原标题：飞轮储能，新突破！
近日，由中国核电旗下中核汇能牵头承担的内蒙自治区科技重大专项“MW(兆瓦)级先进飞轮储能关键技术研究”项目飞轮储能单机输出功率首次达到了1MW。这是国内单体飞轮首次达到的最大并网功率，完成了核心部件飞轮、电机、磁轴承以及单机集成控制试验。
按照计划，三台1MW飞轮将继续进行阵列协调控制测试后并入中核汇能二连浩特99MW风电场，与3MW/3MWh的电池储能共同构成混合储能系统，为探索飞轮储能在风电场中的实际应用提供借鉴。
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飞轮储能构成
飞轮储能结构如图 1 所示。飞轮储能产品通常由以下五大部分组成:
● 储能轮体
飞轮储能产品储存能量取决于旋转体质量和转速( 主要质量集中于储能轮体) ，增加储能轮体的质量和提高转速都可以提升储存能量，储存能量同质量成正比例关系，同转速呈平方关系，理论上增加转速更容易提高储存能量，这就导致业界两种不同设计思路: 低速轮体( 质量大) 和高速轮体( 质量轻) 。
低速轮体通常由合金钢制成，通常转速在10 000 r/min以下，优点是成本较低，制造难度相对简单; 缺点是质量大，安装地点要求较高( 承重问题) 。
高速轮体通常由碳纤维制成，通常转速在10 000 r/min以上，优点是质量轻，缺点是成本较高，制造难度相对较大。
● 电机
电机是实现电能-机械能转化的关键部分，适用于飞轮储能系统的电机必须具备以下特点: 电机可分别运行于电动机工况和发电机工况，实现能量双向转换; 空载损耗低，电机效率高，保证飞轮储能系统长时运行、整体能量转换效率高; 电机调速范围广，转速控制方式简单且可靠，满足飞轮储能系统运行转速工作范围; 电机能量密度高，既能输出较大转矩，又能输出较大功率。
永磁电机具有功率密度大、功率因数高、调速范围宽、效率高、体积小、起动性能好等诸多优良特性，随着永磁材料的发展进步，业界通常使用其作为飞轮储能系统的电机来使用。
● 外壳
飞轮外壳由真空室、轴承系统、散热系统等组成，起到保证飞轮高速安全运行的作用。由于依靠电力驱动进行旋转，高转速下风阻会极大影响转动能耗，所以必须在旋转腔室内营造真空环境。
根据转速不同，设计真空度通常在 1 ～ 100 Pa 不等; 飞轮高速旋转，必须采用合理的散热方式，以免导致永磁体退磁等问题影响稳定性，业界通常采用风冷或空调制冷等方式; 轴承系统主要采用被动磁轴承和主动磁轴承两种方式。
● 电力电子系统
电力电子系统作为飞轮储能的“大脑”，起到控制电机旋转、充电、放电等作用。由于永磁电机输入输出频率随转速变化，而输入输出要求为稳定的直流或交流电，这就要求电力电子系统具备整流、逆变、滤波等多种功能，以保证高效驱动电机和稳定输出电能。
● 伺服系统
伺服系统通常包含润滑系统、监测系统、真空系统等，保证飞轮正常运行，同时对飞轮运行时各项参数进行监控，当参数异常时及时进行和通知。
以上五大部分共同组成了飞轮储能系统，包含了材料、电机、电控、真空等各学科，属于跨行业较多的综合性技术。
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飞轮储能特点
由于飞轮储能原理为电能-机械能，储能和释能过程中不包含化学反应过程，这就使得飞轮储能产品制造、使用、回收过程中本身不会产生排放污染物质，具备环境特性优势; 另一个突出特点是基于物理储能的原理，飞轮储能产品可进行快速充放电且充放电循环次数极高，具备电力特性优势。
同时，飞轮储能也具有其短板，由于其满功率放电时间较短，因此，飞轮储能产品更适合于短时充放电，比如在备用发电机组启动期间为用户系统提供可靠的电力。
● 环境特性优势
物理储能方式使得飞轮储能成为一种绿色、安全、环保的储能设备，由于产品完全基于物理原理制造，生产、使用、回收各环节中其本身均不产生有害物质，同时具有较高的残值率，是对环境极为友好的储能产品。
● 电力特性优势
飞轮储能由飞轮转速决定储存能量，反复充放电实际上是飞轮反复加减速的过程，不会影响储存能量，这就决定了其寿命长，反复充放电不会导致储存能量衰减。
通过理论计算，目前飞轮储能寿命可达 20 年以上，充放电次数达 200 万次以上，相较于电池则是 5 年和 5000 ～8000 次。从充放电速度来看，飞轮储能可在几分钟内进行一次充放电循环，针对需要反复充放电的应用场景，有得天独厚的优势。
以充放电功率来看，飞轮储能产品具有高放电倍率的特性，放电倍率可达 200C 以上，这在市电配置容量不足的情况下，可以利用飞轮储能进行功率放大功能，满足大功率用电设备使用。
目前业界飞轮储能产品的单机功率在 100 ～1000 kW 范围内，同功率下，占地面积约为化学电池的 1/3 ～1/4，在储能电站等大规模应用领域，可进行地下安装，有效节省占地面积。同时，飞轮储能具有良好的环境适应性，可工作于 －20 ～50℃环境中而不影响其寿命。
● 短板
由于其物理储能特性，飞轮储能也不可避免的存在缺陷，一是能量密度低，单体飞轮储能通常储电量在 1 ～50 kWh 范围内，相比于同体积化学电池，储电量相差数十倍; 二是初投成本较高，目前飞轮储能初投价格在 5000 元kW 左右，是化学电池的 5 ～ 10 倍，需要随着产业发展和变革逐步降低。
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应用领域
基于以上特点，飞轮储能可以应用于不间断供电、能量回收、电网调频、综合能源系统应用等领域。
● 不间断供电( UPS)
在各类数据中心、高端加工生产线、应急保电等领域，都需要提供 UPS 对服务器、关键生产设备等进行保障。
目前传统 UPS 利用化学电池作为储能器件，受制于化学电池寿命短、环境要求高等短板，在数据中心等环境控制较好的场景通常3 ～ 5 年需要更换一次电池，在非恒温恒湿环境下，化学电池的寿命会更短，这造成了成本增加、环境污染等问题。
利用飞轮储能作为 UPS 的储能器件，可极大延长其使用寿命和可靠性，提高关键用电设备供电质量。由于飞轮储能能量转换效率极高，在负载率 20% ～ 100% 的范围内，效率均能达到 95% 以上，能够起到很好的节电作用。
飞轮储能供电系统拓扑图如图 2 所示，利用柴油发电机组、飞轮储能 UPS、切换开关( ATS) 等关键设备，在市电出现波动或中断时，将主用电源无缝地切换到备用电源。
实际使用效果如图 3 所示，市电出现中断时，由飞轮储能产品放电，并立即向柴油发电机发送启动，柴油发电机启动后，经过一定时间达到稳定输出状态，检测到柴油发电机输出功率稳定后，由 ATS 自动将负载转移至柴油发电机供电，整个切换过程中，输出端将持续保持稳定。
二重( 德阳) 重型装备有限信息中心承接了其范围内网络、办公、数据资料汇集及处理功能，原使用铅酸电池 UPS 进行不间断供电，未配置柴油发电机。
2019 年进行机房改造，利用飞轮储能不间断供电系统进行了升级，替换了原有铅酸电池 116 组，配置了柴油发电机组，为信息中心的电力供应提供了重要保障。
同时，设计方案中，将飞轮储能运行状态实时传输到数据机房动环系统，可以对飞轮储能产品运行状态进行实时监控。
在数据机房大规模后续的应用扩展中，飞轮储能系统还应考虑系统性缩短系统切换时间、增加与数据机房 －48 V 直流系统结合，以满足中大型数据机房更多的应用需求。
● 能量回收
在轨道交通、石油钻井等行业，由于设备反复启停会造成电能浪费、网压稳定性差等问题，利用飞轮储能产品可对制动能量进行回收，启动时再利用，起到节电的作用; 同时飞轮将能量进行回收再释放，避免了电网的功率冲击，可延长用电设备使用寿命。
典型应用如地铁轨道能量回收系统，当地铁进站需要制动刹车时，将地铁制动的能量用于飞轮储能产品加速; 当地铁列车出站加速时，利用飞轮放电补充列车能量。飞轮储能产品特有的充放电频次高、时间短等优势可以在该系统中进行使用，以减少电能损耗，提高地铁网压质量。张丹、姜建国等通过 MATLABSimulink 中搭建基于高速飞轮储能系统的地铁列车起动与制动仿真模型，验证了所提控制方法的有效性。
再如由柴油发电机作为电力供给的起重机械系统中，由于频繁上下运动，导致负载波动大，将对其动力源———柴油发电机造成频繁的功率冲击，带来寿命减少、积碳、能耗高等问题，导致系统经济性差、维护成本高。
飞轮储能因其强大的反复充放电能力，特别适用于短时周期性的能量存贮及释放，发挥其功率倍增功能。在柴油机低负载运行时，可以缓慢充电使飞轮储能产品处于额定转速; 当系统中出现冲击负荷时，短时间内将能量释放出来。这样，就将负荷的冲击性转移至飞轮储能产品而非柴油发电机，使得柴油发电机的功率变化保持平稳。
目前实际运行的案例有德克萨斯大学机电研究中心与 VYCON 联合测试飞轮储能用于集装箱起重机系统，利用 2 台 300 Wh、60 kW 飞轮系统并机，使用后燃油节省 21% ，烟尘排放减少 67% ，氮氧化物排放降低 26%。
清华大学与中原石油工程有限联合研制的 60 MJ/1000k W飞轮储能系统，实现钻井系统势能回收，可以单次回收能量 5 MJ，柴油机重载减少 50%。
● 电网调频
随着新能源的发展和各类用电设备的增加，电网频率稳定性要求逐步增高，需要配置相应储能设备进行频率调整，在短时高频调频场景下( 每天数百次，每次数秒) ，飞轮储能产品是目前适应性最好的一种储能装置。针对电网频率特性及机组调频特点，飞轮储能系统的接入可以起到减少机组磨损、抑制反向调频、储能电量持续性管理的作用。
由于风电和光伏等新能源发电方式，受自然环境条件制约，存在着周期性以及同用电峰谷不匹配的问题，容易引起电网频率的不稳定。
针对火力发电机组，由于大部分火电厂均承担调频任务，而火电机组调频存在迟滞性、超调、欠调、反调等问题，并且在反复调频过程中，会对火电机组内的机械系统的寿命造成影响，这就会导致电网频率的调节效果受到影响。
利用飞轮储能的快速响应特点结合锂离子电池大容量储能特点，可以很好地完成火电机组调频工作，使得火电机组调频更加稳定并且能够接受连续调频作业。
美国Beacon Power 在纽约州建设飞轮调频电站，总容量 20 MW，该电站于 2011 年投运，由飞轮阵列、升压系统、控制系统、冷却系统等组成，可以承担该地区 23% 左右的调频能力，调频准确率在 90% 以上。
近几年国内也开始出现了飞轮储能参与电网调频的示范项目，表 1 统计了部分国内外飞轮储能调频项目情况。
目前在中国国内运行的调频储能系统绝大部分采用锂离子等化学电池技术，在应用过程中已经明显暴露出使用寿命短、存在安全隐患高等问题。
飞轮储能系统具备充放电次数几乎不受限制、具有极高的功率密度和使用安全等不同特性，但能量成本较高，在承担大时长的调频指令时不具备经济性竞争优势。若采用能量型锂离子电池与功率型飞轮储能组成混合式储能系统，则可充分发挥各自的优势，达到更好的性能指标。
混合储能调频系统由储能单元、储能变流器( PCS) 、变压器、配电设施等组成。储能单元采用飞轮与锂离子电池两种储能技术，飞轮储能系统和锂离子等化学电池储能按一定比例搭配，组成混合储能系统共同辅助发电机组响应 AGC 调频指令。
飞轮储能系统因其功率密度大，寿命长，适合应用于短时大功率、频繁地充放电场景; 锂离子等化学电池储能系统能量密度大，适合较长时间的功率和能量支撑，通过两种储能系统的优势互补，可大幅提升储能系统的调频性能、延长电池使用寿命 1 ～2 倍，最大化经济收益。
● 综合能源系统应用
综合能源系统是指在一定区域内，通过利用智慧管理模式，整合区域内电能、冷能、热能、天然气、新能源发电、储能等多种能源资源，实现多种能源发电、多模式储能、多层次用电的协调运行、协同管理、共同相应。在满足系统内多层次用能需求的同时，提升各类能源利用效率。
二重德阳储能科技有限参与中国葛洲坝集团装备工业有限在湖北省武汉市建设的葛洲坝高端设备产业园综合能源项目，为其提供一台 200 kW 的飞轮储能产品及相关配套系统，建成了 104 kW 光伏、200 kW400 kWh 交流电化学储能、50 kW100 kWh 直流电化学储能、2×5 kW风电、200 kW 飞轮储能和 200 kW 测试柴油发电机及 1 台 14 kW 交流充电桩、1 台 60 kW 直流充电桩等构成的多能互补综合能源系统科研实验平台。
项目具备组态式智慧能源管理系统和混合储能系统测试试验功能，将为电化学储能单体测试、飞轮储能单体测试、系统调度策略优化、并/离网状态下系统故障稳定性等提供试验测试平台，为多能互补、源网荷储一体化等关键技术研究提供科技创新平台，为发展光柴储、光储充、分布式能源站、智能微电网发挥重要示范作用，具有科技研发支持和产业化支撑的双重意义。
项目目前运行状况良好，现场如图 8 所示。
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市场空间多大？
据CNESA数据，截至2021年底，全球已投运电力储能项目累计装机规模 209.4GW，新型储能的累计装机规模为25.4GW，飞轮储能仅占新型储能的1.8%，装机容量约459.8MW。
中国已投运电力储能项目累计装机规模 46.1GW，占全球市场总规模的22%，抽水蓄能仍是主力累计装机规模39.8GW，新型储能累计装机规模达到5729.7MW，其中飞轮储能仅占0.1%，约5.73MW。
相比于其他储能技术，目前飞轮储能成本仍较高，装机规模在储能市场中的占比还是很小。但材料主要是钢材和电子元器件原材料成本较低，大规模制造后成本下降；此外，设备可精确测量和控制机械损耗很小，维护成较低。
今年4月，国内首个兆瓦级飞轮储能项目投运；5月17日，在河北省发改委发布的《2022年度列入省级规划电网侧储能示范项目清单》里，有两个100MW的飞轮储能项目。从兆瓦，到百兆瓦，让飞轮储能也有了不错的想象空间。
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哪些企业参与？
在海外，20世纪90年代以后，飞轮储能受到了广泛的重视，并得到快速发展，飞轮储能系统已经开始应用于电力系统、轨道交通等领域。
国内涉足飞轮储能的企业包括创业企业奇峰聚能、泓慧能源、坎德拉能源、华驰动能等，上市华阳股份、国机重装、湘电股份、苏交科等。
今年9月，华驰动能发布了新产品“哪吒飞轮”。这款磁悬浮储能飞轮，单体储电能力高达1000KWh，是全球平均水平的500-1000倍。“哪吒飞轮”单体功率可高达4MW，在500kW功率下连续工作可输出2小时。
7月下旬，国机重装旗下子二重德阳储能科技有限成功中标中国葛洲坝集团装备工业有限“产业园风光柴储充多能互补综合能源科研项目飞轮储能装置及充电桩采购”项目。2022年4月，青岛地铁3号线万年泉路站兆瓦级飞轮储能系统，由湘电股份子湘电动力有限等单位联合研制，拥有完全自主知识产权。
奇峰聚能在阳泉市矿区建有生产基地，建设了年产200套飞轮储能系统生产装配线。截至2022年3月末，共完成生产飞轮储能装置20套，分别用于太原综改区光储网充示范项目、深圳地铁七号线车公庙、河北三河电厂和华能山东莱芜电厂调频等项目。
2022年，可以说是飞轮储能应用元年。首台套1MW飞轮储能装置在青岛地铁3号线万年泉路站完成安装调试并顺利并网应用；三台1MW飞轮将进行阵列协调控制测试后并入中核汇能二连浩特99MW风电场，与3MW/3MWh的电池储能共同构成混合储能系统，为二连浩特风电场提供一次调频服务；宁夏灵武电力光火储耦合22MW/4.5MWh飞轮储能工程也将于今年投运。
作为被国家列入“十四五”重点发展的新型储能技术之一，国内飞轮储能落地项目也从千瓦级、兆瓦级走向了百兆瓦级，飞轮储能响应速度快、转换效率高等优势，相信会在未来新型电力系统中占据一席之地。
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