飞轮储能系统容量分析与设计

皮振宏，戴兴建，魏殿举，徐 旸

（1清华大学工程物理系，北京 100084；2中石化中原石油工程有限公司，河南 濮阳 457001）

抽水储能、压缩空气储能以及电化学储能等技 术能够实现传统刚性电力系统的柔性调节，解决高比例新能源接入引起电网稳定性问题，保障高敏感负荷供电质量[1-2]。电力系统要求储能装备具备大容量、高效率、高可靠和长寿命等特点。飞轮储能是将能量储存在高速旋转的飞轮转子中，并实现电能与动能的双向转换。如图1所示，飞轮储能系统由高速转子、支承飞轮及电机转子的轴承、高速电动/发电机、充放电控制系统以及辅助设备等组成。它具有效率高、功率大、响应快、寿命长、维护简单、环境特性友好等特点，已经在航天、电动车辆、不间断电源、电网调频、新能源并网调控等多个领域得到应用[3-8]。

在中低速飞轮储能系统中，主要采用高强度钢合金飞轮转子，比如德国Piller公司的Powerbridge系列3 MW/60 MJ电励磁电机飞轮储能系统，结合柴油发电机组，实现重要场合高可靠不间断供电保障[9]。清华大学与中原石油工程公司联合开发的1 MW/60 MJ飞轮储能系统，应用于石油钻机动力调峰和能量回收[10]。

在高速飞轮储能系统中，采用中小型复合材料飞轮转子[11-12]。美国Beacon Power公司研发的高速碳纤维复合材料飞轮储能单机，转速16000 r/min，功率160 kW，储能量达108 MJ[13]。

航天飞轮储能系统的功率需求约为1～50 kW，动态UPS系统的单机功率为100～3000 kW，通过数百台飞轮储能单机并联，可以实现10～100 MW的飞轮储能阵列，应用于电网。10 kW∙h以下的储……