飞轮储能技术及其耦合发电机组研究进展

  目的  双碳目标的提出增加了新能源电力嵌入的必要性,为了研究提高机组灵活性的方法,文章对飞轮储能技术及其耦合发电机组的相关研究进行了详细介绍。  方法  文章概括总结了飞轮储能的工作原理、研究现状与成果以及应用难点与措施,分析了研究飞轮储能的系统建模与运行策略的具体方法,并对飞轮储能分别耦合火力发电、风力发电以及太阳能发电的原理与应用特点进行了重点分析。  结果  我国的飞轮储能系统研究已经取得较为先进的成果,并且形成了一套有效的研究方法,在飞轮储能技术耦合多能源发电机组方面也进行了一定的研究。  结论  在当今环境下,飞轮储能技术耦合多能源发电机组已经成为研究趋势与重点,本文所总结内容为后续飞轮储能技术的应用提供了参考。     

飞轮储能技术研究新动态

飞轮储能是一种研究价值高、应用前景广阔的新型环保储能技术。该文介绍飞轮储能技术研究机构及其技术的新进展。     

飞轮蓄能技术的发展与应用

系统地介绍了国内外飞轮储能技术的研究进展及在许多方面已有的应用实例和应用前景，指出了飞轮储能技术今后的研究及应用趋势。     

飞轮储能技术研究的发展现状

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）以及应用研究（电力调峰,飞轮电池,不间断供电,强力放电等）角度出发,系统地介绍了该技术国内外的发展现状及今后发展方向。     

国外飞轮储能技术状况研究

飞轮储能具有快速充放电、瞬时功率大、效率高、无污染等优点,是目前最具发展前景的储能技术之一,其工作模式分为充电、保持和放电模式。上世纪90年代以来,飞轮转子材料、支承技术、电能变换技术取得重大突破,飞轮储能技术也随之有了重大进展。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。但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。在企业级不间断电源应用领域,产品特点是大功率、短时充放电,代表企业如美国Active Power和德国Piller;在轻轨制动动能再生领域,基于GTR技术的1MW飞轮系统已在纽约远洛克威县安装,每日节电1300k W·h,节能率21.7%;在电网调频领域,美国Beacon Power公司已建成2个20MW的储能电站,并投入电网调频运行;此外,在风电与光伏发电并网、航天与军事领域,由于飞轮储能具有瞬时功率大的突出优势,可以平抑负载波动,提供极高的兆安级电流进行核聚变及军用电磁弹射研究。     

车用飞轮混合动力系统的应用进展

《节能与新能源汽车技术路线(2.0版)》的发布对汽车节能技术提出了新要求,对于传统内燃机汽车,只能通过添加二次能量存储装置实现部分制动能量回收.在几种典型的储能方式中,拉贡特性图表明飞轮储能具有高瞬时功率、高效率、快速响应、环境友好及循环寿命长等优点,从而成为传统内燃机汽车理想的二次储能技术.尽管飞轮储能技术的应用研究已经取得了一些进展,但目前国内外尚未有详细的研究来总结其在汽车工业领域上的应用.文中基于CNKI数据库、Engineering Village数据库及Web of Science数据库以"飞轮储能"为主题进行了数据检索,重点分析了"飞轮储能"技术在汽车工业方面的研究进展,且检索数据表明,近20年来车用飞轮储能技术虽为小众研究方向,但一直都在探索中.针对电驱动式和机械式两种典型的飞轮混合动力系统,重点关注了机械式飞轮混合动力系统在汽车领域内的探索、研究及验证历程,并详细阐述了该系统的结构特点、研究现状及未来研究趋势.综合分析表明,机械式系统通过飞轮与车辆传动系统间的纯机械连接,不仅解决了电驱动式中因电驱动系统功率限制而造成的动力与节能效果不足问题,还提高了车用飞轮混合动力系统能量转化效率.     

储能技术在电力系统中的研究进展

储能技术在电力系统中具有削峰填谷、一次调频、提高电网稳定性、改善电能质量、提高电网利用率、提高可再生能源的利用率等重要作用。介绍了抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能、钠硫电池储能、锂离子电池储能、液流电池储能等典型储能技术以及各自的国内外研究动态,比较了各种储能技术的优缺点,并对储能技术在电力系统中的不同应用进行了综述。     

2021年中国储能技术研究进展北大核心CSCD

本文对2021年度中国储能技术的研究进展进行了综述。通过对基础研究、关键技术和集成示范三方面的回顾和分析,总结得出了2021年中国储能技术领域的主要技术进展,包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、钠离子电池、超级电容器、新型储能技术、集成技术和消防安全技术等。研究结果表明,中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均取得了重要进展,中国已经成为世界储能技术基础研究最活跃的国家,也已成为世界储能技术研发和示范的主要核心国家之一。     

飞轮储能技术研究五十年评述CSCD

本文回顾了飞轮储能技术研发50年的历程,分析了飞轮储能技术特点、应用领域以及关键技术问题。飞轮储能具有功率密度高、循环寿命长、响应迅速、能量可观性好以及环境友好的优点。当前,研制的飞轮储能系统单体能量为0.5~130 kW·h,功率为0.3~3000 kW。重点关注了飞轮用低成本高比强度新材料、高温超导磁悬浮技术。飞轮储能在电能质量调控、不间断过渡电源以及电网调频领域实现了商业化应用,在车辆混合动力领域的示范应用中实现节能20%~30%,处于产业应用的临界点。针对电网规模大功率、高能量储能需求,发展趋势是由数十千瓦时以下发展到百千瓦时,并通过阵列化组装成10~100 MW储能系统,放电时间可拓展到1 h。     

飞轮储能装置设计初探

讨论了具有广泛应用前景的新型机械储能技术中飞轮储能装置设计的几个关键问题，包括飞轮转子材料的选择，飞轮最佳转速的确定及工作空间的计算，轴承支承的选择，轴承承载力，刚度与结构参数的计算，电机的选择，以及能量转换控制方式的分析等，为飞轮储能装置设计的进一步研究奠定了基础。     

Flywheel array energy storage system

飞轮储能系统将能量储存在高速旋转的飞轮转子中,具有高功率密度,无环境污染,使用寿命长,运行温度范围广,充放电次数无限制等优点,已获得了广泛的应用.将多台模块化的飞轮储能单元并联起来组成飞轮阵列储能系统,是获得大容量,高功率储能的解决方案.文章首先论述了飞轮阵列储能系统的国内外发展现状与要解决的关键问题, 然后详细给出了飞轮阵列储能系统的设计方法,并联拓扑结构与控制策略.随着飞轮储能单元并联技术的逐渐成熟,飞轮阵列储能系统应用领域将逐步扩展到电力系统调频,间歇式可再生能源发电等领域,并将在提高电网对可再生能源的接纳能力等方面发挥重要作用.     

储能飞轮中的主动磁轴承技术CSCD

主动磁轴承作为一种先进的支承技术,在飞轮储能系统中得到了成功应用。本文首先介绍了国内外研究机构在飞轮系统中应用主动磁轴承的情况。之后,分别探讨了主动磁轴承应用于高速飞轮需要解决的各个关键技术问题,展望了它在高速飞轮系统中的应用前景。     

Application of array 1 MW flywheel energy storage system in rail transit

本文根据城市轨道交通的运行特点和车辆参数提出了一种1 MW阵列式飞轮储能系统,用来吸收再利用机车制动时产生的制动电能。通过对比不同类型的再生制动能量回收方式,突出飞轮储能系统应用在城市轨道交通的必要性和先进性。文中通过对某些线路进行数据测试,根据现有单台飞轮储能装置进行阵列式组合,通过产品优化以及安全计算和工程实施预判,组装出容量为1 MW的阵列式飞轮储能系统,并证明了1 MW阵列式飞轮储能系统在城市轨道交通应用的正确性和可实施性。     

Analysis and design of the capacity and efficiency of a flywheel energy storage system

分析了飞轮储能系统能量、功率参数特性。飞轮储能系统单机可实现储能0.5 ～ 100 kW·h、功率2～ 3000 kW。提出了储能100 kW·h级飞轮的方案,采用中低转速合金钢飞轮转子,储能密度13～ 18 W·h/kg,计算许用应力为800 MPa。尺寸为米级的飞轮转子整体锻造难度较高,可采用多圆盘轴向联接的结构设计。采用3层或4层纤维缠绕复合材料高速飞轮转子结构,分别进行了径向等应力结构设计,计算表明9000 r/min三层纤维缠绕复合材料飞轮和15000 r/min四层纤维缠绕复合材料飞轮均能够满足工作转速下的结构强度要求,储能密度50 ～ 70 W·h/kg。     

盘式和柱式飞轮转子系统临界转速分析CSCD

针对飞轮储能系统升降速实验中极限转速为9300 r/min,小于飞轮储能的最高工作转速15000 r/min,这会大幅降低飞轮储能系统的最大储能量。为提高飞轮储能实验中极限转速,从结构设计角度出发,采用理论公式分析、SAMCEF Rotor有限元仿真分析并结合实验数据来研究盘式飞轮转子和柱式飞轮转子的临界转速分布规律及其稳定性。分析发现,质量相同、结构不同的盘式飞轮转子其二阶临界转速远远超过柱式飞轮转子,两者的一阶临界转速相同。根据不同工作转速和储能量要求的飞轮转子,采取不同的结构方案,确保其达到工作转速要求并稳定运行。     

Economic analysis of PV/diesel hybrid system with flywheel energy storage

This paper analyzes a hybrid energy system performance with photovoltaic (PV) and diesel systems as the energy sources. The hybrid energy system is equipped with flywheel to store excess energy from the PV. HOMER software was employed to study the economic and environmental benefits of the system with flywheels energy storage for Makkah, Saudi Arabia. The analysis focused on the impact of utilizing flywheel on power generation, energy cost, and net present cost for certain configurations of hybrid system. Analyses on fuel consumption and carbon emission reductions for the system configurations were also presented in this paper.     

新型飞轮蓄能系统

介绍了欧美国家研制的新型飞轮蓄能系统,体积小,重量轻,损耗低,易与电力系统连接。这一新技术将给电力贮存领域带来一场新的革命。     

Research on disturbance analysis and detection method for the magnetically suspended flywheel-based PMSM system

本文基于飞轮三相永磁同步电机的特性,研究影响飞轮电机控制性能的干扰因素并对其特性进行分析。首先建立动基座条件下飞轮转子的动力学模型,在此基础上对影响电机性能的内外多源干扰进行建模和特性分析,给出详细的干扰模型以及所包含的结构类型。针对干扰所必需的输入参数,设计并实现了飞轮干扰状态的监测系统,获取飞轮实时转速、磁偏转角和基座振动等信息。最后,给出磁悬浮储能飞轮系统实验装置和飞轮参数,为飞轮电机干扰特性验证和干扰抑制方法提供必要基础。     

风力发电机用飞轮储能智能控制系统研究

针对在风力发电机上具有广泛应用前景的飞轮储能技术,设计了储能系统的矢量控制器硬件电路及实验平台、电机控制系统的主电路和驱动电路、DSP主控板、电压及电流信号的采集系统等。基于矢量控制原理,进行了电机控制系统仿真研究。仿真结果表明,该系统能够精确地实现对电机速度的跟踪。在飞轮储能与风力发电模拟系统的试验中,为了验证控制系统的响应速度及稳态精度,利用交流电网对飞轮充电,有效地实现了飞轮与电机的耦合及飞轮能量的快速存储和释放。