[科普中国]-磁悬浮储能飞轮

储能原理

在储能时，外界电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮转子加速旋转，直至达到设定的某一转速。在飞轮加速旋转的过程中，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械动能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。之后，飞轮以设定的那一转速旋转，直到接受到一个能量释放的控制信号。释能时，电机作为发电机使用，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。在释能的过程中，飞轮的转速不断的下降。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出。

磁悬浮轴承飞轮蓄能发电设备的旋转摩擦损耗较大，为了减少旋转摩擦损耗，所以现在一般都采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是飞轮储能系统的关键部件。磁轴承根据磁场性质的不同主要分为被动磁悬浮轴承(PMB)和主动磁悬
浮轴承(AMB)两种：

(a)被动磁悬浮轴承

目前被动磁悬浮轴承有代表性的是高温超导磁悬浮轴承。无源磁悬浮轴承磁场通常是不可控的。传统的超导体无法满足磁轴承的要求，但是自从高温超导体Y(钇)系发现以来，制造高温超导磁轴承成为可能。永久磁铁安装在飞轮上，高温超导体安装在底座上并用液氮冷却，利用超导体的特性之一的Meissier效应(超导抗磁性)。永久磁铁的磁通被超导体阻挡而产生排斥力，使飞轮处于悬浮状态。

(b)主动磁悬浮轴承

主动磁悬浮系统主要是电磁悬浮系统。电磁悬浮轴承系统主要由转子、电磁铁、传感器、控制系统、功率放大器组合而成。转子位移变化的信号由传感器测出，传到控制器中，控制器计算后，输出信号，经过功率放大器的放大，输入到电磁铁，产生电磁力，从而保证转子的稳定悬浮。1

优点相比传统机械式轴承，电磁悬浮轴承具备以下优点：

（1）无接触、无需滴滑及无磨损；由于没有摩擦损耗，不但维护成本较低而且使用寿命更长，对于减少飞轮储能系统静态损转非常有利。

（2）转子可W高速运转，轴承的转速仅仅受限于转子的材料。

（3）低功耗；轴承的系统功耗较低，如辅助真空设备，则功耗进一步降低。

（4）高精度控制系统。目前转子的控制精度已经达到级甚至更高。

（5）承载力可设计。可根据轴承的横截面积，设计出不同重量等级的磁悬浮转子。2

市场分析及应用示范上海航天803所，30多年来，主要从事卫星姿控系统及与之配套的惯‘性器件的研究，具备成熟的惯性平台技术、飞轮技术、控制力矩陀螺研制基础。先后研制成功从0.08 Nms到65 Nms动量轮的全系列产品，为10余个型号较好的完成了飞行任务。研制的近100多个飞轮产品中，单台最长在轨运行超过7年，地面寿命试验单台无故障运行7年以上，地面寿命试验累积无故障运行24年以上。

在上海市科委的资助下，完成了军民两用混合型磁轴承技术研究。此外，已研制成功储能量为1.3 kWh磁悬浮储能飞轮样机，飞轮采用永磁直流无刷电动/发电互逆式双向电机，磁悬浮轴承支撑，飞轮转速可达30 000 r/min，可在15s内维持发电功率300 kW，效率可达到95%，目前已在实验室运行，储能飞轮试验样机如图所示。

高功率高可命不间断电源系统(UPS)工业应用中，因其往往规模大、产值高、连续性生产需求高，因此电力中断会带来巨大的经济损失及无可挽回的结果。美国电力研究所(EPRI )有关美国再发性电力问题的研究表明，有超过90%的生产设备将遭受市电电压超过20%骤降情况的影响。研究中也统计了电压骤降幅度超过10%的发生次数，大约每年会发生30次。现今的工业应用设备，大量引入了智能化辅助设备，对电力供应品质提出了更高的要求。多元化的电力来源，比如:电网、废热发电、柴油发电机、小型电厂等等，为现代工业企业提供更经济的能源，同时也带来了供电品质的参差不齐。工业应用中品种繁多的负载类型(感性、容性、阻性负载等)，给本来就不纯净的电网带来更大的污染。

磁悬浮储能飞轮在UPS领域的应用主要解决关键负荷的安全供电问题，在半导体行业、数据中心、医院、银行、电信等行业都有应用。磁悬浮飞轮UPS工作模式如图2所示，市电正常输入后，经稳压电路，一方而为负载提供电能，另一方而经两个双向变换器为飞轮提供储能电源。市电停电或发生故障时，飞轮储能器件作为临时交流电源，经两次变换并稳压操作后，为负载提供临时可靠的电能。

国外市场已经全面启动，美国Active Power公司专门生产和销售UPS飞轮电池，年销售额已经达到7 000万美元左右;据ICT统计，UPS电源全球市场规模2014年已达62.2亿美元，且处于高速发展阶段，2020年预测为100亿美元。目前仍是以铅酸电池为主，急需新一代可靠、高效、绿色的飞轮UPS。国内市场刚刚起步，尚无自主知识产权的飞轮UPS产品，潜力巨大。

地铁电力的能量循环轨道交通中使用的地铁都存在电机制动的问题。目前多采用电气制动为主，空气制动为辅的互补制动形式。虽然电阻制动成本低，原理简单，但是机车频繁进出站带来的制动能量会浪费在电阻上，而把制动能量回收的再生制动方法节能环保。利用飞轮阵列储能系统来吸收机车进站刹车时产生的能量，然后在机车出站需要大功率能量加速时，由飞轮阵列储能系统提供这部分能量的支撑，从而可节约能源。安装在美国纽约地铁的飞轮阵列储能系统即被用来吸收列车制动能量和启动支撑。

地铁公司最大的运营成本是牵引动力用电，一般占到总用电量的50%以上，而制动能量一般占牵引用电的30%~ 40%。可见，合理回收利用制动能量将很大程度影响到地铁运营成本。

智能电网分布式飞轮储能调频电站电力调峰是电力系统须解决的重要问题，因为电网频率的变动和偏差，对用户和原动机的危害很大。电网频率的稳定性和准确性，是供电质量的重要指标。飞轮储能技术能在电网负荷处于低谷时，发电机/电动机作为电动机拖动飞轮，把电能转换为动能。当在用电高峰时，发电机/电动机作为发电机把储存在飞轮中的动能转化为电能。与目前常用的抽水蓄能相比，飞轮储能技术具有能量输入输出快捷、转换效率高、成本低、充放电快捷等特点，在电力行业有广泛的应用前景。

在电网调频方面也有商业产品在一些工程中应用，美国Beacon Power公司负责建造的20 MW的飞轮储能工程于2011年7月12日在美国纽约正式投入运行，该工程能够承担该州10%的电网调频的任务。3