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。

在“双碳”目标引领下，加快构建新型电力系统意义重大。中核汇能作为中核集团、中国核电非核清洁能源发展战略平台，主动承担电网稳定运行的责任，积极探索一次调频问题的解决之道。本次在二连浩特风电场开展的示范工程将通过混合储能系统在网的长期运行，探索飞轮、电池与风电场共同配合满足一次调频要求的运行方式，为风电场一次调频寻找最经济的解决方案。

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，为二连浩特风电场提供一次调频服务。该项目将为探索飞轮储能阵列系统在风电场一次调频中的实际应用提供重要的实验数据和实践经验。2020年7月，在山西参加的飞轮与电池混合储能系统参与电网一次调频的科学实验，证明了飞轮快速高频次响应的特性最适合一次调频应用，可以有效改善电池储能系统的运行工况，达到延长电池寿命的目的。

什么是飞轮储能？

飞轮储能系统是一种物理方法的储能，理论循环充放次数可达百万次（目前正在进行的专门测试已经进行了几十万次测试），而且对环境温度的适应范围很大，是一种非常优秀的储能方式。

具体工作原理：在储能时，电能驱动电机工作，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的能量储存过程，这样能量就储存在了高速旋转的飞轮体中。之后电机能够维持一个恒定的转速，直到接收到能量释放的控制信号为止。释放能量时，高速旋转的飞轮带动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。

飞轮储能当然不仅仅只是作为一个应急供电的“充电宝”来使用，目前在轨道交通上就在广泛使用，对电车的制动与起动有重要作用，起到了良好的节约电能作用。更重要的是可以建设大型飞轮储能调频电厂，用以保障电网的安全，飞轮电厂的调节能力是传统火电厂的好几倍。

现如今国家有了碳中和的具体规划，必须得大力开发风能及太阳能电站，这两种清洁能源电站由于受自然因素影响，发电波动性更是特别大，更是需要搭配调频电站。不过飞轮目前制造成本还比较高，还不适合大规模建设，但是飞轮调节的最大优势就是反应能力特别的快，对目前其他调频电厂而言是一个极好的补充，是一个绝佳的伴侣。

飞轮储能进入商业化初级阶段

目前，国家能源集团在宁夏开展了首批“飞轮储能-火电联合调频”示范建设。其中，国家能源集团宁夏电力灵武公司光火储耦合22兆瓦/4.5兆瓦时飞轮储能工程是国内第一个全容量“飞轮储能-火电联合调频”工程，也是全球飞轮储能单体功率最大、总储能最多的工程项目，力争突破500千瓦级大功率飞轮单体的技术瓶颈，实现大功率飞轮单体工程建设。项目预计在2022年内建成投入使用。

在城市轨道交通领域，具备大功率快速充放电能力的飞轮储能可以起到很好的节能效果。飞轮储能装置可以将列车进站刹车时所产生的电能转化为动能储存，当列车再次启动，飞轮储能再将动能转化为电能输出，实现再生制动能量的回收和利用，从而达到节能的目的。据统计，轨道交通列车制动产生的能量，可达到牵引系统耗能的20%—40%。

2019年7月8日，兆瓦级飞轮储能技术在北京地铁房山线广阳城站首次实现商用。据介绍，在飞轮储能系统投入使用后，该车站一年可节省约50万度电。2022年4月11日，2台1兆瓦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，该装置是我国轨道交通行业首台具有完全自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置。

目前在全球范围内，飞轮储能行业尚处于发展初期。中国化学与物理电源行业协会储能应用分会发布的《2022储能产业应用研究报告》显示，2021年全球飞轮储能装机功率967.5MW，仅占全球储能市场0.47%。其中，中国包含压缩空气和飞轮储能在内的其它储能技术装机功率约为173.8MW，仅占中国储能市场0.4%。

随着新能源的不断发展，电力系统波动性加剧，飞轮储能的快速响应能力愈来愈受到电网和能源企业的关注，再加上政府对节能环保越来越重视，相信未来我国将会有更多的飞轮储能项目面世。

飞轮储能的应用前景

一、电力调峰

电力调峰是电力系统必须要充分考虑的一个重要问题。飞轮储能能量输入、输出快捷，可就近分散放置，不污染、不影响环境，因此，国际上很多研究机构都在研究采用飞轮实现电力调峰。德国 1996年着手研究储能5MW·h/100 MW·h的超导磁悬浮储能飞轮电站，电站由10 个飞轮模块组成，每只模块重 30t、直径3.5 m、高6.5m，转子运行转速为2 250~4 500 r/min，能量输入、输出采用电动/发电机来实现，系统效率为 96%。20世纪 90年代以来，美国马里兰大学一直致力于储能飞轮的应用开发，1991年开发出用于电力调峰的 24 kW·h电磁悬浮飞轮系统，飞轮重172.8 kg，工作转速范围 11610~46 345 r/min，破坏转速为48 784 r/min.系统输出恒压110/240V，全程效率为81%。

二、电动车辆飞轮电池

将飞轮储能系统安装在纯电动汽车里，作为电动汽车的动力源，称之为飞轮电池。研究表明.重2.200kg 的汽车，为维持200-250 km 的行程和 10 s的 10-96km/h的加速过程大约需要 78 kW·h的储能量以及94 kW的发电功率。20世纪 80年代初，瑞士 Oerlikon 工程公司，研制成功完全由飞轮供能的第一辆公共汽车。飞轮直径 1.63m，重1.51，在氢气环境里以3 000r/min 运行以降低风损。该车乘客70名，行程大约0.8 km，在每一靠站停车时，飞轮将需要充电2 min。美国研制的 ASF20飞轮轿车，充电 15 min 可以行驶 560 km。英国研制的飞轮有轨电车，充电 90s可行驶 10 km，比内燃机节能 23。

三、飞轮储能-再生制动系统

过去车辆在制动时，多余的动能只能转化为刹车片摩擦产生的热量消耗掉。电力机车与地铁车辆虽然可以采用再生制动，但目前在技术上还有一定问题。对于内燃机车与汽车. 因为没有接触网系统，更无法采用向接触网回馈电能的再生制动方式，最常用的是采用电阻制动等消耗能量的办法。另外，对于内燃机车辆，仅仅在起动和加速时，发电机组的容量才能完全发挥出来，在运行情况下，车辆只需要很少的能量，因此车载发电机组容量冗余很大，例如普通汽车稳定运行时，功率需求仅为峰值功率的1/4。对于电力机车与地铁等，牵引变压器也有容量冗余的问题。采用飞轮储能装置，可以在车辆制动过程中，将制动能耗通过电动机转化成飞轮的机械动能储存起来，成为再生能源。

当列车需大功率工作时（如启动、上坡、加速等），飞轮再通过发电机将动能释放，以供系统使用，这不仅可以节能，还可以减小车载发电机组或地面供电系统的容量。所以，各种电气传动车辆（电力机车、地铁列车、无轨电车、电传动内燃机车等）和混合电动汽车都可以使用飞轮储能实现再生制动。以下是一些应用实例∶

（1）内燃机车车载飞轮再生制动系统 可用于电传动内燃机车的再生制动，将飞轮储能系统放在内燃机车上，与内燃发电机组配合，向牵引电动机供电。美国得克萨斯大学已经开发出一种飞轮储能燃气轮机轻型机车，称为"下一代高速列车"，已经在纽约和波士顿之间进行了多次运行试验。德国也开发出采用飞轮储能装置的 LIREX 混合动力轻轨列车。

（2）混合电动汽车飞轮储能系统 与内燃机车飞轮再生制动类似，在制动过程中将制动能耗通过电动机转化成、飞轮的机械动能储存起来，成为再生能源当汽车需大功率工作时（如启动、上坡、加速等），飞轮再通过发电机将动能释放，以供系统使用。这样就迫切需要引入大功率输出储能系统，而飞轮系统具有满足这种输出功率和能量密度的特别要求。研究表明，合理设计混合飞轮电池，可节约能耗 30%，并能减少废气排放量 75%。

（3）轨道车辆轨旁飞轮再生制动系统 可用于接触网/轨供电的电力机车或地铁车辆的再生制动。列车进站前，牵引电动机将多余的动能通过接触网/轨送给车站上的飞轮储能系统，当列车再次起动时，飞轮可以反过来向列车供电，不仅节能，而且可以减小车站牵引变压器的容量。纽约、伦敦的地铁已经进行了试验。

四、风力发电系统不间断供电

风力发电由于风速不稳定 给风力发电用户在使用上带来了困难。传统的做法是安装柴油发电机，但由于柴油机组本身的特性要求，在启动后 30 min 才能停机，而风力常常间断数秒、数分钟。不仅柴油机组频繁起动，影响使用寿命;而且风机重启动后与柴油发电机同时作用，又会造成电能过剩。考虑到飞轮的储能量大，充电快捷，因此，国外不少科研机构已将储能飞轮引入风力发电系统。美国将飞轮引入到风力发电系统，实现全程调峰.飞轮机组的发电功率为 300 kW，大容量储能飞轮的储能为277 kW·h。试验表明，风力发电系统电能输出性能及经济性能良好，对电能质量有很大改善。

五、卫星姿态控制

这是飞轮应用最早的领域。由于飞轮高速旋转，不仅可以储能，还可以起到防螺仪的作用。美国航天局（NASA）等已开发出卫星姿态控制用飞轮系统，并已经进行了太空运行试验。

六、大功率脉冲放电电源

为了避免运载火箭只能使用一次的巨大浪费和减少大气污染，美国正在研究一种磁悬浮直线电动机托架（被称为太空电梯）来发射航天飞机，这需要功率巨大，但放电时间非常短促的电源，所以如果专门建设一个容量巨大的电力系统提供能量，显然是不合理的。而采用飞轮储能系统，可以用一个小容量的电力系统长时间向飞轮储能系统充电以满足发射时的瞬时大功率需要即可，这恰好发挥了飞轮储能系统能短促放电的优势。

另外，电磁炮发射、舰载飞机起飞助推、托克马克装置点火等，也都可以采用飞轮储能脉冲放电装置。例如，美国研制的电磁炮采用储能飞轮实现强力放电，可以在几毫秒钟内输出数百千安的强电流脉冲。七、其他应用

作为不间断供电系统，飞轮储能已经在龙门吊等柴油发电机—电动机传动系统中得到应用，可 以有效节能。另外，储能飞轮在太阳能发电、风力发电、潮汐发电、地热发电以及电信系统不间断电源等方面也有良好的应用前景。

文章来源： 中核汇能，南 方能源观察，电工运维藏金阁，策马长城内外