展，先后在低地轨道卫星储能/姿控系统研制、复合材料转子制作、电磁悬浮轴承等方面做出开拓性工作[2～4]。
飞轮储能系统的典型结构主要由飞轮转子、轴承、电动/发电机、真空系统以及附属的电力电子控制设备等组成（见图1）。
飞轮储能系统的工作模式主要分为充电模式、保持模式和放电模式。
上世纪90年代，飞轮转子材料、支承技术、电能变换技术取得重大突破，飞轮储能技术以此为基础，也随之取得了重大进展。
以碳纤维为代表的纤维材料，抗拉强度可超过4000MPa，能承受1000m/s以上的线速度，大幅提高了飞轮的储能密度；支承技术以微损耗磁轴承技术为代表，主要包括永磁轴承、电磁轴承以及超导磁悬浮轴承，配合真空技术，大幅降低了飞轮高速旋转时轴承的损耗和空气摩擦损耗；电力电子技术可以灵活地对电能进行变换与控制，功率变换范围从1W量级到数百兆瓦量级，易于实现飞轮转动动能与电能之间的变换。
2 飞轮储能技术全球发展格局从20世纪90年代至今，全球飞轮储能技术的研发力量主要集中在美国、欧洲和日本。
在飞轮技术基础应用研究、关键技术及制造工艺、飞轮储能产品产业化开发与市场运作等方面，美欧日都远远领先于其他国家，全球研发格局一度呈现出三足鼎立的局面。
随着其他国家对储能技术的重视和大力投入，多极化趋势日益明显。
飞轮磁悬浮储能技术在地铁系统中的应用研究地铁系统是现代城市公共交通中的一种重要方式，为人们出行提供了极大的便利。
然而，由于地铁系统的运营规模庞大，能耗较高，加之受制于供电系统的限制，如何优化地铁的能源利用和减少能耗成为了一个亟待解决的问题。
飞轮磁悬浮储能技术是目前比较先进的储能技术之一，具有高效能、高性能、高可靠性等优点。
该技术被广泛应用于各个领域，如工业自动化控制、提供紧急备用电源、电动汽车充电等方面。
相信在地铁系统中也会有广阔的应用前景。
飞轮磁悬浮储能技术的原理是利用机械能与电能之间的相互转化来储存能量。
具体来说，当电网供电不足时，通过控制系统运行飞轮转速，使飞轮吸收电能，从而将其转换成机械能储存。
当电网供电充足时，通过控制系统降低飞轮转速，将储存的机械能转化成电能，供应给车站、列车及其它设备使用。
飞轮磁悬浮储能技术在地铁系统中的应用主要是用于储存制动能量，减少制动能量的浪费。
在地铁站和列车行驶时，通过能量回收系统将制动能量收集起来，存储于飞轮中。
当运营需要时，飞轮释放储存的能量给列车运行或车站用电。
飞轮磁悬浮储能技术具有以下优点：首先，与传统的化学储能技术相比，飞轮储能技术无需额外消耗化学物质，运转成本低，储能效率高。
其次，由于飞轮几乎无摩擦，能保持较长时间的高速运转，因此能够提供连续的高稳定功率输出。
此外，该技术能在极短的响应时间内对储存的能量进行释放或吸收，能够满足地铁系统的瞬时高功率需求。
同时，由于飞轮储能系统无需使用化学物质，并且一般采用环保材料，因此有着比其他储能技术更好的环保性能。
然而，飞轮磁悬浮储能技术也有一些局限性。
首先，需要能够保证其高速旋转，因此需要有较高的制造技术、工艺技术和材料技术支持。
其次，飞轮储能系统占地面积较大，对安装环境和地面载荷要求较高。
而且由于其大容量的储能系统，其成本和维护成本较高，每个地铁站需要建造大型的储能设施和配套的控制系统。
综上所述，飞轮磁悬浮储能技术在地铁系统中的应用还需要进一步深入的研究和探索。
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。
飞轮储能技术研究报告1飞轮储能技术原理简介飞轮储能的概念起源于20世纪70年代，但囿于当时的技术水平，该技术并没有得到实际应用；直到20世纪90年代，随着碳纤维材料的广泛应用和磁轴承技术的发展，飞轮电池被美国科学家研发成功。
它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能，实现电能和机械能的相互转化，工作过程中不会造成任何污染。
飞轮储能(Flywheel Energy Storage)属于一种物理储能的方式，通过电力电子设备驱动飞轮进行高速旋转，利用飞轮高速旋转时所具备的动能进行能量存储，通过电动/发电一体化双向高效电机配合真空中的飞轮实现电能和动能的双向转换，如图1所示。
图1飞轮储能系统的工作原理飞轮储能系统主要由高强度合金或复合材料做成的飞轮转子、高速轴承、电动/发电机、电力转换器、真空安全罩等部分组成，如图2所示。
图2 飞轮储能系统的本体结构飞轮储能设施充放电的具体实现方式为：（1）当飞轮存储能量时，电动/发电一体化双向高效电机实现电动机运行状态，将电能转换为飞轮转子的动能，飞轮转速升高实现能量的存储；（2）当飞轮释放能量时，电动/发电一体化双向高效电机实现发电机运行状态，将高速旋转的飞轮转子动能转换为电能，飞轮转速下降实现能量的释放。
飞轮所存储的能量计算公式为：221ωJ E =，其中J 为飞轮的转动惯量，ω为飞轮旋转的角速度。
从上述公式中可以看到，飞轮存储的能量值与飞轮转速的平方，以及飞轮的转动惯量成正比。
飞轮的转动惯量取决于飞轮的质量分布和半径，在飞轮体积和质量分布一定的情况下通过提高飞轮的转速可以更为显著地提高飞轮存储的能量值。
飞轮储能系统的控制策略原理如图3所示：图3 飞轮储能系统的控制策略从图3可以看到，飞轮储能系统共有三种工作状态，分别为充电、维持和放电，可根据系统电压的高低自动响应充放电动作。
当系统电压抬高，电压值U>U2+a 时，飞轮储能系统处于充电状态，吸收外部电能进行存储，充电的功率随系统电压的升高而增大；当系统电压降低，电压值U <U2-a 时，飞轮储能系统处于放电状态，向外部释放电能，放电的功率随系统电压的降低而增大；当系统电压值在空载电压附近波动时，为飞轮的旋转维持区域[U2-a, U2+a]，飞轮执行维持转速指令，处于不充电、不放电的空转状态。
