中国储能网讯：飞轮储能，这一物理储能技术，其核心在于电机与旋转飞轮之间的能量转换。在储能过程中，电动机驱动飞轮加速，从而将电能高效转化为旋转动能进行存储。而到了能量释放阶段，电动机则转化为发电机模式，飞轮减速时，动能又被转化为电能输出。

1.系统组成

飞轮储能系统涵盖了多个关键组件，包括飞轮本身、电机、轴承、真空室、电动/发电机、电力电子设备以及辅助设备。其中，飞轮通常采用圆盘或圆柱形设计，且多由合金材质打造。借助当前的材料技术，复合碳纤维材料可被巧妙地缠绕在飞轮金属转子上，使得转子能够达到极高的圆周速度，进而提升飞轮的储能能力。

在飞轮储能系统中，电动/发电机扮演着至关重要的角色。在充电蓄能过程中，它作为驱动电机存在，推动飞轮转子加速至高速状态；而在放电时，它则转换为发电机模式，将飞轮的旋转动能高效转化为电能。

轴承作为旋转机械不可或缺的部件，其核心作用在于支撑机械的旋转体。在飞轮储能技术中，常用的轴承类型包括传统的机械式高速轴承以及电磁轴承。当飞轮的最高转速处于较低范围时，机械轴承便可满足使用需求；而当转速达到较高水平时，电磁轴承则成为更合适的选择。需注意的是，在此情况下，机械轴承通常作为备份，旨在电磁轴承出现故障时提供转动支撑。

电力电子设备在飞轮储能系统中扮演着至关重要的角色。它涵盖了信号检测电路、信息处理、控制软件以及信号输出电路等多个组成部分，协同工作以实现对双向可逆运行变流器的电流和电压的精准控制。这一系统不仅负责电能在电机、变流器、电网电源及负载之间的顺畅转换与流动，还是飞轮储能系统并入交流电网的关键环节。

在飞轮储能系统的电气拓扑结构中，我们通常会看到储能变流器，它负责将飞轮储能系统与交流电网相连。为了确保并网过程的顺利进行，可能会需要增加机侧滤波器来降低电机电流中的谐波成分，从而减少电机的发热问题。当飞轮储能系统直接与交流电网相连时，为了满足并网标准，通常还会加入网侧滤波器对注入电网的电流进行滤波处理。此外，由于飞轮储能系统需要兼顾充电与放电等多种功能，因此储能变流器和电机变流器都必须具备能量双向流动的能力。

真空腔体是飞轮储能系统中的关键组件，它是一个由结构材料制成的密封容器，通常呈现为薄壁圆筒状。通过真空泵的作用，腔体内的空气被逐渐排出，从而营造出一个真空的环境。在这样的环境中，高速旋转的飞轮与极少量的空气分子摩擦产生的热量非常有限，几乎可以忽略不计。

此外，飞轮储能系统还包括其他辅助设备，如真空泵和水冷单元。真空泵主要负责为密封腔体提供必要的真空条件，而水冷单元则用于冷却电机和变流器，确保系统的稳定运行。

飞轮储能技术以其高频次、高效率、长寿命和低循环成本等优势，在电力储能领域占据了一席之地。它特别适用于数百千瓦至数十兆瓦的电储能需求，持续时间从数秒到数分钟不等，且电储能频次超过十万次。飞轮储能不仅在电网调频、新能源消纳方面有着广泛的应用，还为高品质不间断电源、动能回收与利用以及高脉冲功率电源等领域带来了新的解决方案。

2. 电网调频

飞轮储能系统在电网调频方面展现出卓越的性能。其反应速度极快，通常能在接到调度指令信号后的1秒内，迅速切换至满功率充电或放电状态。这种高效的调频能力，使得飞轮储能系统在调节效果上，能够与数倍于其自身功率等级的火电机组相提并论。

3. 新能源消纳

随着风电、太阳能等清洁能源的迅猛发展，其固有的间歇性和不确定性对电网频率稳定性构成了严峻挑战。然而，飞轮储能系统作为一种新兴技术，能够与风电和光伏发电形成良好配合，在电网面临挑战时发挥稳定作用，从而有助于降低向零碳发电时代转型的成本。

4. 高效不间断电源

飞轮储能系统在提供高品质电源方面表现出色。其交流电压闪变恢复时间低于3秒，而备用发电机组的启动时间通常少于10秒。此外，过渡电源的工作时间仅需20秒，这使得短时工作的大功率飞轮储能系统成为传统电池储能的理想替代方案。尽管飞轮储能的初期投资相对较高，但在其整个寿命期内，使用成本却低于电池储能。

5. 动能回收与利用

在混合动力车辆的传动系统中，电池、电容和飞轮储能方式均有所应用。高速飞轮与内燃机通过无极变速器相连，结构简单且可靠。鉴于电动车技术受限于电池的高功率特性，采用飞轮储能与化学电池的混合动力方案显得尤为可行。通过引入电机和功率控制器，实现电力传动，飞轮燃油混合动力车可实现高达35%的节油率。

6. 高脉冲功率电源

核能有望成为石油、煤和天然气之后的新一代主要能源，而实现受控核聚变则面临磁约束和惯性约束两大挑战。托卡马克，这一大型电物理实验装置，专注于研究高温等离子体的诸多特性，并致力于最终达成受控热核聚变反应。其供电系统，旨在产生和维持磁场，是除了主体装置之外最为关键、规模最为庞大的部分。该系统需提供数百兆瓦的平均电源容量，并因容量大而工作时间短的特点，常采用大型飞轮储能发电机组来供电，从而减轻对公共电网的压力。

应用案例：飞轮技术在全球范围内均有广泛应用，涵盖储能电站、不间断电源、轨道车辆动能回收以及电网调频等多个领域。美国Beacon Power、荷兰TenneT电力、原加拿大Temporal Power、德国Piller，以及国内盾石磁能、华驰动能等知名企业，均已有相关产品成功投入运行。

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