磁懸浮儲能飛輪儲能原理

在儲能時，外界電能通過電力轉(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)，直至達到設(shè)定的某一轉(zhuǎn)速。在飛輪加速旋轉(zhuǎn)的過程中，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械動能轉(zhuǎn)換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中。之后，飛輪以設(shè)定的那一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直到接受到一個能量釋放的控制信號。釋能時，電機作為發(fā)電機使用，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動電機發(fā)電，經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負載的電流和電壓，完成機械動能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。在釋能的過程中，飛輪的轉(zhuǎn)速不斷的下降。整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出。

飛輪蓄能發(fā)電設(shè)備的旋轉(zhuǎn)摩擦損耗較大，為了減少旋轉(zhuǎn)摩擦損耗，所以一般都采用磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。磁軸承根據(jù)磁場性質(zhì)的不同主要分為被動磁懸浮軸承(PMB)和主動磁懸

浮軸承(AMB)兩種：

(a)被動磁懸浮軸承

被動磁懸浮軸承有代表性的是高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承。無源磁懸浮軸承磁場通常是不可控的。傳統(tǒng)的超導(dǎo)體無法滿足磁軸承的要求，但是自從高溫超導(dǎo)體Y(釔)系發(fā)現(xiàn)以來，制造高溫超導(dǎo)磁軸承成為可能。永久磁鐵安裝在飛輪上，高溫超導(dǎo)體安裝在底座上并用液氮冷卻，利用超導(dǎo)體的特性之一的Meissier效應(yīng)(超導(dǎo)抗磁性)。永久磁鐵的磁通被超導(dǎo)體阻擋而產(chǎn)生排斥力，使飛輪處于懸浮狀態(tài)。

(b)主動磁懸浮軸承

主動磁懸浮系統(tǒng)主要是電磁懸浮系統(tǒng)。電磁懸浮軸承系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子、電磁鐵、傳感器、控制系統(tǒng)、功率放大器組合而成。轉(zhuǎn)子位移變化的信號由傳感器測出，傳到控制器中，控制器計算后，輸出信號，經(jīng)過功率放大器的放大，輸入到電磁鐵，產(chǎn)生電磁力，從而保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。

相比傳統(tǒng)機械式軸承，電磁懸浮軸承具備以下優(yōu)點：

（1）無接觸、無需滴滑及無磨損；由于沒有摩擦損耗，不但維護成本較低而且使用壽命更長，對于減少飛輪儲能系統(tǒng)靜態(tài)損轉(zhuǎn)非常有利。

（2）轉(zhuǎn)子可W高速運轉(zhuǎn)，軸承的轉(zhuǎn)速僅僅受限于轉(zhuǎn)子的材料。

（3）低功耗；軸承的系統(tǒng)功耗較低，如輔助真空設(shè)備，則功耗進一步降低。

（4）高精度控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子的控制精度已經(jīng)達到級甚至更高。

（5）承載力可設(shè)計?？筛鶕?jù)軸承的橫截面積，設(shè)計出不同重量等級的磁懸浮轉(zhuǎn)子。

上海航天803所，30多年來，主要從事衛(wèi)星姿控系統(tǒng)及與之配套的慣‘性器件的研究，具備成熟的慣性平臺技術(shù)、飛輪技術(shù)、控制力矩陀螺研制基礎(chǔ)。先后研制成功從0.08 Nms到65 Nms動量輪的全系列產(chǎn)品，為10余個型號較好的完成了飛行任務(wù)。研制的近100多個飛輪產(chǎn)品中，單臺最長在軌運行超過7年，地面壽命試驗單臺無故障運行7年以上，地面壽命試驗累積無故障運行24年以上。

在上海市科委的資助下，完成了軍民兩用混合型磁軸承技術(shù)研究。此外，已研制成功儲能量為1.3 kWh磁懸浮儲能飛輪樣機，飛輪采用永磁直流無刷電動/發(fā)電互逆式雙向電機，磁懸浮軸承支撐，飛輪轉(zhuǎn)速可達30 000 r/min，可在15s內(nèi)維持發(fā)電功率300 kW，效率可達到95%，已在實驗室運行，儲能飛輪試驗樣機如圖1所示。

磁懸浮儲能飛輪電源系統(tǒng)

工業(yè)應(yīng)用中，因其往往規(guī)模大、產(chǎn)值高、連續(xù)性生產(chǎn)需求高，因此電力中斷會帶來巨大的經(jīng)濟損失及無可挽回的結(jié)果。美國電力研究所(EPRI )有關(guān)美國再發(fā)性電力問題的研究表明，有超過90%的生產(chǎn)設(shè)備將遭受市電電壓超過20%驟降情況的影響。研究中也統(tǒng)計了電壓驟降幅度超過10%的發(fā)生次數(shù)，大約每年會發(fā)生30次?，F(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用設(shè)備，大量引入了智能化輔助設(shè)備，對電力供應(yīng)品質(zhì)提出了更高的要求。多元化的電力來源，比如:電網(wǎng)、廢熱發(fā)電、柴油發(fā)電機、小型電廠等等，為現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)提供更經(jīng)濟的能源，同時也帶來了供電品質(zhì)的參差不齊。工業(yè)應(yīng)用中品種繁多的負載類型(感性、容性、阻性負載等)，給本來就不純凈的電網(wǎng)帶來更大的污染。

磁懸浮儲能飛輪在UPS領(lǐng)域的應(yīng)用主要解決關(guān)鍵負荷的安全供電問題，在半導(dǎo)體行業(yè)、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、銀行、電信等行業(yè)都有應(yīng)用。磁懸浮飛輪UPS工作模式，市電正常輸入后，經(jīng)穩(wěn)壓電路，一方而為負載提供電能，另一方而經(jīng)兩個雙向變換器為飛輪提供儲能電源。市電停電或發(fā)生故障時，飛輪儲能器件作為臨時交流電源，經(jīng)兩次變換并穩(wěn)壓操作后，為負載提供臨時可靠的電能。

國外市場已經(jīng)全面啟動，美國Active Power公司專門生產(chǎn)和銷售UPS飛輪電池，年銷售額已經(jīng)達到7 000萬美元左右;據(jù)ICT統(tǒng)計，UPS電源全球市場規(guī)模2014年已達62.2億美元，且處于高速發(fā)展階段，2020年預(yù)測為100億美元。仍是以鉛酸電池為主，急需新一代可靠、高效、綠色的飛輪UPS。國內(nèi)市場剛剛起步，尚無自主知識產(chǎn)權(quán)的飛輪UPS產(chǎn)品，潛力巨大。

磁懸浮儲能飛輪能量循環(huán)

軌道交通中使用的地鐵都存在電機制動的問題。多采用電氣制動為主，空氣制動為輔的互補制動形式。雖然電阻制動成本低，原理簡單，但是機車頻繁進出站帶來的制動能量會浪費在電阻上，而把制動能量回收的再生制動方法節(jié)能環(huán)保。利用飛輪陣列儲能系統(tǒng)來吸收機車進站剎車時產(chǎn)生的能量，然后在機車出站需要大功率能量加速時，由飛輪陣列儲能系統(tǒng)提供這部分能量的支撐，從而可節(jié)約能源。安裝在美國紐約地鐵的飛輪陣列儲能系統(tǒng)即被用來吸收列車制動能量和啟動支撐。

地鐵公司最大的運營成本是牽引動力用電，一般占到總用電量的50%以上，而制動能量一般占牽引用電的30%~ 40%?？梢姡侠砘厥绽弥苿幽芰繉⒑艽蟪潭扔绊懙降罔F運營成本。

智能電網(wǎng)分布式飛輪儲能調(diào)頻電站

電力調(diào)峰是電力系統(tǒng)須解決的重要問題，因為電網(wǎng)頻率的變動和偏差，對用戶和原動機的危害很大。電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性和準確性，是供電質(zhì)量的重要指標。飛輪儲能技術(shù)能在電網(wǎng)負荷處于低谷時，發(fā)電機/電動機作為電動機拖動飛輪，把電能轉(zhuǎn)換為動能。當在用電高峰時，發(fā)電機/電動機作為發(fā)電機把儲存在飛輪中的動能轉(zhuǎn)化為電能。與常用的抽水蓄能相比，飛輪儲能技術(shù)具有能量輸入輸出快捷、轉(zhuǎn)換效率高、成本低、充放電快捷等特點，在電力行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。

在電網(wǎng)調(diào)頻方面也有商業(yè)產(chǎn)品在一些工程中應(yīng)用，美國Beacon Power公司負責(zé)建造的20 MW的飛輪儲能工程于2011年7月12日在美國紐約正式投入運行，該工程能夠承擔(dān)該州10%的電網(wǎng)調(diào)頻的任務(wù)。

飛輪儲能系統(tǒng)飛輪電池

飛輪儲能系統(tǒng)安裝在電動汽車里，作為電動汽車的動力源，稱之為飛輪電池。80年代初，瑞士Oerlikon工程公司，研制成功完全由飛輪功能的第一輛公共汽車。

飛輪儲能系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電由于風(fēng)速不穩(wěn)定，給風(fēng)力發(fā)電用戶在使用上帶來了困難。傳統(tǒng)的做法是安裝柴油發(fā)電機，但由于柴油機本身的特殊要求，在啟動后30分鐘內(nèi)才能停機，而風(fēng)力常常間斷數(shù)秒，數(shù)分鐘。這就出現(xiàn)了兩個問題：柴油機組頻繁啟動，影響使用壽命；風(fēng)機重啟動后柴油機同時作用，會造成電能過剩?？紤]到飛輪儲能量大，儲能密度高，充電快捷，充放電次數(shù)無限，因此。國外不少科研機構(gòu)已將飛輪儲能引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，即：風(fēng)力發(fā)電機組 內(nèi)燃機組 飛輪儲能。

美國的Vista Tech Engineering，Ine將飛輪引入到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)全程調(diào)峰，飛輪機組的發(fā)電功率為300kW，大容量儲能飛輪的儲能為277kW/h。試驗表明．風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電能輸出性能及經(jīng)濟性能良好，較未采用飛輪儲能有很大改善 。

飛輪儲能系統(tǒng)免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS

(1)在市電輸入正常，或者在市電輸入偏低或偏高(一定范圍內(nèi))的情況下，UPS通過其內(nèi)部的有源動態(tài)濾波器對市電進行穩(wěn)壓和濾波，保證向負載設(shè)備提供高品質(zhì)的電力保障，同時對飛輪儲能裝置進行充電，UPS利用內(nèi)置的飛輪儲能裝置儲存能量。

(2)在市電輸入質(zhì)量無法滿足UPS正常運行要求，或者在市電輸入中斷的情況下，UPS將儲存在飛輪儲能裝置里的機械能轉(zhuǎn)化為電能，繼續(xù)向負載設(shè)備提供高品質(zhì)并且不間斷的電力保障。

(3)在UPS內(nèi)部出現(xiàn)問題影響工作的情況下，UPS通過其內(nèi)部的靜態(tài)開關(guān)切換到旁路模式，由市電直接向負載設(shè)備提供不間斷的電力保障。

(4)在市電輸入恢復(fù)供電，或者在市電輸入質(zhì)量恢復(fù)到滿足UPS正常運行要求的情況下，則立即切換到市電通過UPS供電的模式，繼續(xù)向負載設(shè)備提供高品質(zhì)并且不間斷的電力保障，并且繼續(xù)對飛輪儲能裝置進行充電。

飛輪儲能系統(tǒng)其他應(yīng)用

飛輪儲能系統(tǒng)還可以應(yīng)用在電力調(diào)峰、不間斷電源、大功率脈沖放電電源、賽車、通訊系統(tǒng)信號傳輸?shù)取?2100433B

飛輪儲能是實現(xiàn)能源高效利用的有效手段之一，已成為動力電池研究領(lǐng)域的主攻方向。項目針對飛輪儲能系統(tǒng)中傳動電機高速運行及飛輪轉(zhuǎn)子懸浮支承等技術(shù)難題，提出一種新型高效的磁懸浮無軸承異步電機傳動系統(tǒng)，用于飛輪儲能系統(tǒng)的懸浮支承和能量轉(zhuǎn)換。 經(jīng)過4年研究與實踐，課題組完成了既定研究計劃和任務(wù)，在特定對象飛輪儲能用磁懸浮無軸承異步電機(Bearingless Induction Motor，BIM)新型拓撲結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計、非線性智能控制、懸浮系統(tǒng)容錯控制、高速轉(zhuǎn)子振動抑制、無速度傳感器高效運行及高品質(zhì)數(shù)字控制集成系統(tǒng)實現(xiàn)等方面開展了研究工作。 相關(guān)成果獲2016年江蘇省科學(xué)技術(shù)三等獎1項、教育部發(fā)明二等獎1項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文47篇，其中SCI收錄24篇、EI收錄13篇，申請發(fā)明專利20項，其中授權(quán)10項。課題負責(zé)人入選江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程中青年學(xué)術(shù)帶頭人”、江蘇省“六大人才高峰”資助對象和“中國博士后特別資助”對象。主要工作如創(chuàng)新性成果如下： 1) 設(shè)計了一種無機械摩擦、結(jié)構(gòu)簡單緊湊同時能夠產(chǎn)生徑向力與軸向力的新型磁懸浮飛輪儲能用BIM，并開展電磁參數(shù)優(yōu)化計算，外協(xié)完成樣機加工。 2) 揭示了飛輪儲能用磁懸浮BIM系統(tǒng)多變量、非線性和強耦合特性，提出并實現(xiàn)了基于模型預(yù)測控制理論、滑模變結(jié)構(gòu)、自抗擾理論、懸浮系統(tǒng)容錯控制等磁懸浮無軸承異步電機系統(tǒng)非線性智能控制方法，實現(xiàn)了其高性能控制。 3) 提出了兩種不同補償準則下的BIM懸浮轉(zhuǎn)子振動補償控制策略，有效實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子振動抑制，提高了懸浮性能。 4) 攻克BIM系統(tǒng)運行控制中轉(zhuǎn)速檢測的難題，實現(xiàn)磁懸浮無軸承異步電機系統(tǒng)低成本無傳感器高效運行。 5) 設(shè)計并開發(fā)基于TMS320 DSP的BIM系統(tǒng)全數(shù)字控制系統(tǒng)，同時，基于C語言設(shè)計開發(fā)了數(shù)字控制系統(tǒng)的模塊化軟件程序，不僅提高了系統(tǒng)運行效率，而且增強了程序可移植性和通用性。 本項目的研究，將為新型磁懸浮系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，為提升飛輪儲能系統(tǒng)整體研究水平及自主創(chuàng)新能力提供有益幫助。

在儲能時，外界電能通過電力轉(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)，直至達到設(shè)定的某一轉(zhuǎn)速。在飛輪加速旋轉(zhuǎn)的過程中，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械動能轉(zhuǎn)換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中。之后，飛輪以設(shè)定的那一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直到接受到一個能量釋放的控制信號。釋能時，電機作為發(fā)電機使用，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動電機發(fā)電，經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負載的電流和電壓，完成機械動能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。在釋能的過程中，飛輪的轉(zhuǎn)速不斷的下降。整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出。