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飞轮储能的关键技术分析及研究状况

放大字体  缩小字体 时间:2017-03-20  来源:《智能电网》  浏览:932
核心提示:在众多储能技术中,飞轮储能系统(flywheel energy storage system,FESS)以效率高、容量大、响应快和对环境友好等优点,越来越受
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在众多储能技术中,飞轮储能系统(flywheel energy storage system,FESS)以效率高、容量大、响应快和对环境友好等优点,越来越受到国内外学者的重视。

飞轮储能系统是由高速飞轮、磁轴承系统、永磁电动/发电机、能量转换控制系统以及附加设备组成,它是以高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质,利用电动发电机和能量转换控 制系统来控制能量的输入和输出,达到充电和放电的目的。

飞轮储能系统作为一种逐渐成熟的储能技术,已经应用到包括航空航天、电动汽车、电力等领域,逐步取代化学电池储能,成为储能行业一支 不可忽视的力量。飞轮储能系统旋转时不会发生任何化学反应,其是纯粹的机械运动,对环境非常友好,因而受到越来越广泛的关注。

飞轮储能系统的工作状态根据暂态运行通常分为充电和放电2 部分,其工作原理是当外部电能充足时,系统将电能通过飞轮电动机转化为机械能 储存起来;当系统外部电能不足时,将飞轮存储的 机械能转化为电能输出到外部负载。

作为一种新型的物理储能方式,飞轮储能与传统化学电池相比,具备有以下优点:

1)充放电迅速。从收到电网侧的调节信号到飞轮储能系统做出反应,时间极短,并且在之后数分钟时间内能够完成整个系统的充/放电过程,符合电网的短时响应与调节需求,相比于蓄电池、抽水 蓄能、压缩空气等,具有较快的充/放电时间。

2)工作效率高。一般的飞轮储能系统工作效率可以达到90%左右,相比于抽水蓄能的 60%以及蓄电池储能的70%,具有明显的优势,而且采用磁悬浮轴承的飞轮储能系统,其工作效率更高,接近 95%。

3)使用寿命长。飞轮储能系统虽价格昂贵,但是设计良好,其年平均维护费用极低,充放电次数明显优于蓄电池储能等,其达到了百万数量级,且一般免维护的时间是在10a以上。

4)环保无污染。由于机械储能的缘故,飞轮储能不会排放出污染环境的物质,其是一种环境友 好型的绿色储能技术。此外,飞轮储能系统还具有模块性、建设时间短、事故后果影响低等优点。


图1 飞轮储能能量示意图

飞轮储能技术的应用主要集中在储能和峰值动力使用2大类,具体应用体现在以下几方面:

1)UPS不间断电源。不间断电源(UPS)是一种利用储能装置向负载提供高质量电能的设备,在医疗设备、通信、计算机系统领域有着广泛的应用。目前UPS逐渐倾向于使用飞轮储能装置等新型储能设备,既减少了环境污染,延长了使用寿命,同时也提高了工作效率。文献[1]对传统的UPS系统进行了改进,采用飞轮储能技术替代传统的化学电池,并且研究了旋转下飞轮储能系统充、放电控制策略,优化了飞轮充电曲线,改进了智能 控制算法;文献[17]搭建了用飞轮储能系统作为后备电源的新型UPS系统,并进行监测和分析,验证了其可行性,同时给出了相应的国内推广建议。

2)节能。能源利用率一直是我们比较关注的话题,节能已经得到广泛的共识。传统的机械装置,进行机械 制动后能量被转化为热能而流失,造成了一定程度上的浪费,降低了能源的使用效率。因此,通过飞轮储能装置把这部分能量转化为动能存储起来,在需要的时候,输出到系统中,可以减少能量损失, 提高能量的利用率,目前主要的应用领域集中在新 能源汽车和城市轨道交通等方面。

飞轮储能系统可以单独或与其他动力装置一起混合用于电动汽车上,能够改善电动汽车的经济性和动力性,间接减少尾气排放和对环境的污染程度。城市轨道交通由于定点停车,不断地处于启动停靠状态,因此,电能转换而来的机械能处于持续不断的浪费中。采用飞轮储能装置,依靠动能回收系统(KERS)进行能量回收与释放,相对于使用锂电池,飞轮储能系统效果更优。

3)传统电力系统。飞轮储能技术应用于传统电力系统,其能够较 好地调节有功功率,削峰填谷,增大功率因数,稳定电压和频率,并对改善电能质量和稳定负荷具有良好的作用。暂态稳定性问题一直是电力系统稳定 运行和分析的重点,依靠飞轮储能的瞬时功率大、响应迅速、充放电完成时间短等特点,投入到电力系统中,能够快速主动地参与电力系统动态过程,消除扰动并缩短暂态过程,尽量避免了电压崩溃、低频振荡等危险状况的出现,为电力系统恢复到稳 定运行起到了积极作用。

2002年,日本 Kansai电力公司将飞轮储能技术应用于3.3kV电力系统中,用于改善电网的稳定性,其效果显著。文献[21] 应用飞轮储能系统补偿阻尼系统的低频振荡,从佳安装地点、参数整定策略角度分析,仿真结果验证了飞轮储能系统在抑制低频振荡,提高系统稳定性方面的能力。

飞轮储能装置和电机结合在一起,离不开电机的辅助,因此电机的选择与控制将直接 影响到飞轮储能装置。文献[22]提出永磁无刷直流电机回馈制动新6拍脉宽调制方式,并将其应用于高速飞轮储能系统,在改善相电流波形,减小无刷直流电机在高速发电机状态下转矩脉动起到了一定作用。

4)微网。目前,微网(Microgrid)作为一个小型发配电系统,能够实现自我监控、自我调节,既可以并网运行,也能独立运行。因此,相对于传统大电网而言,微网由于分布式电源多、位置灵活、分散等特点,需要有储能系统的支撑做保障。

在微网能量充足时,飞轮储能系统将多余的能量存储起来,稳定端电压;当微网发生故障,或出现功率性缺额现象时,将存储的能量释放出去,增强了局部供电可靠性,维持了微网的频率稳定。

文献[23]将飞轮储能系统应用于微网,作为微网的储能元件,提出了并网时的控制策略,在主网络出现故障时,起备用电源作用,支撑了微网的可靠性;在微网和主网络正常时段,可以改善电能质量,削峰填谷。

文献[24]在微网系统中应用柴油发电机和飞轮储能系统,柴油发电机可以提供强大的功率支撑,稳定负荷,飞轮储能系统可以调节负荷波动、削峰填谷2者结合,并采取适当的控制方式,仿真实验证明了混合系统在微网系统中的有效性和经济性。

5)可再生能源的并网。飞轮储能技术的一个关键应用领域是可再生能源的并网。当前,风力发电、光伏发电等新能源因为清洁、巨量、可再生等优点,受到越来越多的关注。但是由于风光等可再生能源自身的间歇性和波动性,并网后增大了电网的冲击,对电力系统的安全稳定运行造成了一定的影响。而飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源,能稳定并网频率和电压,减小可再生能源的波动性,削峰填谷,降低对电网的冲击,有效地改善可再生能源并网过程中产生的电能质量问题,确保安全性和可靠性。

文献[26-27]提出了风力发电结合的飞轮储能系统,综合了频率和功率的调节与控制,根据实际风速,仿真得出平稳输出功率,实现电网频率控制;文献[28]的研究对象是永磁直驱风力发电机,分析了当前控制方法下,把飞轮储能系统安装在直流端侧,研究有功功率的平滑输出,设计了相应的飞轮储能系统能量控制策略,并给出了平滑功率值的计算方法;文献[29]创新性 地将广义动量概念应用于可再生能源,提出了能量补偿的新控制方法。该控制从调节飞轮储能系统转速出发,对可再生发电的动量进行计算,并对电网系统进行可靠的监视与能量补偿。 
 

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