飞轮储能

1飞轮储能是什么
2飞轮储能系统

3飞轮储能的优势
4飞轮储能应用场景

5飞轮储能相关公司
6飞轮储能研究机构

飞轮储能是什么

飞轮储能技术是一种新兴电能存储技术，透过在低摩擦环境中高速旋转的转子来存储动能。飞轮储能可以实现电能与飞轮转子动能的转化。当释放能量时，通过驱动发电机工作，降低飞轮转子转速转换成电能；当储存能量时，通过电机使得飞轮转子升速，将电能转换成飞轮转子的动能。飞轮的响应速度在毫秒级，充放电效率高，环境友好无污染，运行寿命长，全寿命周期成本低，在调频领域具有得天独厚的优势

飞轮储能系统

飞轮储能系统一般包含飞轮转子、永磁同步电机、逆变器、轴承以及真空室等主要部件

(1) 飞轮转子：飞轮转子是飞轮储能系统的储能媒介，飞轮转子的特性关系着飞轮储能系统的储能量。

(2) 永磁同步电机：永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)结构简单，调速范围广，空载损耗小，功率密度高，是目前飞轮储能系统的常用电机。飞轮储能系统利用同步电机实现机械能与电能的相互转换，充电时通过永磁同步电机将电能转化为机械能储存起来，放电时再通过永磁同步电机将机械能转化电能释放出去。

电池或超级电容系统只需通过控制变流器就能实现储能系统的充放电，而飞轮储能系统需要通过控制永磁同步电机驱动飞轮转子才能实现充放电，对永磁同步电机的控制会影响储能系统整体的工作效率和功率输出能力。因此，不同于其他的储能系统，对飞轮储能系统的控制必须考虑永磁同步电机的控制策略。

(3)逆变器：飞轮储能系统逆变器包括双向DC-AC变流器与控制器。双向DC-AC变换器作为储能系统与牵引供电系统的能量交换装置，通过控制器合理的控制其开关脉冲即可控制永磁同步电机，实现飞轮储能系统的充放电控制。飞轮储能系统逆变器的拓扑如图

(4)轴承：轴承支撑系统为飞轮转子提供了支撑，是飞轮储能系统的重要组成部分。目前常见的轴承形式包括机械轴承和磁轴承，其中机械轴支撑强度高，安装简单，但存在能耗大，维护频繁，使用寿命短的缺点，已逐渐无法满足当下大转速、高效率飞轮储能系统的需求。磁轴承采用磁悬浮的方式，使飞轮转子悬浮于真空室，不存在机械摩擦，有效提高了系统效率，无需定期维护，使用寿命长，是飞轮储能系统的理想支撑方式。

(5)真空室：为进一步降低飞轮储能系统的功率损耗，可以将飞轮转子、电机以及轴承都放到真空环境中运行。真空室技术为飞轮储能系统提供了一个低风阻的运行环境，提高了的系统效率和可靠性^[1]。

飞轮储能的优势

(1)储能密度高，瞬时功率大。在短时间内可以输出更大的能量，有利于电磁炮的发射和车辆的快速启动。

(2)寿命周期长。在整个寿命周期内，不会因为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。其寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命，一般可长达20年左右。

(3)容易测量放电深度和剩余“电量”。

(4)充电时间短：一般几分钟内就可以将电量充满。

(5)能量转换效率高：一般可达90%左右，这意味着有更多可利用的能量、更少的热耗散，高于化学电池的转换效率。

(6) 绿色环保，无污染。

飞轮储能应用场景

飞轮储能系统适用于电力系统调频、风电等间歇式新能源发电、不间断电源(UPS)、轨道交通制动能量回收、脉冲功率电源等领域，目前在国外已有应用案例。

(1)电力系统调频：飞轮储能具有瞬间功率大的特点，可使电力系统频率的变动保持在允许偏差范围内而对发电机组有功出力进行的调整。2011年美国Beacon Power公司在纽约Stephen town镇建成第一座20MW/5MWh飞轮储能调频电站。

(2)风电等间歇式新能源发电：风力发电具有间歇性、随机性，会导致系统的稳定性问题。飞轮储能系统可以与风力发电等间歇式新能源相配合来供电，可以避免柴油发电机的频繁起停，提高风电渗透率，降低发电成本与电价。飞轮储能在葡萄牙亚速尔群岛已有相关应用。

(3)不间断电源：当外部电网中断或供电质量异常时，为确保这些用户连续可靠供电，可配备飞轮储能不间断电源。美国Active Power公司生产的飞轮储能UPS产品已经数据中心、电信运营商等领域采用

(4)轨道交通：将机车进站减速时的制动能量存储到飞轮储能系统中，在机车提速驶出时飞轮储能释放所存储的能量，实现制动能量再利用。美国纽约地铁已可采用飞轮储能，实现机车制动能量的再利用。

(5)脉冲功率电源：脉冲功率技术是将能量储存起来以后，再瞬间以脉冲大功率释放的技术，在高科技领域及国防军事上应用较多。德国IPP研究所的托卡马克装置可采用飞轮储能作为脉冲功率电源^[2]。

飞轮储能相关公司

国外参与飞轮储能主要企业包括：Beacon Power、VYCON、Temporal Power、Active Power、Amber Kinetics、Quantum Energy。国内飞轮储能市场，处于起步阶段，早期从事飞轮储能技术研发的单位有：北京飞轮储能(柔性)研究所、核工业理化工程研究院、中科院电工研究所、清华大学、华北电力大学、北京航空航天大学等。现阶段飞轮储能公司主要有以下几个

(1)华阳股份：两套600千瓦全磁悬浮飞轮储能系统在华阳集团飞轮储能项目生产基地于2021年8月成功下线，将用于深圳城市轨道交通。

(2)国机重装：旗下二重装备成立了二重德阳储能科技有限公司，自2020年开始飞轮储能装置项目上线运行。公司自主研发的10OKW、200KW飞轮储能装置，具有储能密度大，效率高成本低，使用寿命长等优势，在国内同行业中处于领先地位。公司具备制造高端锻铸件优势。

(3)广大特材：已成功开发了飞轮储能转子产品，已装机运行。

(4)苏交科：子公司交科能源已有基于飞轮储能的通用能量回收整套系统，并为飞轮储能数个专利持有方。

(5)湘电股份：所属子公司湘电动力有限公司与其他单位联合研制中国首台套1兆瓦飞轮储能装置在青岛地铁3号线万年泉路站完成安装调试并顺利并网应用。产品拥有完全自主知识产权。

(6)泓慧能源：公司致力于完全自主知识产权的大功率真空磁悬浮飞轮储能的研发、生产、销售和服务。

(7)坎德拉(深圳)新能源科技有限公司：公司定位以磁悬浮飞轮储能技术为核心的飞轮储能产品设备供应商和储能系统集成商。

(8)微控新能源技术有限公司：公司掌握了全球领先的全磁悬浮轴承及控制技术、飞轮材料及工艺技术、高速电机技术、大功率电力电子变换、安全防护等核心技术，拥有国内/国际发明专利四十余项。微控公司是辽宁省主动磁悬浮技术应用工程研究中心依托单位，承担了辽宁省、深圳市重大科技专项研发项目，我国飞轮储能标准制定企业。2022年2月28日获一笔来自交投润达的股权融资

(9)贝肯新能源：从事先进储能技术的全球化高新技术企业，致力于提供成熟可靠的超大功率飞轮储能电网调节技术。

(10)盾石磁能：GTR飞轮储能装置在城市轨道交通应用项目在轨道交通领域达到国际先进水平。公司具有高速磁悬浮电机及控制核心技术，消化吸收欧洲较大铀浓缩公司Urenco的技术，具有高速磁悬浮电机及控制核心技术，与国内中科院电工所、华中科技大学、上海交通大学等单位合作开发，专门用于轨道交通的GTR333型符合永磁碳纤维转子飞轮成功用于洛杉矶地铁、北京地铁。

(11)中核汇能有限公司：中核汇能是一家新能源开发运营商，专注于新能源产业开发建设及运营，主要涉及风电、光伏、地热、氢能等可再生能源服务。

(12)恩斯特：一家同时掌握电磁恳浮和超导磁恳浮飞轮储能技术，装备制造及系统方案捉供商。团队掌握各核心部件(飞轮材料、电机、磁轴承、电机控制器、磁轴承控制器等)全链条自主知识产权。实现飞轮储能关键技术的自主可控。是国内拥有秒级、分钟级、小时级全应用场景飞轮储能系统解决方案的高科技新创企业^[3]。

飞轮储能研究机构

飞轮储能技术自20世纪中叶开始发展，至今已经有超过50年的研究、开发和应用历史。目前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、制造工艺、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。目前，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。

美国：目前，美国在飞轮储能技术研究方面居于全球领先地位，这主要得益于DOE和NASA等机构从上世纪70年代以来的长期投入和近10多年资本市场的持续支持。在商用飞轮市场，具有代表性的企业主要包括专注于电网级应用的BeaconPower公司、专注于企业级UPS应用的ActivePower公司、专注于大功率应用的AFSTrinityPower公司和专注于城市轻轨动能再生的Pentadyne公司(已重组)等。

欧洲：在众多欧洲国家中，德国和英国对飞轮储能技术的研究最为深入，另外法国、意大利等国也有较大的投入。日本：日本在高强度碳纤维材料、高温超导材料等方面具有雄厚的技术实力，为飞轮储能技术的发展提供了有利条件。

在国内，中国科学院电工研究所率先投入研究，开拓了国内飞轮储能领域的先河。国内从事飞轮储能技术研究的机构有清华大学、北京航天航空大学、华北电力大学、哈尔滨工业大学、天津大学、浙江大学、西南交通大学等高校，此外唐山盾石磁能科技、北京泓慧能源、沈阳微控、二重德阳储能和航天803所等研制出了适用于不同领域的飞轮储能产品。

中国科学院电工研究所主要进行了关于飞轮储能磁悬浮轴承方面的研究分析，研究飞轮储能用于改善微电网电能质量；清华大学研制出了0.5kWh、0.3kWh飞轮储能系统，1kWh/20kW飞轮储能样机，并在微损耗磁悬浮轴承、高密度复合材料飞轮转子和试验样机方面取得了一定的成果；华北电力大学研制出了永磁流体动压混合支承飞轮储能系统，转速约10000r/min，在应用于可再生能源并网、辅助常规机组调频方面进行了研究，通过理论研究与仿真分析进行验证