姜新建-高速飞轮储能技术研究及在轨道交通等领域的应用探索

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低速飞轮
6.1 清华大学在飞轮储能方面的研究成果1
1996年，完成了300Wh、42000rpm飞轮储能系统
磁悬浮轴承 (AMB) 永磁电机 混合磁轴承
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1998--2001年，国际合作——韩国 完成了500Wh、500W、80000转/分钟 飞轮储能系统 2007年，研制一套1kWh/20kW/30000rpm飞轮储能UPS样机 2009年，研制一套1kWh/20kW、30000rpm飞轮储能DVR装置
4.2 飞轮产品供货商
2000年前后，飞轮储能电源产品市场逐渐兴起，如美国ACTIVE、 Beacon、德国Piller 电源公司等， 至今，2000多套飞轮UPS在运行
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主要公司：
Active Power Beacon Power Piller Power Urenco Power Technologies Limited Pentadyne Power Vycon Energy AFS Trinity Power NEDO
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美国ACTIVE
美国Beacon
应用于数据中心、重要单位等
德国Piller
5.4 高品质供电—电压跌落补偿（DVR）
电压跌落
指在短时间内（0.5个周波至1分钟）工频电压有效值下降到额定电 压的0-90%范围内。
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电压跌落补偿（DVR）
VS
VDVR
VL
补偿效果波形
补偿后 补偿前
UL
US
6.2 清华大学在飞轮储能方面的研究成果2
2012年，研制完成了国产首套3kWh /500kW飞轮储能工程样机
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2014--2016年，国家科技支撑项目 研制一套5kWh /1000kW飞轮储能用于钻机起升系统能量回收与利用方法 ，5套应用
7. 十二五国家项目
十二五国家项目
① 2012-2014，科技部能源领域863计划，课题“飞轮储能关键技术”， ② 2012-2014， 863高性能物理储能项目，磁悬浮储能飞轮技术研究 ③ 2014-2016，科技部支撑计划课题“基于飞轮储能的钻机起升系统 能量回收利用”（清华大学） ④ 智能电网项目中若干飞轮储能子课题
高速飞轮储能技术研究及 在轨道交通等领域的应用探索
清华大学电机系
姜新建 13701280263 jiangxj@
内 容
1、能源储存类别 2、飞轮储能的原理、特性 3、飞轮储能关键技术 4、国内外飞轮技术发展历史 5、飞轮储能技术的应用 6、清华大学在飞轮储能方面的研究成果 7、十二、三五国家项目
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2.7 飞轮储能单元的优缺点
飞轮储能优点： ① 储能密度高（数倍镍氢电池）； ② 能量转换效率高（90%以上）；
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③ 无过充/放电问题，（化学电池不能深度充电、放电）； ④ 长寿命（20年）； ⑤ 容易测量放电深度（转速）； ⑥ 充电时间较短（分钟）； ⑦ 对环境友好（无污染）； ⑧ 飞轮储能与超级电容有类似性能，’分秒/兆瓦级’储能， 飞轮储能缺点
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十三五国家层面：
① 十三五，飞轮储能产业化； ② 智能电网和能源互联网中，储能是基础、是支柱 ③ 2025能源规划，飞轮储能发展计划
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谢谢！
5.5 港口塔吊能量回收系统装置
优点：
① 改善电网电能质量 改善电网电能质量。 。 ② 节能
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国外：
国内：
十二五科技部支撑计划课题“ 大型机械能量回收与利用关键技术开发与应用” 的子课题“飞轮储能用于钻机起升系统能量回收与利用方法”
5.6 基于飞轮储能的电网调频电厂
电网调频 ① 传统：依赖抽水蓄能电站、火电站、燃气轮发电站的功率调整、 投切调节电网频率的波动； ② 采用飞轮储能电站，在不具备建设抽水蓄能电站的条件下，可以 替代燃气发电站来满足需求，从而降低碳排放
4.1 国内外飞轮技术发展历史
① 1991年，美国劳伦斯国家实验室，1 kWh/200 kW飞轮实验装置
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② 1997年，美国Beacon power ，2 kWh飞轮电池，转速30000 r/min，永 磁／电磁混合支承，永磁无刷电机 ③ 美国ACTIVE POWER，100-300千瓦飞轮UPS，1.5千瓦时，批量1000套 ④ 欧洲Urenco,100 kW脉冲电源（30 s），飞轮最高转速42000 r/min ⑤ 德国Pilller公司， 1650 kW/10 s，低速飞轮储能UPS，批量 ⑥ 日本NEDO，飞轮项目，10 kW 级超导磁轴承飞轮系统， 11,250 r/min， 储能5 kWh，样机 ⑦ 国内处于工业样机阶段
5.3 动态UPS电源装置
千套UPS在运行
① Active Power公司的100-2000 KW CleanSource 系列UPS ② Pentadyne（POWERTHRU）公司 的65-1000kVA VSS系列UPS ③ Beacon Power公司的25MW Smart Energy Matrix ④ Piller公司的低速大容量飞轮
4.3 飞轮产品示范
Active Beacon Pentadyne
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NASA
5. 飞轮储能技术的应用
① 轨道交通 ② 汽车 ③ 高品质供电（UPS） ④ 电能质量（DVR） ⑤ 制动能、势能再生 ⑥ 电网调频 ⑦ 脉冲功率
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5.1.1 列车再生刹车系统
减速中的列车 加速中的列车
储蓄刹车能量
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1. 能源储存类别
能源存储
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电能存储和热能存储 电池 电化学 超级电容 势能 动能 电物理 电感（超导）
压缩空气
飞轮
2.1 飞轮储能工作原理
动能：
4
1 2 1 2 Ek mv J 2 2
n
充 电
基本原理:
放 电
J mi Ri2
i1
由电动机驱动飞轮升速、至额定转速，电能转换为旋转飞轮的动能； 当需要电能时，飞轮减速、驱动电动机作发电机运行，将飞轮动能 转换成电能； 通过飞轮的升速和降速，实现了电能的存入和释放。
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地点：美国洛杉矶黄金线高地公园站 5台200KW飞轮构成1MW储能系统。 预装式储能电站，直接轨旁安装。
5.1.3 列车再生刹车系统应用2
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地点：2001年,伦敦地铁（LU）将美国UPT公司 的飞轮储能引进了中心线路Piccadilly line 5台200KW/36000rpm飞轮构成1MW储能系统。 预装式储能电站，直接轨旁安装。
2. 2 飞轮组成
磁性支承 上轴承 上部导向轴承 旋转整流器 励磁发电机 机器主体 飞轮 下轴承 下部导 向轴承
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充放电控制器
高速飞轮、电机、轴承、机壳、充放电控制器
2.3 储能元件功率/能量特性
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2.5 储能单元性能指标比较
项目 效率（%） 储能容量 模块性 循环寿命 充电时间 地点可用性 储能测定 建设时间 环境影响 事故后果 成本 可用性 化学 电池 ~70 中 是 几百 时 中 差 月 大 中 低 可用 飞轮 储能 ~90 高 是 无限 分 高 极好 周 无 低 高 开发中 小批量 超级 电容 ~90 高 是 无限 分 高 极好 周 无 低 高 开发中 小批量 超导 储能 ~90 高 否 无限 时 低 极好 月 无 高 更高 开发中 抽水 储能 ~60 高 否 几千 时 低 极好 年 极大 高 可用， 地理限制 压缩空气/ 气体储能 <60 高 否 几千 时 低 极好 年 极大 中 可用， 地理限制
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变电站只需供能给 比较少的负载 变电站 飞轮储能
飞轮将储蓄的能量反馈 到列车
● 直流系统内部实现能量回收利用，对交流电网无冲击。 ● 稳定直流电网电压，改善直流电网电能质量。 ● 节能效果显著
5.1.2 列车再生刹车系统应用1
地点：美国纽约地铁远洛克威线 车型：R143，8节编组，单节车重30t。 最高时速：90km/h 飞轮容量：1MW（10台100KW）
Beacon Power公司，2011年和2014年， 建立两个20 MW飞轮储能调频电站；
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飞轮单元
储能25千瓦时， 功率100千瓦， 复合材料转子， 转速16000转/分， 电磁轴承
5.7 基于飞轮储能的脉冲功率电源
高功率脉冲电源应用 核爆炸模拟、受控核聚变试验、强流粒子束加速器、高功率脉冲激 光器、高功率微波、电磁炮等 高速飞轮优点：复合材料飞轮，高速电机，可以提高转速3--5倍，整 套装置重量和体积可以缩小到原来低速飞轮的几分之一 军工：航母上电磁炮、陆上导弹发射用机动电源等
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燃气轮机
无 >30MW 几千 无 中 无 月 大 中 可用
2.6 各储能单元经济指标比较
美国调频电厂单次调频成本
（据美国能源部（DOE）下属能源情报署（EIA）的eGRID数据 库），比较储能调频电厂成本（单次调频成本），调频容量设定 为20MW ，10年，如下表（单位：美元）： 储能方式 抽水蓄能 铅酸电池储能 飞轮储能 基建费用 206 56.9 122 耗电费用 48.1 29.6 26.3 维护费用 28.2 138 23 总成本 282.3 224.5 171.3
2013年，法国Alstom公司将Williams Hybrid Power公司的复合MLC飞轮储能技术 用于法国Citadis机车上
5.2
汽车飞轮储能系统
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Flybird车辆KERS 利用飞轮储能来实现车辆制动能量的回收，并将回收的能量用 于车辆加速、爬坡时的驱动。 英国Flybird公司（2014年被Torotrak公司收购）研发了基于高 速飞轮的动能回收系统（KERS），飞轮转速可高达60000rpm； 英国的GKN公司设计的车辆驱动飞轮储能系统， 存储1.8MJ的 能量，功率达120kW，飞轮单元重55kg