近年来，随着可再生能源占比不断提升。新能源发电的随机性、间歇性、波动性等特点，严重影响电网的稳定性，且其自身不具备调频能力，成为制约其进一步扩大规模的主要障碍。

如何更安全、稳定、经济地利用这些绿色低碳新能源电力？

这一问题已成为新型电力系统面临的挑战。

今天，带你了解储能新星——“飞轮储能”。

飞轮储能

储能分为物理储能、电化学储能、电磁储能。飞轮储能属于物理储能中的一种。

飞轮储能的工作原理：在电力富余条件下，由电能驱动飞轮高速旋转，将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。

充电时，转速提高；放电时，转速降低。

与其他储能模式相比，飞轮储能具有使用寿命长、充电次数多、能量密度高、安全环保性能佳的特点，非常适合电力系统一次调频短时高频大功率的应用场景。

目前，正在建设的第一个飞轮储能独立调频商用电站——山西长治鼎轮能源科技30兆瓦飞轮储能项目，安装120台250千瓦飞轮储能装置，总功率约30兆瓦。该项目由中国能建山西院总承包建设，建成投产后，将成为首个规模化飞轮储能在电力系统独立调频应用案例、首个大容量飞轮阵列工程示范工程，填补大容量飞轮储能独立调频技术工程化应用空白，对飞轮储能电站作为市场主体参与一次调频市场化辅助服务的商业模式进行验证。

飞轮储能系统的结构组成

飞轮储能系统由飞轮转子、电机、轴承、电力电子接口和外壳组成。

飞轮转子

飞轮中储存的能量由转子的形状和材料决定。能量与惯性矩及其角速度的平方成线性比例，因此可以通过提高转速或增加惯性矩来优化飞轮的存储能量。

这就为飞轮储能系统提供了两种选择：低速飞轮储能系统(通常高达10,000rpm)和高速飞轮储能系统(高达100,000rpm)。

低速飞轮通常由较重的金属材料制成，由机械轴承或磁轴承支承。高速飞轮一般使用较轻但较强的复合材料，通常需要磁轴承。高速飞轮的成本通常可高达低速飞轮成本的5倍。

电机

电动/发电互逆式双向电机与飞轮耦合，以实现飞轮的能量转换和充电过程。这台机器可为马达，通过加速飞轮并从电源中汲取电能来给飞轮储存动能。

飞轮上存储的能量由作为发电机的的同一电机提取，因此，飞轮在将动能转化为电能的过程中减速。飞轮储能系统中常用的电机有感应电机(IM)、永磁电机(PM)和可变磁阻电机(VRM)。

由于其坚固耐用、高扭矩和低成本，感应电机被用于高功率应用。速度限制、复杂的控制和更高的维护要求是感应电机的主要问题。

双馈感应电机（DFIM）由于其灵活的控制和较低的功率转换额定值，目前已在飞轮储能系统应用中使用，从而减少了电力电子设备的尺寸。

可变磁阻电机具有性能稳定、怠速损耗低、调速范围宽等特点。对于高速操作，可变磁阻电机的控制机制比感应电机更简单。它的缺点是功率因数低，功率密度低，扭矩波动大。开关磁阻和同步磁阻两种磁阻类型均适用于高速飞轮储能系统。

永磁电机具有较高的效率、较高的功率密度和较低的转子损耗，是飞轮储能系统最常用的电机。它被广泛应用于高速应用中。永磁电机的主要问题是定子涡流损耗导致的空转损耗、高价格和低抗拉强度。

无刷直流电动机(BLDCM)、永磁同步电机(PMSM)和哈尔巴赫阵列机(HAM)是飞轮储能系统应用中使用的主要永磁电机类型。

轴承

需要轴承以非常低的摩擦将转子保持在适当位置，同时为飞轮提供支撑机构。轴承系统可以是机械或磁性的，取决于重量、寿命和较低的损耗。

传统上使用机械球轴承，但与磁性轴承相比，机械球轴承具有更高的摩擦，并且由于润滑剂劣化，需要更高的维护成本。这些不足可以通过使用磁性和机械轴承的混合系统来缓解。磁性轴承没有摩擦损失，不需要任何润滑。

永久（被动）磁轴承（PMB）、主动磁轴承（AMB）和超导磁轴承（SMB）是磁轴承系统的主要类型。

PMB具有高刚度、低成本和低损耗。然而，PMB在提供稳定性方面存在局限性，通常被视为辅助轴承系统。

AMB是由控制转子位置的载流线圈产生的磁场驱动的。AMB成本高，控制系统复杂，运行时消耗能量，进而增加系统损耗。为了确保整个系统的良好效率，必须在速度和损耗之间进行折衷。

SMB提供高速、无摩擦、长寿命、紧凑和稳定的操作。它是高速运行的最佳磁性轴承，因为它可以在没有电力或定位系统的情况下稳定飞轮。

然而，SMB需要低温冷却系统，因为它在非常低的温度下工作；但近些年，通过使用高温超导体（HTS）对其进行了改进。SMB系统的主要缺点是成本非常高。

复合调频：飞轮储能+锂电池储能

通过飞轮和锂电池储能的“珠联璧合”，将飞轮储能瞬时功率大、毫秒级响应、充放电次数多和锂电池储能容量大、调频幅度高的优点相结合，搭配火电机组协助调频，可解决频率扰动对电网稳定性的影响。

近日，中国能建山西院设计的我国首个飞轮储能复合调频项目——山西朔州热电飞轮储能复合调频项目正式投运，填补了飞轮与电学复合储能领域的空白。

该项目位于山西省朔州市，总容量8兆瓦，由4台全球单体容量最大的飞轮装置和10组锂电池组成复合储能系统，配合现有的2台火电机组，可

飞轮储能复合调频项目首次集合了飞轮储能装置“长寿命”和锂电池“储量大”的优势，既扩大了系统总容量，又提高了电池的持久性。与现有火电机组联合为电网提供调频服务，有效满足电力系统频率稳定，同时可以有效平衡火电机组发电和电网调度需求用电之间的电量差的问题。

如此设计使可充放电次数比纯锂电池系统高出2000倍，同生命周期内可节省3批锂电池组的更换费用约2400万元。

当前，电力系统形态由源网荷三要素向源网荷储四要素转变，储能的作用日益凸显，具有更广泛的应用前景。随着飞轮储能技术成熟和成本降低，更多的飞轮储能应用项目将落地实施，为城市用电更加绿色稳定安全提供支撑。

飞轮储能的应用前景

UPS市场：主要用于有不间断电源要求的场景，如数据中心、通讯基站等，利用其具有响应速度快、瞬时功率大、占地面积小、使用寿命长等优点。

电网调频：电网中发电和用电不平衡会使电网频率发生波动，为了平抑这种波动， 电网就需要配备总发电容量2%的调频电站。随着新能源的入网，电网调频的需求将更大。

轨道交通：主要利用飞轮储能在列车进站时回收电能，列车出站时释放电能，发挥节能和友好电网的作用，解决资源浪费和冲击电网的问题。

储能式电动汽车充电桩：储能飞轮在电动汽车大功率、快速充电的场景下，不仅减小充电桩对电网增容的压力，又可以规避电网增容的制约。同时，由于储能飞轮功率密度高、体积小、布置灵活、绿色环保无污染，可布置于地下， 减小城建工作的压力。

随着关键技术的逐渐突破，飞轮储能系统也将逐渐成为一种成熟的储能技术，未来会有更广阔的应用空间，成为储能行业一支不可忽视的力量。

原标题：未来储能新星：飞轮储能技术