VYCON飞轮储能系统简介170806
飞轮储能系统概述
飞轮储能系统概述1飞轮储能产品结构及工作原理飞轮储能技术是利用互逆式双向电机（电动/发电机）实现电能与高速旋转飞轮的机械能之间相互转换的一种储能技术。
飞轮储能系统除了飞轮转子以外，还必须拥有电磁悬浮轴承、高速永磁同步电动/发电机、电力电子整流逆变控制装置、真空室及真空维持系统等五大部分组成，用以保证储能飞轮转子系统在无摩擦、无磨损的环境中高效运转。
图1 飞轮储能装置结构示意图飞轮转子是飞轮储能系统的关键核心部件。
目前市场上较为常见的是钢制飞轮，采用碳纤维材料制造的飞轮转子比较少，主要原因是碳纤维飞轮设计存在比较大的技术难度，再加上国内目前技术开发能力主要是模仿、引进、消化国外技术，真正能做到自主研发的企业不多。
常见飞轮外形分为轮式、盘式或柱式等。
电磁悬浮轴承是飞轮转子系统的支承部件，这种支承方式的主要特点是无摩擦、无损耗、高效率。
可以显著降低飞轮储能过程中的自耗电能量损失。
电动/发电机是一种可逆高速永磁同步电机，即具有电动机和发电机双重功能。
当由外部电力接入时，电机可以拖动飞轮升速达到最大储能转速，到达这个转速即表示飞轮储能充电完成（充满了电）。
此时切断外部电源，电能已经转化成了机械能保持惯性高速旋转。
当外部有负载接入时，高速永磁同步电机在飞轮机械转矩的作用下对外发电。
电机的电动/发电状态是通过电力电子整流逆变控制装置来实现的。
真空室及真空维持系统主要作用是为飞轮提供真空环境以降低风阻损耗。
飞轮储能系统是将能量以高速旋转飞轮的转动动能的形式来存储起来的装置。
它有三种模式：充电模式、放电模式、保持模式。
充电模式即飞轮转子从外界吸收能量,使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来，充电过程飞轮做加速运动，直到达到设定的转速；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能,再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现机械能到电能的转化，此时飞轮将做减速运动，飞轮转速将不断降低，直到达到设定的转速；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。
飞轮储能
所谓飞轮储能，是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。
需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。
我们小时候玩过的回力玩具汽车就是飞轮储能的简单应用。
不过，现在对飞轮储能的要求是将其应用于更大规模的储能。
据戴兴建介绍，飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、高功率密度、长寿命、环境特性友好。
目前，国外产品经过不断地更新和提高性能，寿命已经达到15年、10万次以上。
而化学电池一般只有几千次充放电的寿命，往往几年就需要更换。
戴兴建算了笔账：电池的运行需要空调作保证，因此需要额外的电费;两三年更换电池，又是一笔费用;同样容量的储能，飞轮储能的占地面积只有电池的1/3。
综合起来，两者在寿命期内的竞争成本差不多。
不过，飞轮储能的劣势也很明显：能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。
Active Power公司的飞轮储能系统单位模块输出250千瓦，待机损耗为2.5千瓦，因此有些数据称其效率为99%。
“但这是有条件的。
”戴兴建说，“只有在迅速用掉的情况下才有这么高的效率。
如果自放电的话，效率大大降低。
”例如，几万转高速飞轮系统损耗在100瓦左右，1千瓦时的系统只能维持10小时的自放电。
因此，戴兴建指出，飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁充放电的储能需求。
他认为，没有一种万能的储能技术能够满足所有的储能需求，飞轮储能根据其特点具体定位三块细分市场。
第一，高品质不间断电源。
有统计数据显示，美国95%以上的停电都由分秒级的电能质量差导致。
电压突变在电网中很常见，但在一些高精密度产品的生产车间，电压突变会造成精密仪器的损坏。
目前，国际市场上已经在用的基于飞轮储能的UPS有3000~4000套系统，以平均10万美元/台计算，现有市场已经达到3亿~4亿美元。
这还不包括巨大的潜在市场。
第二，港口、地铁等特殊场合的电制动能量再生。
熟悉F1的人对动能回收系统(KERS)应该不会陌生。
飞轮储能(整理)
飞轮储能一.飞轮储能原理飞轮储能是通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。
典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。
在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。
图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统。
充电时，电动/发电机通过转换器接外电源作电动机运行,把飞轮转子快速加速到非常高的转速,于是电能转化为动能储存起来。
放电时,电动/发电机作发电机运行,通过电子转换器向负载输出电能,转子转速下降,动能转化为电能。
二.飞轮储能的关键技术飞轮电池的原理简单，主要结构和运行方法已经基本明确，但要实现起来却并不容易,要突破的关键技术有：(1)飞轮转子的设计：转子动力学，强度和密度的优化；(2)磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；(3)功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗电动\发电机；(4)安全及保护特性：不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计；(5)机械备份轴承：磁轴承失效时支撑转子。
飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用，其原因主要有三个：1.飞轮本身的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。
人们曾通过改变轴承结构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力，通过抽真空的办法来减小空气阻力，轴承摩擦系数已小到0.001。
即使如此飞轮所储的能量在一天之内仍有25％被损失，仍不能满足高效储能的要求。
2. 常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。
例如，欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电，储能轮需用钢材150万吨！3. 要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置。
三.飞轮储能技术的进展近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。
飞轮储能
飞轮储能陈树雨机械09—4班飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，它与超导储能技术、燃料电池技术等一样，都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。
虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟，但是，化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题。
这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视。
尤其是飞轮储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。
飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机和电力电子装置。
它最基本的工作原理就是，将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。
事实上，为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内?减少风阻。
通常发电机和电动机使用一台电机来实现，通过轴承直接和飞轮连接在一起。
这样，在实际常用的飞轮储能装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子装置。
当外设通过电力电子装置给电机供电时，电机就作为电动机使用，它的作用是给飞轮加速，储存能量；当负载需要电能时，飞轮给电机施加转矩，电机又作为发电机使用，通过电力电子装置给外设供电；当飞轮空闲运转时，整个装置就可以以最小损耗运行。
这样利用电机的四象限运行原理，使发电机和电动机共用一台电机的方法，不但可以提高效率，还可以减少整个储能装置的尺寸，使储能密度大大提高。
在整个飞轮储能装置中，飞轮无疑是其中的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量E由式（1）决定。
E=jω2 (1) 式中：j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；ω为飞轮转动的角速度。
电力电子装置通常是由FET或IGBT组成的双向逆变器，它们决定了飞轮储能装置能量输入输出量的大小，而与储能装置外接负载的性质无关。
飞轮储能技术特点
飞轮储能技术特点
飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。
谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。
与其他形式的储能技术相比，飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危害小等优点。
飞轮储能功率密度大于 5 kW/kg，能量密度超过20Wh/kg，效率在90%以上，循环使用寿命长达20年，工作温区为40℃~50℃，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作，积木式组合后可以实现兆瓦级，输出持续时间较长，主要用于不间断电源（UPS）、应急电源（EPS）、电网调峰和频率控制。
目前，国外已有公司和研究机构尝试将飞轮储能引入风力发电。
其中，德国琵乐公司（Piller）的飞轮储能具备在15秒内提供 1.65兆瓦电力的能力；美国Beacon power公司（BCON）的20兆瓦飞轮储能系统
已在纽约州史蒂芬镇开建，用来配合当地风场，建成后可以满足纽约州10%的储能需要。
不过，飞轮储能还具有很大的局限性。
对于电网来说，可根据时间长短将储能分为三大块：时间最长的是能源管理，包括抽水储能电站、压缩空气储能和蓄电池。
时间稍短的是过渡能源，通常靠蓄电池解决。
然而，时间最短的则是超级电容和飞轮。
飞轮储能技术及产业发展概况
飞轮储能技术及产业发展概况作者：墨柯来源：《新材料产业》 2013年第7期飞轮储能（F l y w h e e l E n e r g yStorage）是将能量以动能的形式储存在高速旋转的飞轮中，它主要由高强度合金和复合材料的飞轮转子、高速轴承、电动/发电机、电力转换器和真空安全罩（真空室）组成，如图1所示。
其基本原理是由电能驱动飞轮高速旋转，将电能转变为飞轮动能进行储存。
当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能，飞轮的加速和减速实现了充电和放电，因此也被称为飞轮电池。
飞轮储能的理论其实早在100多年前就有人提出，但直到20世纪90年代，由于技术上的不断突破，飞轮储能才开始进入到商业化应用阶段。
主要的技术突破包括3个方面：一是高强度碳素纤维复合材料（抗拉强度高达8.27G P a）的出现，大大增加了单位质量中的动能储量。
二是磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩擦损耗和风损耗都降到了最低限度。
三是电力电子技术的新进展，如电动/发电机及电力转换技术的突破，为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。
一、飞轮储能系统简介在飞轮储能系统中，飞轮本体是最核心的部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子质量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。
轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。
目前多应用于永磁轴承、电磁轴承、超导悬浮轴承等非接触式的磁轴承或其他低摩擦功耗轴承支承飞轮，并采用机械保护轴承。
非接触式的磁轴承可以减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，飞轮的转速可以达到很高（高达200 000r/min），提高储能效率。
电动/发电机一般为直流永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机。
飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的，电动/发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。
飞轮物理储能系统分析及应用
飞轮物理储能系统分析及应用随着人们生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，随着储能技术日趋成熟和成本快速下降，中国储能产业快速发展，逐步从研发示范向商业化阶段过渡，但整体来看储能产业还处于发展初期阶段，仍存在发展前景不明晰、技术标准不完善、商业模式和市场机制不清晰等问题。
从发展规模、技术经济性、产业链等方面总结中国储能发展现状，基于“源-网-荷-储”协调规划理论，从宏观层面展望新能源大规模发展形势下中长期储能发展前景，研究储能在电力系统中的合理运行方式、与新能源消纳关系等重要问题;从微观层面对储能在电源侧、电网侧和用户侧等场景的应用关键问题及发展对策进行分析，并提出相关建议，为推动中国储能产业健康发展提供参考。
标签：飞轮储能系统;交流侧储能;直流侧储能;储能前景分析1、引言通过对相关一系列储能技术进行分析和研究，就能对我国电力系统在实际运行过程中的状况进行全面的了解。
通过运用新能源，能科学有效的处理能源大规模缺乏这一问题。
在对系统自身稳定性进行加强的基础上，还能对其全面性给予保证，进一步提高功率在波动过程中的指令，加强电能质量，对出现的问题进行科学处理。
现阶段无论是储能系统的前期规划，还是中期进行推动的过程，都能加强经济性，对资源配置进行不断优化的基础上，还能保证不同场合的储能系统都能得到科学有效的运用。
2、飞轮物理储能系统简介飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理的方式实现储能，通过电动机/发电机互逆式双向电机，实现电能与高速旋转的飞轮的机械动能之间的相互转换与存储，并通过电力电子设备实现与不同系统之间的接入与控制。
当充电时，采用电动机工作模式，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电动机带动飞轮加速旋转，将电能转变为机械能存储，完成充电过程;当放电时，采用发电机工作模式，利用发电机将飞轮高速旋转的动能转变为电能，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成放电过程。
VYCON飞轮储能系统简介170806
Vycon VDC XXT
最大额定功率: 500kW 最大能源存储率: 6,000kW 秒 @ 400kW 功率密度: 80kW / ft2 输出效率: 99.6% @ 最大功率
2006年推出
2015年二季度推出
2017年三季度推出
Vycon飞轮技术提供了行业领先的高可靠性、高效、低成本的能量存储系统
5
5
CONFIDENTIAL
Vycon飞轮储能产品 – Vycon VDC
1 2 3
飞轮模块—系统核心构建，可实现20年免维护 图像用户界面—提供系统状态监测、系统功能设定等 功能 核心控制单元—监控能量输出请求并控制包括飞轮充电、 放电在内的子系统 磁力轴承控制单元—通过五轴磁悬浮系统控制飞轮的位 置 双向能量转换器—直流系统与由飞轮产生的交流变频电 压之间的转化接口 真空泵—排空飞轮内的空气，以减少风阻损失，从而提 高电气效率
2016年7月11日第50届范堡罗国际航展展出的福特级航母的电磁弹射系统模型
18
CONFIDENTIAL
轨道交通行业应用概况
Cost of Energy 地铁运营能源成本
地铁运营 成本 100%
电力成本 15-20%
牵引电 力成本 65-75%
20
CONFIDENTIAL
地铁列车的制动能量目前多采用制动电阻消耗制动或将减速过程中的能量转化 为热能而浪费，，而且会产生大量废热，使地铁隧道和车站内的温度升高。
飞轮系统应用场景-舰载设备
舰载相控阵雷达、垂直发射、电磁弹射等装备短时用电量大，可利用飞轮系统作为能 量存储介质，保障装备使用时舰船整体的能源供应稳定。 美国福特级航母电磁弹射的供电系统由电动机、飞轮储能装置和大功率发电机组成。 其卧式飞轮储能装置储存的能量可以达到140兆焦以上，充电功率可达4兆瓦。
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飞轮
20年使用寿命 无须空调，-10 - 45℃通风环境 承重无须特殊设计 可直接放置于UPS房 占地面积小，节省的空间可用于扩充 业务需求
11
CONFIDENTIAL
飞轮储能与铅酸电池储能投资回报比较
250,000 200,000 150,000 100,000
飞轮与蓄电池20年周期累积成本比较
10
CONFIDENTIAL
关键负载
DC 母线
VYCON 飞轮 储能单元
++-
+ +-
蓄电池
飞轮储能与铅酸电池储能比较
铅酸电池
采购次数：初期 + 3次 = 4次 每组电池配直流开关 电池房：设计(加强结构)，建筑费用 精密空调系统：运行温度<25℃
电池监控系统：按数据中心级别
特殊防火消防设计：气体灭火
2006年推出
2015年二季度推出
2017年三季度推出
Vycon飞轮技术提供了行业领先的高可靠性、高效、低成本的能量存储系统
13
CONFIDENTIAL
北美应用案例-EMC北卡杜兰4.5万平米数据中心
配置： •6 x 825KVA / 750kW UPS •24 VDC XE VYCON 飞轮 •无蓄电池
16
CONFIDENTIAL
国内应用案例-北京电信数据中心
（1）北京亦庄数据中心 UPS：2* 艾默生400kVA 飞轮：2* VDC 300kW 安装时间： 2010年11月 安装地点：北京亦庄
（2）北京酒仙桥数据中心 高压直流电源： 2* 台达200kW 飞轮：2* VDC 125kW 安装时间：2011年6月 安装地点：北京 酒仙桥
Vycon飞轮储能产品 – Vycon VDC
1 飞轮模块—系统核心构建，可实现20年免维护
2 图像用户界面—提供系统状态监测、系统功能设定等
5
功能
2
3 核心控制单元—监控能量输出请求并控制包括飞轮充电、 放电在内的子系统
4 磁力轴承控制单元—通过五轴磁悬浮系统控制飞轮的位 置
5 双向能量转换器—直流系统与由飞轮产生的交流变频电 压之间的转化接口
2
CONFIDENTIAL
Vycon公司亮点
突破性的领先技术
• 产品经过20年的不断改进，超过5000万美元的系统研发投入 • 最高的可靠性，最小的占地面积和几乎零成本的系统维护
拥有核心技术专利
• 主动磁悬浮轴承与控制系统 • 紧凑型钢合金转子设计与加工
• 行业领先的飞轮效率（99.4％ ）
成熟的实际应用
Vycon VDC XXE
最大额定功率: 300kW 最大能源存储率: 6,000kW 秒 @ 140kW 功率密度: 48kW / ft2 输出效率: 99.4% @ 最大功率
Vycon VDC XXT
最大额定功率: 500kW 最大能源存储率: 6,000kW 秒 @ 400kW 功率密度: 80kW / ft2 输出效率: 99.6% @ 最大功率
14
CONFIDENTIAL
北美应用案例-Gainesville质子治疗中心
配置： •2 x 750KVA/675kW UPS •8 VDC XE 飞轮 •无蓄电池
15
CONFIDENTIAL
北美应用案例-U.S. Navy医院
配置： •825kVA / 750kW UPS •5 VDC XE 飞轮 •户外箱体
• 有超过1100台飞轮产品正在全球各行业中使用 • 拥有 2,500,000次充电和放电实际验证的可靠性 • 与全球领先的UPS制造商/分销商建立战略作伙伴关系
3
CONFIDENTIAL
Vycon飞轮结构
5CONFIຫໍສະໝຸດ ENTIAL5高速 – 37000 RPM 外部空气冷却 内部真空设计 紧凑型钢合金飞轮质量(90公斤) 磁悬浮轴承 ：悬浮支持转动元件 高功率密度(300kW) OSHPD抗震认证 可扩展 99.4%的输出效率
市电 208 – 600V AC
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CONFIDENTIAL
UPS
DC母线
关键负载
VYCON 飞轮 储能单元
VYCON飞轮 + 蓄电池共用系统
UPS
后备 发电机
ATS 自动切换开关
市电 208 – 600V AC
任何断电或晃电情形，由飞轮先放电。 如此可以保护电池免于因为晃电放电造 成电池寿命的缩短。从而延长电池寿命 和可靠性，以及减少电池节数。
营的空调电费，每6年更换全部电池的费用；
不含占用空间无法作为机架租金收入的机会成本
12
CONFIDENTIAL
VDC产品系列-应用于UPS领域
Vycon VDC XE
最大额定功率: 300kW 最大能源存储率: 4,000kW 秒 @ 140kW 功率密度: 48kW / ft2 输出效率: 99.4% @ 最大功率
3 41
6 真空泵—排空飞轮内的空气，以减少风阻损失，从而提
6
高电气效率
Vycon飞轮技术提供了行业领先的高可靠性、高效、低成本的能量存储系统
5
CONFIDENTIAL
Vycon飞轮储能产品应用领域
关键电源/电源质量
能量回收
智能电网/能源再生
UPS 电源
车载电力供应
6
CONFIDENTIAL
牵引动力节能
风电/智能电网储能
航空航天
国防
UPS行业应用概况
典型的UPS系统运用
长时间备用电源
油机 AC 自动切换开关 ATS
380
市电
VAC
AC
540 VDC
双变换UPS系统
整流器
逆变器
AC/DC
DC/AC
关键电 源输出
8
CONFIDENTIAL
DC 储能单元
免蓄电池UPS系统
后备 发电机
自动切换开关
ATS
飞轮能量存储系统 产品简介
飞轮储能技术原理
飞轮储能的工作原理即在电力富裕条件下，由电能驱动飞轮到高速旋转, 电能转变为机 械能储存；当系统需要时，飞轮减速, 电动机作发电机运行, 将飞轮动能转换成电能, 供 用户使用。飞轮储能通过转子的加速和减速，实现电能的存入和释放。 与其他形式的储能技术相比，飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次 数限制、安装维护方便、对环境危害小等优点
某在建数据中心：12,000KVA，19 x 800KVA UPS， 铅酸电池后备时间15分
电池更换
Flywheel 飞轮 Battery 电池
50,000
000 RMB
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 年度
蓄电池周期成本包含为蓄电池配套的电池房建筑成本，直流开关，精密 空调，消防，以及运