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1、良辰美景奈何天，便赏心乐事谁家院。则为你如花美眷，似水流年。汤显祖志不强者智不达，言不信者行不果。墨翟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
2、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。丈夫志四方，有事先悬弧，焉能钧三江，终年守菰蒲。顾炎武海纳百川，有容乃大；壁立千仞，无欲则刚。林则徐 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
3、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：221JE，其中 J 为飞轮的转动惯量，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：志不强者智不达，言不信者行不果。墨翟非淡泊无以明志，非宁静无以致远。诸葛亮 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
4、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 UU2+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。除了以母线电压作为飞轮储能系统充放电的控制参数外，还可以选择母线电流、能量潮流等七种电能参数作为控制参数，控制逻辑不变，此处不再详述。2 飞轮储能的分类 从飞轮的特性上分，可分为功率性飞
5、轮和能量型飞轮。宠辱不惊，看庭前花开花落；去留无意，望天上云卷云舒。洪应明以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。管子牧民功率型飞轮，指存储的能量总量较小，但是单体功率较大，充放电速度较快，响应较为迅速，且可以频繁充放电的飞轮，这种飞轮适合于电网调频、负荷侧功率波动较大且频繁的应用场景；能量型飞轮，是指存储的能量总量较大，充放电时间较长的飞轮，这种飞轮适合电网调峰、负荷侧功率短期波动较小的应用场景。从飞轮的材质上分，目前市场上成熟的技术包括钢制飞轮和复合材料飞轮两类。钢制飞轮的研究时间较长，应用较成熟，但飞轮工作时一旦发生事故，高速旋转的飞轮会击碎容器飞出，造成较大危险；复合材料飞轮因其材
6、质和结构的特殊性，具备钢制飞轮储能装置所不能具备的诸多优势，如设备运行绝对安全（无转子解体后击穿壳体的风险）、可频繁深度充放电（北京地铁在用 GTR 飞轮储能装置每小时充放电次数高达 350 次以上）、生命周期内基本免维护（无需定期探伤，维护项目只涉及定期更换冷却液）等，也因此多被选用到对设备安全性要求较高，需要设备充放电次数较频繁，要求设备具备便捷确定和少维护的应用场景，如：航空航天（卫星储能电池，综合动力和姿态控制）、核工业（铀浓缩离心机与棒控电源）、军事（大功率电磁炮）、轨道交通（地铁再生制动能量回收，电动汽车能量回收与加速性能提高）等。3 典型飞轮储能项目简介 目前，飞轮储能技术已经在
7、美国、加拿大等国家得到较好的推广，并已积累 15 年以上的运行经验；在我国，飞轮储能技术也已经得到云路鹏程九万里，雪窗萤火二十年。王实甫志不强者智不达，言不信者行不果。墨翟逐步推广普及，各类示范项目运行情况良好，逐步得到市场认可。根据公开资料整理的国内外主要飞轮制造商和研究机构的产品技术指标如图 4 所示。图 4 主要飞轮储能产品列表 目前美国公司 Beacon Power 在美国纽约州及宾夕法尼亚州建有两个电网侧飞轮储能项目，规模均为 20MW，分别于 2011 年 6 月和2014 年 7 月全面投入商运，目前为止运行安全且取得较好的经济效益，如图 5 所示；加拿大公司 Temporal
8、Power 在安大略省也建了一座规模为 5MW 的飞轮储能项目，2016 年 2 月投运，运行良好，该储能电站主要配合附近的 20 MW 风电场运行，可以平滑风电出力也可对风电场提供无功补偿，如图 6 所示；飞轮储能同样适用于光伏电站：2018 年 4 月 Amber Kinetics 公司在美国马萨诸塞州与 370 kW 光伏发电系统配套运行 128 kW/512 kWh 的飞轮项目投运，运行情况良好，如图 7 所示。好学近乎知，力行近乎仁，知耻近乎勇。中庸常将有日思无日，莫待无时思有时。增广贤文 图 5 宾夕法尼亚州 20MW 飞轮调频电站 图 6 安大略省风电场配套 5MW 飞轮储能电站
9、 图 7 马萨诸塞州光伏配套 128kW 飞轮储能电站 目前飞轮储能技术已在国内火电机组联合调频、轨道交通能量回收、新能源消纳等领域得到推广。国内部分火电机组-飞轮联合调频非淡泊无以明志，非宁静无以致远。诸葛亮海纳百川，有容乃大；壁立千仞，无欲则刚。林则徐项目如图 8 所示；北京地铁房山线飞轮储能项目于 2019 年 4 月投运，运行情况良好，用户反馈意见如图 9；英利集团开展的飞轮储能促进新能源消纳项目于 2016 年 6 月投运，运行情况良好，用户反馈意见如图 10。图 8 国内部分火电机组-飞轮联合调频项目 图 9 北京地铁飞轮储能项目意见书 图 10 英利集团飞轮储能项目意见书 4 飞
10、轮储能与其他储能方式的技术特性对比分析 目前，已开发并得到成熟应用的储能技术主要可分为物理储能和化学储能两大类，如图 11 所示。物理储能主要包括抽水储能、飞轮丈夫志四方，有事先悬弧，焉能钧三江，终年守菰蒲。顾炎武常将有日思无日，莫待无时思有时。增广贤文储能、压缩空气储能、蓄热蓄冷技术等；化学储能则包括各类蓄电池、超级电容器、可再生燃料电池（如金属空气电池，氢能：电解水制氢储氢燃料电池发电）、液流电池和电制氢、电制天然气技术等。储能技术手段物理储能化学储能机械式储能储热/蓄冷技术电气储能电化学储能化学类储能抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能储热技术蓄冷技术超级电容器超导储能锂离子电池钠硫电池铅酸电池
11、液硫电池电制氢电制天然气 图 11 常用储能技术手段 根据 CNESA（中关村储能产业技术联盟）全球储能项目库的统计，截至 2019 年底，全球已投运储能项目累计装机规模 184.6GW，同比增长 1.9%。其中，抽水蓄能的累计装机规模最大，为 171.0GW，同比增长 0.2%；电化学储能的累计装机规模紧随其后，为 9520.5MW；在各类电化学储能技术中，锂离子电池的累计装机规模最大，为老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。唐王勃古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。苏轼8453.9MW。如图 12 和图 13 所示。图 12 全球储能市场累计装机规模（截止 2019
12、 年年底）图 13 全球电化学储能市场累计装机规模及增长情况 根据 CNESA 全球储能项目库的统计，截至 2019 年底，我国已投运储能项目累计装机规模 32.4GW，占全球市场总规模的 17.6%，同比增长 3.6%。其中，抽水蓄能的累计装机规模最大，为 30.3GW，同比增长 1.0%；电化学储能的累计装机规模位列第二，为 1709.6MW，同比增长 59.4%；在各类电化学储能技术中，锂离子电池的累计装机规模最大，为 1378.3MW。如图 14 所示。一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。增广贤文老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。唐王勃 图 14 中国储能市场累计装机规模（截
13、止 2019 年年底）近几年，我国电化学储能技术一直保持快速增长态势，年复合增长率（2015-2019）达到 79.7%，相对而言，物理储能技术虽然增速缓慢，但是压缩空气储能和飞轮储能在 2019 年均实现了各自的应用突破：国内GW级压缩空气储能项目葛洲坝肥城1.25GW/7.5GWh盐穴压缩空气储能电站开工建设；国内兆瓦级飞轮储能技术应用方面也实现0的突破北京地铁房山线广阳城站GTR 1MW飞轮储能实现商用，填补了国内应用飞轮储能装置解决城市轨道交通再生制动能量回收方式的空白。在众多储能技术方式中，飞轮储能具有其特殊优势：与各类化学储能方式相比，飞轮储能具有储能密度高、充放电速度快、效率高、
14、寿命长、无需特殊维护、无污染、应用范围广、适应性强等优点；与抽水蓄能、压缩空气储能等物理储能方式相比，飞轮储能具有建设地点不受自然环境条件限制、充放电速度快、应用范围广等优点。飞轮储能与其他常用储能方式的优缺点对比见表 1。表 1 各类储能技术手段的优缺点 类型 建设占地单位运维环境安全使用能量转换调频容量 忍一句，息一怒，饶一着，退一步。增广贤文其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。论语穷则独善其身，达则兼善天下。孟子以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。管子牧民图 15 展示的飞轮储能产品采用模块化设计，单台产品参数为333kW/3.61kWh（全功率充放电时间仅 17s），每台产品
15、的尺寸为1.1m*1.55m*2.2m，重量为 1.5t/台，其中飞轮的重量为 110kg，直径约为 90cm，最高转速为每分钟 36000 转；产品可实现 1ms 响应、5ms全功率响应，实现化学电池无法实现的大功率、快速、准确的毫秒级响应；且该磁悬浮式飞轮运行在真空腔体内，飞轮与真空体之间没有摩擦，能量损耗极低；单品采用模块化制造，可根据需要选配产品数量，通过多台飞轮储能产品的阵列组合扩展存储容量及充放电速率。飞轮储能系统的电气接口为直流接口，当需要接入交流配电网系统中，需要配合并网逆变器（PCS）实现飞轮储能系统与交流电网的连接，此时飞轮储能和并网逆变器整体对外为交流系统。飞轮储能及并网
16、逆变器的主回路电气接线原理图如图 16。图 16 飞轮储能接入交流配电网 从建设成本看，抽水蓄能、铅酸电池、锂离子电池、飞轮储能的建设成本及按照运行年限进行折算的全寿命期内的建设成本年值见表 2。表 2 各类储能技术手段的建设成本及全寿命期建设成本年值 志不强者智不达，言不信者行不果。墨翟常将有日思无日，莫待无时思有时。增广贤文储能技术手段 单位kW建设成本（元）单位 kWh建设成本（元）运行寿命（年）初始投资折算年值系数 单位kW建设成本年值（元/年）单位 kWh建设成本年值（元/年）抽水蓄能 5000 500 40 0.0555 277.5 27.75 铅酸电池 1200 1000 4 0
17、.2686 322.3 268.6 锂离子电池 3000 2500 8 0.1474 442.2 368.5 飞轮储能 3100 25000 25 0.0676 209.6 1690 从表 2 可以看到，抽水蓄能电站的单位 kW 造价最高，铅酸电池的单位 kW 造价最低，锂离子电池和飞轮储能的单位 kW 造价均处于中等水平；按照设计运行寿命进行折算后，铅酸电池和锂离子电池的单位造价在 300450 元/kW年，造价较高，抽水蓄能和飞轮储能的单位造价在 200300 元/kW年，低于化学电池。从表 2 可以看到，飞轮储能的单位 kWh 造价最高，抽水蓄能的单位 kWh 造价最低，铅酸电池和锂离子
18、电池的单位 kWh 造价处于中等水平；按照设计运行寿命进行折算后，轮储能的单位造价约 1700元/kWh年，远高于铅酸电池和锂离子电池，抽水蓄能的单位造价约 30 元/kW年，远低于铅酸电池和锂离子电池。综合分析可知，抽水蓄能机组运行年限长，从功率和容量角度其单位造价都很低；飞轮储能运行年限长，其单位功率的造价水平较低，但单位容量的造价水平还很高；锂离子电池和铅酸电池运行年限短，单位功率造价水平高于抽水蓄能和飞轮储能，但单位容量造价水平显著低于飞轮储能。因此，目前飞轮储能项目应重点侧重功率型飞轮的建设，充分发挥飞轮储能项目调节速度快、单位功率造价低廉的优势，针对不同的应用场景，可以引入单独飞轮
19、储能的调频项目，也可以引我尽一杯，与君发三愿：一愿世清平，二愿身强健，三愿临老头，数与君相见。白居易古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。苏轼入飞轮-化学电池联合储能项目，由飞轮承担电网调频任务、化学电池承担调峰任务，实现技术经济最优的电网侧及用户侧储能系统建设方案。从运维成本角度看，抽水蓄能与飞轮储能结构简单，运行与维护成本低；化学电池因内部结构复杂导致发生故障频率高，后期维护成本高，化学电池需配备专门的空调进行散热，电费支出较大。从环保角度看，抽水蓄能与飞轮储能全生命周期均不产生污染物，干净环保，飞轮的钢材或复合材料退役后均可再利用，实现了资源的循环使用；化学电池的生产过程及报
20、废处理过程中，大量化学物质易造成环境污染。从安全性角度看，抽水蓄能与飞轮储能均属于物理储能方式，运行可靠，安全性很高；化学电池中含有大量易燃易爆的化学物质且内部结构复杂，故障率较高，且极易造成火灾等安全事故。据统计，韩国 2018 年 10 月2019 年 10 月，1 年内其境内 100多座电化学储能电站发生较大火灾 23 起，火灾发生率极高；2020 年3 月，美国亚利桑那州菲尼克斯郊区的电化学储能发生故障冒烟，消防员进入检查时发生爆炸，多人受伤；2018 年 8 月，江苏镇江一化学储能电站电池集装箱起火并烧毁；2019 年 5 月，北京一酒店的用户侧电化学储能项目发生火灾。频繁发生的火灾
21、事故严重制约了电化学储能行业的发展，2019 年，国网公司两次对电化学储能项目紧急叫停。图 17、图 18 为储能电站火灾现场图片。人人好公，则天下太平；人人营私，则天下大乱。刘鹗穷则独善其身，达则兼善天下。孟子 图 17 韩国灵岩风电场配套 4MW/12MWh 化学储能电站火灾 图 18-1 江苏镇江扬中用户侧化学储能电站火灾 谋事在人，成事在天！增广贤文宠辱不惊，看庭前花开花落；去留无意，望天上云卷云舒。洪应明 图 18-2 江苏镇江扬中用户侧化学储能电站火灾 化学电池内部的正负极材料、电解液、隔膜材料、电解质均属于易燃物质，电池频繁充放电过程中释放大量潜热，极易发生火灾且容易发生热失控传
22、播，采用常规灭火装置极易造成电池短路并诱发更大的火灾，需采购专用的绝缘型快速灭火剂，极大增加了消防安全成本。从使用寿命角度看，抽水蓄能与飞轮储能使用寿命较长，一般都可达到 25 年以上，复合材料飞轮电池的充放电循环次数可达 1000 万次以上；化学电池使用寿命较短，一般仅为 35 年，锂离子电池充放电循环次数一般为 4000 次左右，且随使用时间的增长性能下降很快，化学电池在投运后 23 年充放电能力就降低 30%50%。从能量转换效率看，抽水蓄能能量转换效率一般在 70%左右；飞轮储能因在真空中无损耗，能量转换效率可达到 95%以上；化学电池老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。唐
23、王勃勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备能量转换效率一般在 80%90%，但随使用时间的增长其能量转换效率会逐步下降。从充放电速率角度看，抽水蓄能可在分钟级实现频率调整；飞轮储能可在毫秒级实现快速精准充放电响应，调频性能达到 300MW 火电机组的 27 倍；化学电池可实现秒级的频率调整，但频繁的快速充放电会极大损害电池性能与寿命，且化学电池存在无法精确响应调度指令的问题，增大了电网的安全风险。从容量角度看，抽水蓄能建设规模较大，可实现大量能量的存储和释放；飞轮储能单位容量投资高，一般不用来实现大容量的电能存储；化学电池能量密度相对较高且单位容量投资适中，可根据需要灵活进行建设规模的配置。通过上述综合分析可知，飞轮储能、电化学储能各有优劣，均有各自的应用优势，飞轮储能和电化学储能将处于一种相互补充、共同发展、长期共存的关系，飞轮储能并不能也无必要全面取代电化学储能。未来，飞轮-化学电池融合储能系统将具备光明的发展前景。