陳亞愛，甘時霖，周京華，陳煥玉

(北方工業(yè)大學北京市電力電子與電氣傳動工程研究中心，北京100144)

飛輪儲能技術(shù)

陳亞愛，甘時霖，周京華，陳煥玉

(北方工業(yè)大學北京市電力電子與電氣傳動工程研究中心，北京100144)

飛輪儲能技術(shù)因其儲能密度大、儲能效率高、對環(huán)境無危害等優(yōu)點而備受關(guān)注。在分析飛輪儲能工作原理的基礎(chǔ)上，重點介紹了當今飛輪儲能系統(tǒng)中儲能釋能分立結(jié)構(gòu)和雙向逆變結(jié)構(gòu)的電路拓撲，以及目前飛輪儲能技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用情況，為飛輪儲能技術(shù)的研究與工程應(yīng)用提供參考。

飛輪儲能技術(shù)；電路拓撲；儲能；釋能

飛輪儲能技術(shù)因其儲能密度大、儲能效率高、對環(huán)境無危害等優(yōu)點而備受關(guān)注。大約在20世紀50年代飛輪儲能技術(shù)就被提出，受到當時技術(shù)水平以及硬件設(shè)備的限制飛輪儲能技術(shù)發(fā)展緩慢。直到20世紀80年代初期，高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)、高強度碳素纖維化合物、現(xiàn)代電力電子技術(shù)得到了重大研究突破，帶動了飛輪儲能技術(shù)的深入研究。隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設(shè)，儲能技術(shù)成為全球研究的重要課題，飛輪儲能技術(shù)也隨之成為研究熱點問題之一[1]。

1 飛輪儲能系統(tǒng)的分類及工作原理

1.1 飛輪儲能系統(tǒng)的分類

目前國內(nèi)外研究的飛輪儲能系統(tǒng)的種類很多，若按飛輪儲能系統(tǒng)所用電機可分為：基于同步電機的飛輪儲能系統(tǒng)[2-3]、磁阻電機的飛輪儲能系統(tǒng)[4]和基于感應(yīng)電機的飛輪儲能系統(tǒng)[5]；若按飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲分則有：儲能釋能分立結(jié)構(gòu)飛輪儲能系統(tǒng)[6]和雙向逆變結(jié)構(gòu)飛輪儲能系統(tǒng)[7]；若按系統(tǒng)調(diào)節(jié)器可分為：傳統(tǒng)PID控制的飛輪儲能系統(tǒng)[8]、模糊PID控制的飛輪儲能系統(tǒng)[9-10]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的飛輪儲能系統(tǒng)[11-12]。飛輪儲能系統(tǒng)分類圖如圖1所示。本文以飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲分類進行綜述。

1.2 飛輪儲能系統(tǒng)組成及工作原理

飛輪儲能系統(tǒng)是一種以動能方式存儲能量的機械電池，它由高速飛輪、電動機/發(fā)電機、軸承、功率電子變換器、控制設(shè)備以及附加設(shè)備(如真空泵、緊急備用軸承)等組成，如圖2所示。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)分類圖

圖2 飛輪儲能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

飛輪系統(tǒng)在儲能時，由工頻電網(wǎng)提供的電能，經(jīng)功率電子變換器，驅(qū)動電機并帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，以動能的形式將能量儲存于飛輪中，從而完成電能-機械能轉(zhuǎn)換的儲存能量過程。當需要向負載供電或者并入電網(wǎng)時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出用于負載的電流與電壓，完成機械能-電能轉(zhuǎn)換釋放能量過程。整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出的全過程[14]。圖3所示為飛輪儲能系統(tǒng)工作原理示意圖。

圖3 飛輪儲能系統(tǒng)工作原理示意圖

2 飛輪儲能系統(tǒng)儲能技術(shù)

飛輪儲能系統(tǒng)中，控制器的作用是在儲能時采用不同的控制方法，控制主電路半導(dǎo)體元件的開通和關(guān)斷，完成脈寬調(diào)制，使逆變器輸出電壓符合需要的頻率大小和波形，滿足飛輪加速或減速的需要[7]。圖4所示為飛輪儲能驅(qū)動系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，PWM變流器1起整流作用，將工頻交流電整流為直流電；PWM變流器2起逆變作用，將直流電源經(jīng)脈寬調(diào)制變?yōu)轭l率電壓可調(diào)的交流電，驅(qū)動電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電機工作在電動狀態(tài)，將電能轉(zhuǎn)化為動能儲存于飛輪中。

圖4 飛輪儲能驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

由前所述，飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)主要有：(1)儲能與釋能回路分立結(jié)構(gòu)；(2)儲能與釋能回路一體的雙向逆變結(jié)構(gòu)[3]，其中一體結(jié)構(gòu)又可以分為雙向背靠背結(jié)構(gòu)和獨立升降壓雙向逆變結(jié)構(gòu)。分立結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是控制方法相對簡單，缺點是功率器件多但利用率低和拓撲電路相對復(fù)雜；較之分立結(jié)構(gòu)，雙向逆變結(jié)構(gòu)其具有功率器件少、集成度高以及拓撲簡單等優(yōu)點，缺點是相對分立的結(jié)構(gòu)而言，其控制算法較為復(fù)雜。

2.1 基于儲能釋能回路分立結(jié)構(gòu)的儲能技術(shù)

飛輪儲能系統(tǒng)要求驅(qū)動飛輪的電機能夠運行在電動、能量保持和發(fā)電三種狀態(tài)。儲能釋能回路分立結(jié)構(gòu)的飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲如圖5所示，控制系統(tǒng)主要由AC/DC整流電路、DC/AC逆變電路、機電雙向能量變換器、工作方式控制開關(guān)以及飛輪單元等組成[13]。

當系統(tǒng)工作在儲能狀態(tài)時，機電雙向能量變換器工作在逆變狀態(tài)，飛輪電機作為電動機運行。電能經(jīng)三相不控整流電路將交流電變換為直流電為逆變側(cè)提供穩(wěn)定的直流源[14]。通過控制器控制逆變器輸出頻率，使電機升速達到給定轉(zhuǎn)速，帶動飛輪旋轉(zhuǎn)完成電能的儲存。系統(tǒng)工作在釋能狀態(tài)時，電機作為發(fā)電機運行，應(yīng)用PWM整流技術(shù)對輸出的交流電進行整流，使直流母線電壓維持穩(wěn)定，此時輸出的直流電經(jīng)網(wǎng)側(cè)逆變器后回饋電網(wǎng)或供給交流負載[15-16]。

圖5 飛輪儲能系統(tǒng)儲能釋能回路分立結(jié)構(gòu)主電路拓撲

文獻[6]介紹了利用電機電感的儲能升壓實現(xiàn)飛輪能量回饋的發(fā)電控制方案，即根據(jù)永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置信號，導(dǎo)通相應(yīng)的開關(guān)管，使電機電流與電動勢反相，回饋能量。

2.2 基于雙向逆變結(jié)構(gòu)的儲能技術(shù)

由于PWM控制的三相橋結(jié)構(gòu)變流器可工作于整流和逆變兩種狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳輸，且硬件結(jié)構(gòu)簡單，因此在飛輪儲能系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[17]。

2.2.1 采用雙向DC-DC電路結(jié)構(gòu)變換器的儲能技術(shù)

采用雙向DC-DC變換器的飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲如圖6所示，主電路由雙向DC/DC變換器、逆變電路等部分組成[18]。

圖6 采用雙向DC-DC變換器的飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲

如圖6所示，在三相橋變換器的基礎(chǔ)上增加了兩個功率器件，用于獨立的升壓、降壓控制。在儲能工作模式下，充電時Qboost關(guān)斷，采用Qbuck、Dbuck、L、C2組成的Buck降壓電路控制直流母線電流恒定，從而實現(xiàn)飛輪電機的控制；三相橋用于飛輪電機的換相。電機為電動機工作模式，能量由網(wǎng)側(cè)向電機側(cè)正向流動。驅(qū)動系統(tǒng)是一個電流速度的雙閉環(huán)系統(tǒng)，控制框圖如圖7所示，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。文獻[19]介紹了運用此控制方法實現(xiàn)對飛輪系統(tǒng)的儲能控制，使電機驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動完成儲能。

圖7 雙閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖

當系統(tǒng)切換到釋能狀態(tài)時，Qbuck關(guān)斷，采用Qboost、Dboost、L、C1組成的Boost升壓電路控制負載兩端電壓恒定；三相橋六個開關(guān)管全部關(guān)斷，僅續(xù)流二極管用于不控整流。電機處于發(fā)電機工作狀態(tài)，在放電過程中系統(tǒng)的機械能轉(zhuǎn)換成電能，電機的轉(zhuǎn)速下降致使電機端電壓逐漸下降，因此需要在負載前加上Boost升壓電路。系統(tǒng)工作在釋能狀態(tài)下，電能通過續(xù)流二極管組成不空整流電路將交流轉(zhuǎn)為直流，再經(jīng)Boost升壓斬波電流為網(wǎng)側(cè)逆變器或者直流負載提供穩(wěn)定的直流電源。

文獻[20-21]介紹了如圖6所示拓撲下的釋能控制策略并且采用了新型的Boost升壓電路，對DC/DC變換器采用雙閉環(huán)控制直流側(cè)的電壓和電流，控制框圖如圖8所示。在控制器中給定參考電壓，通過電壓調(diào)節(jié)器控制輸出側(cè)的直流電壓，電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的參考值；該雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)不僅能夠同時控制輸出側(cè)的電壓電流值防止系統(tǒng)過壓過流，并且還能夠有效減小擾動以及由于轉(zhuǎn)速下降太快、電流過大、過度釋能的影響。

圖8 DC/DC變換器采用雙向閉環(huán)控制框圖

2.2.2 采用雙向背靠背變流結(jié)構(gòu)的儲能技術(shù)

在文獻[3]、[7]和[22]介紹的飛輪儲能系統(tǒng)中電力變換器主要完成飛輪的儲能和釋能時的回饋，如圖9所示雙向背靠背儲能和釋能一體的結(jié)構(gòu)拓撲，網(wǎng)側(cè)變流器在飛輪儲能系統(tǒng)工作在儲能工況時為PWM整流器，在釋能工況下為逆變器；電機側(cè)變流器在儲能工況下為逆變器，在釋能工況下為PWM整流器。該拓撲結(jié)構(gòu)簡單、功率器件少、集成度高[23]。

如圖9所示飛輪儲能系統(tǒng)主電路采用背靠背雙向PWM變流器拓撲結(jié)構(gòu)，其電網(wǎng)側(cè)PWM變流器通過LCL濾波器與電網(wǎng)連接，Lg，Lr分別為LCL濾波器的電網(wǎng)側(cè)電感和變流器側(cè)電感，Cf為交流濾波電容。電機側(cè)PWM變流器為永磁同步電機的定子電樞繞組供電。直流母線上電容的作用是抑制母線電壓的紋波，圖9中Udc為直流母線電壓。在2個變流器間設(shè)置泄放回路的主要目的是防止電機處于發(fā)電狀態(tài)時，逆變器出現(xiàn)故障導(dǎo)致母線電壓泵升，造成直流支撐電容損壞。

圖9 雙向背靠背結(jié)構(gòu)逆變器的飛輪系統(tǒng)

飛輪儲能系統(tǒng)的整體控制策略的目標是：(1)保持網(wǎng)側(cè)和電機側(cè)的能量平衡；(2)按需求控制系統(tǒng)的能量傳輸[3]。儲能工況下電網(wǎng)側(cè)變流器采用的是電網(wǎng)電壓定向控制算法來控制母線電壓穩(wěn)定，電機側(cè)驅(qū)動器采用的是磁場定向控制算法來控制電機轉(zhuǎn)速。整體控制框圖如圖10所示。飛輪儲能系統(tǒng)需要根據(jù)上層控制策略計算得到的電流指令值，在其工作范圍內(nèi)滿足該電流指令要求，因此電機側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制。為了防止直流母線電壓泵升或者下降，網(wǎng)側(cè)變流器采用電壓電流的雙閉環(huán)控制，保證母線電壓穩(wěn)定。

圖10 整體控制框圖

飛輪儲能系統(tǒng)釋能時，為保證負載正常工作需要機側(cè)變流器來穩(wěn)定直流母線電壓，控制系統(tǒng)外環(huán)為直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，根據(jù)電容電壓的變化控制永磁同步電機經(jīng)變流器輸出到直流側(cè)的功率。網(wǎng)側(cè)變流器工作在逆變并網(wǎng)模式下使飛輪儲存能量回饋電網(wǎng)或者負載側(cè)供電[24]。

3 飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用

飛輪儲能技術(shù)在許多領(lǐng)域已經(jīng)投入使用，特別是在美國、日本、德國等發(fā)達國家發(fā)展得已比較成熟。其主要應(yīng)用在電力調(diào)峰、不間斷電源、飛輪電池、航空航天等領(lǐng)域。

3.1 電力調(diào)峰

飛輪儲能系統(tǒng)的運行沒有地理限制，不污染或破壞環(huán)境，可在任意時間間隔、以任意規(guī)模方便地進行能量存儲與釋放，可就近分散放置，適應(yīng)環(huán)境保護的要求，因而被認為是近期最有希望和最有競爭力的新型調(diào)峰技術(shù)。另外，由于它的充放功率可以很大，并聯(lián)或串聯(lián)在電網(wǎng)中也能起到改變系統(tǒng)阻尼、增加電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。德國于1996年建造的100 MWh的超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能電站，飛輪儲能系統(tǒng)效率可達96%?？紤]到飛輪的儲能密度高、充放電快捷、充放電次數(shù)不限等優(yōu)點，國外許多研究機構(gòu)已將飛輪儲能引入風力發(fā)電系統(tǒng)。美國的BCON公司制造的20 MW的飛輪儲能系統(tǒng)已在紐約配合當?shù)仫L電網(wǎng)投入使用[25]。

3.2 不間斷電源(UPS)

UPS是一種利用市電或蓄電池能源向負載提供高質(zhì)量交流電源的設(shè)備。飛輪儲能裝置正在逐步取代UPS中的化學蓄電池，特別是用在通信行業(yè)的UPS中，由于很多工作在戶外，工作環(huán)境差，一般的化學蓄電池不能適應(yīng)，而飛輪儲能裝置對環(huán)境無要求，工作適應(yīng)能力較強[26]。美國Active Power公司主要生產(chǎn)用于不間斷電源的飛輪儲能裝置，該公司生產(chǎn)的飛輪儲能系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速在7 000～7 700 r/min，工作維持時間為幾十秒到幾分鐘[27]。

3.3 飛輪電池

將飛輪安裝在化學電池或內(nèi)燃機供能的機車上起緩沖器作用與系統(tǒng)協(xié)同工作，稱這種裝置為飛輪電池。汽車制動過程中，將制動能耗通過電動機轉(zhuǎn)化為飛輪的機械動能儲存起來，成為再生能源。當汽車需大功率工作時，飛輪再通過發(fā)動機將動能釋放以供系統(tǒng)使用。該技術(shù)也可用在火車和軍用電池坦克上。研究表明合理設(shè)計混合飛輪電池可節(jié)約能耗30%，并能減少廢氣排放量75%。美國的威斯康星大學、勞倫斯國家實驗室、麻省理工學院、德國的磁電機公司和加拿大的McMaster大學目前都在此方面有所研究，并取得了一定的成果[27]。

3.4 航空航天

現(xiàn)代航天器大多采用太陽電池陣和蓄電池聯(lián)合供電系統(tǒng)。蓄電池組的主要用途是在航天器進入地球陰影區(qū)時，在太陽電池陣不能供電給負載時供電，或在負載需求功率超過太陽電池陣功率時供電。這種蓄電池系統(tǒng)存在比能小、可靠性低、充放電深度難以準確估量及使用壽命等問題制約了現(xiàn)代航天器的發(fā)展。采用飛輪儲能系統(tǒng)不但能克服這些缺點完成能量供給，還可實現(xiàn)姿態(tài)控制，使航天器的質(zhì)量得到較大幅度的減輕，降低系統(tǒng)成本的同時增強系統(tǒng)的可靠性。因此姿態(tài)控制和儲能兩用飛輪系統(tǒng)的研究已成為當前國內(nèi)外衛(wèi)星飛輪系統(tǒng)的研究熱點[28]。美國Satcon技術(shù)公司、NASA研究中心和馬里蘭大學都在開發(fā)衛(wèi)星姿態(tài)控制用飛輪儲能系統(tǒng)，其中NASA還進行了太空運行實驗。

4 結(jié)語與展望

飛輪儲能具有大儲能容量、高效率、無污染、適用廣、無噪聲、長壽命、維護簡單及可實現(xiàn)連續(xù)工作等優(yōu)點，已成為國際能源界研究的熱點之一[29]。我國應(yīng)當積極從國家層面支持國內(nèi)飛輪儲能電源技術(shù)研究開發(fā)，早日推出國產(chǎn)飛輪儲能電源高技術(shù)產(chǎn)品[30]。飛輪儲能系統(tǒng)不僅可以解決偏遠地區(qū)的供電問題，同時又能提高電能的利用效率，為電力行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展提供了重要保障。隨著飛輪儲能系統(tǒng)多單元并聯(lián)技術(shù)逐漸成熟，飛輪作為一項新的儲能裝置在未來幾年中必將獲得更廣泛的應(yīng)用。

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Energy storage technology of flywheel

CHEN Ya-ai,GAN Shi-lin,ZHOU Jing-hua,CHEN Huan-yu
(Power Electronics&Motor Drivers Engineering Research Center,North China University of Technology,Beijing 100144,China)

The energy storage technology of flywheel has attracted more attention because of its high energy storage density,high storage efficiency and no harm to the environment.On the basis of operation principle of flywheel energy storage,the flywheel energy storage system and energy release discrete structure and bidirectional inverter circuit structure were emphatically introduced.The domestic and international application of flywheel energy storage system based on the advantages of this technology was presented.

energy storage technology of flywheel;circuit;storing energy;releasing energy

TM 31

A

1002-087 X(2016)08-1718-04

2016-01-08

陳亞愛(1961—)，女，上海市人，教授，主要研究方向為電力電子與電氣傳動。