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大容量先进飞轮储能电源技术发展状况
日期:2018-04-04 10:34:43 | 来源:IDC思想库 | 点击率:414
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现代飞轮储能电源综合了先进复合材料转子、磁轴承、高速电机以及功率电子技术而极大地提高了性能,近10年间,现代飞轮储能电源商业化产品推广应用发展迅速。飞轮储能电源系统在储能容量、自放电率降低等方面还有待进一步提高。飞轮储能目前适合于电网调频、小型孤岛电网调峰、电网安全稳定控制、电能质量治理、车辆再生制动及高功率脉冲电源等领域。随着飞轮储能单元并联技术及超导磁悬浮技术的逐渐成熟,其应用领域将逐步扩展到大电网储能领域。飞轮技术产品处于快速扩张时期,我国应当积极从国家层面支持飞轮储能电源技术研究开发,争取早日推出国产飞轮储能电源高技术产品。

一.引言

1.1电储能技术需求背景

受发电设备固有惯性和运行经济性的限制,传统电力供应(水电、火电、核电)自身具有大规模、连续性特点,而用电负荷具有随机性和间断性,电能供给和需求的容量矛盾(日昼波动、季节性波动、经济周期波动)导致发电、输电和变电设备的利用效率降低并严重影响一次能源的利用效率。

新型能源如风电和光伏发电具有波动特性,其大规模开发和利用,将使供需矛盾进一步突出。因此,亟需突破储能关键技术,开发储能装备,以提高一次能源和输变电设备的利用效率。然而,大容量电储能技术长期以来一直是电力行业中尚未完全解决的难题之一。

目前电储能以抽水储能和常规电池储能为主,而各种新型的储能技术已显示出很好的应用前景,如飞轮储能、超级电容器储能、超导储能、压缩空气储能、液流电池和钠硫电池储能等,这些新型储能技术还处在研究开发阶段,它们具有各自的突出优点,但也存在着各自的缺陷。

电能存储按容量可分为长时大能量、短时高功率两种,长时大容量的抽水储能电站可以在电网规模上提供数小时的电能供给;而短时高功率的飞轮储能电源可为高端用户端提供数分钟的高品质电能供给。

各种储能方式的技术对比见下表。从表中可看出,飞轮储能具有储能密度高、效率高、瞬时功率大、响应速度快、使用寿命长、不受地理环境限制等诸多优点,是目前有发展前途的储能技术之一。

1.2飞轮储能技术原理与应用

飞轮储能的基本原理是把电能转换成旋转体的动能进行存储。在储能阶段,通过电动机拖动飞轮,使飞轮本体加速到一定的转速,将电能转化为动能;在能量释放阶段,飞轮减速,电动机作发电机运行,将动能转化为电能。飞轮存储的能量可以表达为:E=Jω2/2,J为飞轮绕旋转轴的转动惯量。飞轮储能系统的基本结构如下图所示。

现代飞轮储能电源系统综合了先进复合材料转子、磁轴承、高速电机以及功率电子技术而极大地提高了性能,在2000年前后,以美国为代表的现代飞轮储能电源商业化产品开始推广。例如,ActivePower公司的100~2000kWCleanSource系列UPS已经应用于精密电子生产企业、信息数据中心以及网络通信系统等,满足高级用户对高质量的供电需求。目前全球至少有3000套基于飞轮储能的大功率绿色电源安全运行了上千万小时。

飞轮储能系统在储能容量、自放电率等方面还有待进一步提高,这决定了飞轮储能目前更适合于电网调频、小型孤岛电网调峰、电网安全稳定控制、电能质量治理、车辆再生制动及高功率脉冲电源等领域;随着飞轮储能单元并联技术及超导磁悬浮技术的逐渐成熟,其应用领域将逐步扩展到大电网储能领域。

1.3飞轮储能技术的重要需求

1.3.1提高电网对可再生能源接纳能力

风力发电、光伏发电具有间歇性特点,可再生能源的大规模接入给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战。为了解决风电接入后电网的安全稳定运行,需根据并网的风电容量留出与风力发电装机容量相当的备用热机发电容量,在孤岛电网中一般需要配备相当比重的柴油发电机。备用电厂的出力要随着风电出力的变化频繁调节,严重影响其运行经济性。

飞轮储能与风力发电相配合供电,可以避免柴油发电机频繁起停,提高风能利用效率,降低发电成本和电价。澳大利亚的CoralBay、SandBay、NineMilesBeach、Denham、日本的DogoIsland、美国的Alaska等一系列岛屿电网,采用了飞轮储能来提高电网的稳定性、减少风电出功波动对系统电压和频率的影响,并大可能地降低柴油发电机的出功。

1.3.2提高电网的安全稳定水平和运行经济性

随着我国电网互联规模的不断扩大,电网之间的联系将越来越紧密。近年来电网瓦解和大面积停电事故在世界各国时有发生,大规模电力系统的安全高效运行已成为各国电力系统发展的主要问题之一。在我国东北、华北、华中和川渝电网的联网试验中,就观察到了一些国际上从未报道过的电网异常动态行为。

电力系统的绝大多数稳定问题是暂态稳定问题,对储能装置需求的特点是:瞬间功率大、持续时间短。飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源,主动参与系统的动态行为,并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程,使系统迅速恢复稳定状态。日本Kansai电力公司于2002年在3.3kV系统上开展了飞轮储能改善电网稳定性的研究,取得了良好效果。

电网有功负荷变化必然导致电网频率波动,传统的电网频率调节通过抽水蓄能电站、火电站、燃气轮发电站的功率调整、投切来实现,但对于快速的电网频率波动常规电站来不及响应,采用飞轮储能电站可以满足需求,利用其快速调节特性,可以在同样容量下获得双倍的调节效果。

美国Beacon Power公司于2008年12月在马萨诸塞州建成了1MW/250kWh调频电厂,2009年8月,美国能源部支持其建设两个20MW飞轮储电站。随着技术进一步成熟,飞轮储能技术还可以用于负荷中心的削峰填谷,提高电网的运行经济性。

1.3.3高品质供电

自20世纪80年代以来,新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高,而电能质量的问题却日益突出:一方面用电负荷的非线性、冲击性和非平衡性,使得电网的电压波形畸变、电压波动和电压闪变以及三相不平衡等电能质量问题日益严重;另一方面电气化和微机化程度越来越高,越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备,电力用户对电能质量的要求在不断提高,特别是半导体制造、精密加工、医疗卫生、金融、计算机中心、重要场馆会所对电能质量要求更是严格,几十毫秒内的电压暂降都可能造成设备损坏停产,给企业带来极大经济损失。以北京亦庄经济技术开发区为例,2007年至今的统计数据表明,该区内出现了十多起瞬时断电、电压暂降等电能质量事故。美国电力科学院估计电能质量的相关问题在美国造成的损失有数百亿美元。

为解决用户暂态电能质量(一般持续时间不超过1min)影响的动态UPS(不间断电源)以及动态电压恢复器等装置的需求获得了快速增长。目前,飞轮储能技术应用成功的领域是基于飞轮储能的UPS实现高品质供电。

1.3.4车辆制动动能再生

城市轨道交通的特点是:站距短,车辆的动能巨大,制动频繁,且起动、制动加速度大。一般为了减少闸瓦磨耗和对环境的污染,制动方式从能耗制动方式向再生—能耗复合制动过渡,车组的常用制动一般都采用电力制动,空气制动只作为制动力的补充或作为后备制动。由于地铁的供电系统都是由交流整流而来的直流系统,一般变电站也不设逆变装置,所以再生的能量只能随机靠邻近车辆吸收。当电力制动引起供电接触网的电压升高到一定值时,必须转换到电阻制动或空气制动,这就造成了能量的浪费、设备的磨损和隧道温度的上升。

采用了高储能量、大功率的储能飞轮系统,就可以提高接触网供电电压的稳定性,在车辆起动时,输出电能提供给车辆转化为动能,在制动时间(持续15s左右)又通过再生制动将车辆动能转换成电能储入飞轮系统,实现能量的回收。广州地铁4号线的制动能—飞轮储能再生模型分析表明:一年可回收的电能为292万kWh。

1.3.5高功率脉冲电源

脉冲功率技术,是把较小功率的能量以较长时间输入到储能设备中,将能量进行压缩与转换,然后在较短的时间以极高的功率密度向负载释放的电物理技术,在国防科研和高技术领域有着重要的科学意义与应用价值。

聚变能研究需要建立高温等离子体磁约束试验装置,其中的磁场实现需要高功率脉冲电源,供电要求为上百千伏安,放电时间为数秒。20世纪70年代以来,欧洲、日本、中国建立了多个大型飞轮储能发电机系统,先用小功率电动机将数十吨重的飞轮驱动,然后飞轮驱动大电机发电。这样的电源系统具有转速低、装置巨大、能耗高等缺点,如采用现代复合材料飞轮和高速电机,预计可以提高转速3~5倍。整套飞轮电机装置重量可以缩小70%~90%。

基于飞轮储能的脉冲电源还可以应用于军用电磁发射。电磁发射物体不仅局限于弹头,也可以是飞机、防空导弹,电磁发射的技术瓶颈之一就是高功率脉冲电源。

二.国外技术状况

2.1概述

近15年来,国际上飞轮储能技术和应用研究十分活跃,美国、日本、法国、英国、德国、荷兰、俄罗斯、西班牙、韩国、印度、瑞士、加拿大和意大利等国都在进行研究。其中美国投资多,规模大,进展快。美国飞轮储能技术进步依赖于能源部的超级飞轮计划、宇航局的航天飞轮计划等国家层面的长期资助,再加上20世纪90年代风险投资的大量介入,才使得经历了50年研究开发的飞轮储能技术获得了成功应用。

国外为提高性能、推广应用,开展了高能量密度飞轮、高功率高速电机、微损耗轴承、高效电能变换器、低能耗真空及工程应用等多个方面的基础研究与应用研究。

2.2高速复合材料飞轮

提高能量密度、功率密度的途径主要是提高转速。考虑到转动惯量与尺寸的平方成正比,因此提高飞轮边缘线速度才能有效提高飞轮动能,限制飞轮线速度提高的因素是材料的强度极限以及轮毂与轮缘的变形协调。先进高比强度复合材料飞轮结构设计与研究有理论设计与实验考核两个方面,缺一不可,归结起来,高速飞轮结构设计研究是一个高强材料的应用力学问题。

高比强度复合材料显著的各向异性,导致纤维复合材料缠绕成的飞轮径向抗拉强度低而发生层间脱裂,因而需采用多个薄圆环过盈套装、预应力缠绕、层间弹性层等结构优化设计、采取在线固化工艺以及纺织工艺设计等。同时,飞轮还需要心轴传递扭矩和提供支承定位,在心轴和飞轮轮缘之间的轮毂部分一般采用超高强度钢或高强度铝合金,轮毂设计的难点是实现轴和轮缘之间大变形协调和承担高速离心载荷,先进飞轮采用了变截面锥壳或轮辐结构。考虑到工程应用的飞轮实际结构以及轮毂的储能密度较低,目前整体飞轮设计指标小于200Wh/kg。

2.3大功率高速电机

由于军用和民用对高速电机的需求,20世纪末以来发达国家竞相开展对高速电机的研究,成为国际电工领域的研究热点,其中以美国发展为迅速[12-13]。例如Syony公司可生产100kW,60000r/min和400kW,20000r/min的磁悬浮高速永磁电动机和发电机。

由于转速高,电机的功率密度大,其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机。高速电机可以有多种结构形式,如感应电机、永磁电机和磁阻电机等。特别是永磁电机由于其结构简单,磁密度高、无励磁损耗和效率高等优点,适合用于中、小型高速发电机。

电机在高速旋转时转子的离心力很大,当线速度达到200m/s以上时,常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力,需要采用特殊的高强度叠片或实心转子。转子采用非导磁钢对永磁体进行了保护,永磁体表面采用碳纤维绑扎都可以解决高速强度问题。高速感应电机的转子损耗大,功率因数低;但其实心转子能够承受400m/s表面速度,并能承受较高的温度。

高速电机单位体积内的损耗较大,虽然目前对各种普通电机的电磁性能和损耗研究比较多,但是对高速电机损耗的研究比较少。

2.4微损耗高速轴承

传统的滚动轴承、流体动压轴承难以满足高速重载而摩擦损耗低的要求,高速飞轮的先进支承方式主要有超导磁悬浮、永磁悬浮、电磁悬浮。

超导磁悬浮轴承(SMB)由永磁体与超导体组成。SMB的能量损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和风损。由于无机械接触,SMB的总能耗很小,当然低温液氮的获取和维持需要消耗一定的能量。

鉴于高温超导磁悬浮轴承具有的无源、无机械磨损、高转速、寿命长等几大突出优点,高温超导磁悬浮轴承吸引了世界各国广泛的关注。美国、德国和日本等国已开展了20年的研究,其他国家如韩国、西班牙、英国等在这方面的投资力度也在逐步加大。

2007年,美国波音公司和阿贡实验室联合开发出5kWh/100kW的轴向轴承飞轮储能系统,测试速度达到22500r/min。2007年,德国的ATZ公司设计出5kWh/250kW的径向轴承飞轮储能系统。飞轮大型化的轴承技术主要突破方向是超导磁悬浮。

电磁悬浮轴承(AMB)采用反馈控制技术,能在径向和轴向对主轴进行定位,使飞轮运转的稳定性和安全性得到一定的提高,电磁轴承的突出优点是可超高速运行,30000~60000r/min是电磁轴承通常的运行范围。电磁轴承在国内外研究十分充分、技术成熟,正在大力推广工程应用。

永磁轴承通常由一对或多个磁环作径向或轴向排列而成,其中也可以加入软磁材料。随着永磁材料的快速发展,永磁轴承的承载力迅速增加。但是只用永磁轴承是不可能实现稳定悬浮,需要至少在一个方向上引入外力(如电磁力、机械力等)。永磁体要实现高速旋转,需要减小径向尺寸或者以导磁钢环代替永磁环。与永磁轴承配合使用的机械轴承主要有滚动轴承、滑动轴承、陶瓷轴承。

以上各种支承方式各有优缺点,因此在实际应用中常将几种支承方式组合使用。美国ActivePower和德国Piller等公司生产的采用飞轮储能不间断电源(UPS)的飞轮支承系统采用的就是磁悬浮轴承和机械轴承组合技术。

2.5电机控制及电能转换器

电力转换器是飞轮储能系统的控制装置,是供电系统和电机的联系媒介,实现电能和机械能的相互转换,并有调频、调压和整流功能。电力变换电路必须实现能量的双向流动,而且在飞轮放电时,可以通过放电控制输出满足负载需求的能量。

随着电力电子技术的发展和新的功率器件IGBT和IGCT的应用,使得电力变换电路转换效率和器件开关频率更高,导通损耗更小,进一步提升飞轮储能系统的功率密度。

永磁同步电机可以采用矢量控制或者直接转矩控制。

飞轮系统的功率调节器PCS是将电机减速生成的变频变压的反电动势变换成适应于用户使用的电能形式,目前的实现方式主要有两种,一种将直流母线电压和给定电压的差值经过电压控制器生成电机的制动转矩指令值,构成电压外环、速度内环的双环控制结构。另一种是在飞轮减速时把逆变器的可控开关管全部关断,仅利用其续流二极管构成不控整流桥,得到幅值持续降低的直流电压,再经过DC-DC升降压控制把直流母线电压稳定在恒定值。

2.6低能耗真空获得与维持技术

高速旋转的飞轮必须处于真空环境中以减少风损。真空的获得与维持一般靠小型真空泵配合高密封。新的技术途径是自持分子泵。真空的获得相对容易,而保持相当困难。

2.7工程应用开发

经过20年的技术积累,20世纪90年代后期,基于飞轮储能的电源系统实用产品逐步成熟。早在1997年,Beaconpower推出2kWh的飞轮电池,飞轮转速30000r/min,采用永磁/电磁混合支承,永磁无刷电机效率高达96%。美国的ViataTechEngineering公司将飞轮引入到风力发电系统,实现全频调峰,飞轮机组的发电功率为300kW。全球范围内,目前至少有10家以上的公司可以提供飞轮电池产品。

三.国内技术现状

3.1飞轮储能系统技术

国内自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术,自90年代开始了关键技术基础研究。

中科院电工研究所目前已经设计并实现了基于钢转子和机械轴承的飞轮储能装置并应用于微型电网稳定控制和电能质量改善,清华大学300Wh飞轮储能样机1997年实现充放电;支承在永磁-微型螺旋槽轴承上的500Wh复合材料飞轮转速达到42000r/min(660m/s)。华北电力大学同期也建立了试验装置,钢质飞轮极限转速10000r/min,也采用了低损耗的永磁-流体动压混合支承。

北京航空航天大学、中科院长春光学精密机械与物理研究所近年来开展飞轮储能电源的航天应用研究。浙江大学、东南大学开展过关于先进飞轮储能技术的“863”探索项目研究,武汉理工大学探讨了飞轮储能在电动车混合动力的应用设计与研究。

3.2复合材料飞轮技术

国内学者在复合材料飞轮理论分析与设计方面做了大量工作。这些研究包括多层套装复合材料飞轮的变形与应力分析、纤维束张紧缠绕的预应力分析、纤维铺设角和层间过盈量平抑应力分析,为提高储能密度的优化设计指明方向。

国内飞轮试验研究数据缺乏,实验飞轮实际达到的储能密度指标低于国际先进水平。清华大学在复合材料飞轮强度试验研究方面开展较多工作,具备700m/s复合材料飞轮的设计和试验能力。

3.3高速电机技术

我国对高速电机的需求已经比较迫切,但研究工作起步较晚,目前能够生产的是10kW以下的小功率高速电机,大功率高速电机的研发尚处于起步阶段,是国内一大技术瓶颈。

沈阳工业大学与南京航空航天大学及浙江大学合作,在国家自然科学基金资助下研制采用磁悬浮轴承的75kW,60000r/min高速永磁电动机和发电机试验样机。目前有多个单位正在研发转速为15000~25000r/min,功率为75~250kW的高速电动机。

3.4磁轴承技术

北京航空航天大学设计并完成了多种磁悬浮惯性执行机构用永磁偏置混合磁轴承,磁轴承转速达到42000r/min。清华大学将永磁轴承-微型螺旋槽油膜混合轴承应用到储能飞轮,进行系统效率测试研究。

国内对高温超导磁悬浮轴承研究起步较晚,研究单位也较少且多处于理论研究和概念设计阶段,与发达国家差距较大。目前国内有三台高温超导磁悬浮轴承样机:中科院电工所的混合磁悬浮轴承样机,北京交通大学的混合磁悬浮轴承样机和西南交通大学超导技术研究所的双轴向型高温超导磁悬浮轴承样机。

3.5电机控制及电能转换技术

飞轮储能的电机控制和电能转换技术主要围绕飞轮充电、待机和放电三种工作模式的控制和相互切换,主要包括针对飞轮电机的充放电控制器和针对用户需求的功率调节器两个部分。对于飞轮电机的充放电控制器,国内几家研究飞轮的主要科研院所均有所研究和试制,大多采用较为先进的数字控制器,在充电和待机模式下采用速度外环、电流内环的控制方式,在放电模式下采用电压外环、电流内环的控制方式。清华大学完成了高速飞轮储能配套的永磁无刷直流电机双向控制器;基于飞轮储能的动态电压补偿控制系统,飞轮储能量1000Wh、电机功率10kW,转速为20000r/min。

对于飞轮的功率调节器,由于国内飞轮的应用研究还较少,因而相关研究不是很多,目前大多停留在UPS的应用研究上,采用恒压恒频输出控制方式,较为简单,在用于电网稳定控制和电能质量改善方面还需要深入研究。

中国的飞轮储能技术处于实验室研究阶段,与国外技术水平差距在10年以上。

四.发展趋势与对策建议

4.1技术发展趋势

4.1.1采用先进复合材料飞轮以提高能量密度

提高飞轮速度的限制条件是材料的强度、轴承的转速以及真空条件。飞轮储能密度的提高依赖于更高性能的材料、结构优化设计和先进的制造工艺。国外先进飞轮储能密度达到100Wh/kg,考虑到先进高强纤维的高技术贸易壁垒,国内努力提高的目标是60~80Wh/kg。

4.1.2采用高速电机以提高功率密度

通常电机转速为数千r/min,转速在数万r/min的高速电机的尺寸、重量优势显著,但突出的问题是高频电磁损耗引起的散热问题,这对于真空条件的大功率高速电机更具挑战性。转速超过10000r/min,功率超过100kW的高速电机是国内的研发方向,转子的冷却需要考虑新的冷却方式。

4.1.3采用磁悬浮以降低损耗

电磁、永磁混合轴承技术趋于成熟,在现有的飞轮储能系统中已经得到大量应用,研究方向是减低主动控制损耗。

超导磁悬浮轴承研究方向是提高承载力、稳定性,如果有更高温度的超导材料,对超导磁悬浮技术将是极大的推动。高承载力、微损耗的高温超导磁悬浮是大容量飞轮储能系统的轴承发展方向。

4.1.4飞轮阵列式运行

为提高功率、能量容量,飞轮储能单元采用模块化设计,多个模块并联成阵列式储能系统,目前国外的飞轮储能电源功率由兆瓦级向十兆瓦级发展,放电时间由数秒向数分钟发展,模块化运行管理是飞轮储能系统大型化的主要方向。

4.2总体发展趋势与对策建议

经过50年的长期积累与国家科技计划的支持,以美国为代表的国外现代飞轮储能电源高技术在产业过程中迅速扩张,目前全球有超过3000套基于飞轮储能的大功率动态不间断电源系统(UPS)安全可靠运行了上千万小时,应用于高质量电力、风力发电、车辆制动能再生等领域,自2005年以来,德国的Piller公司、美国的Active电源公司、Pentadyne公司都在大力开拓中国市场。

大容量飞轮调频示范电站正在美国建立,为降低自放电率,美国、日本、德国都在大力研发基于高温超导磁悬浮的大能量飞轮储能电源,以延长飞轮发电时间到小时量级。

世界范围内,飞轮储能应用研究领域首先着眼于车辆、航天,然后在动态UPS中获得了产业化应用,继而在孤网中获得应用,未来的发展趋势是应用于大电网。

国内的飞轮储能技术理论设计探索较为充分,建立了多套小型实验原理样机,但在工程应用装置研制方面因未在科技部立项支持,经费缺乏而与西方国家技术差距较大。

建议国家在“十二五”储能专项中大力支持,缩短与先进国家的差距,主要针对风力发电非稳态特性调节为应用背景,攻克大容量先进飞轮储能电源中的飞轮、电机、轴承、电能变换与电机控制器等关键部件技术、真空密封技术以及大容量储能电源系统集成应用等多项关键技术,防止飞轮储能电源高技术产品全被西方国家垄断。

五.结论

飞轮储能电源突出的优点是寿命长、功率大、效率高、无污染。飞轮储能技术适合于电网调频、小型孤岛电网调峰、电网安全稳定控制、电能质量治理、车辆再生制动及高功率脉冲电源等领域;随着飞轮储能单元并联技术及超导磁悬浮技术的逐渐成熟,飞轮储能系统在储能容量、自放电率等技术指标的进一步提高,其应用领域将逐步扩展到大电网储能领域。

国外飞轮技术产品处于快速扩张时期,为防止飞轮储能电源产品全被西方国家垄断,我国应当积极从国家层面支持国内飞轮储能电源技术研究开发,缩短国内外相关技术差距,争取早日推出国产飞轮储能电源高技术产品。

 

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