第五章储能

第五章 储能5.1概述5.1.1储能技术概况 电能是现代社会人类生活、生产中必不可少的二次能源。随着社会经济的发展,人们对电的需求越来越高。电力需求昼夜相差很大,但发电厂的建设规模必须与高峰用电相匹配,存在着投资大利用率较低的问题。同时,随着化石能源的不断枯竭,人们对风能、水能、太阳能等可再生能源的开发和利用越来越广泛。为了满足人们对生产生活的用电需求,缩小发电厂的建设规模,减少投资,提高电能的利用率是极为重要的。能源的便利使用需要两个基本条件：一是能源可以及时可靠地传输至用户；二是过多的能源可以被储存起来以备不时之需。其中储能是很重要的一个环节。事实上，化石能源及可再生燃料如生物质燃料等都可以被视为一种能源的储存形式。目前储能技术所关注的领域集中在电力储存上。这主要是指将电能通过一定的技术转化为化学能、势能、动能、电磁能等形态，使转化后能量具有空间上可转移（不依赖电网的传输）、时间上可转移或质量可控制的特点，可以在适当的时间、地点以适合用电需求的方式释放。发电-输电-变电-配电-用电是一个完整的电力生产过程，且连续进行，在整个过程中要保证电网系统的平衡，实现供电的稳定性和可靠性。由于电力系统的用户端存在着用电时间不同和用电量大小的不同，因此也就形成了电网负荷的峰谷差，为了达到既满足使用量同时又保证供电稳定性的目的，系统要留出足够大的备用容量，以满足最高峰的用电需求。但这样却造成了系统设备运行效率低的弊端，影响电网利用率。电网储能技术的应用缓解了这一问题，可以对负载削峰填谷,提高系统可靠性和稳定性,减少系统备用需求及停电损失。电网储能技术是在传统的电网系中加入一个能量存储的环节，使原来“刚性”的系统转变成“柔性”系统，电网运行的安全性、可靠性、经济性、灵活性也得到大幅度的提高。1.储能技术的原理储能技术的原理 电网中的储能系统由储能装置和电网接入系统（PCS）两大部分组成。储能装置主要由储能元件构成，可以进行能量的储存、释放和功率转换。电网接入系统主要由电力电子器件构成，主要作用是充放电控制、交直流变换、功率调节和控制、运行参数检测和监控、安全防护。储能系统的容量范围比较宽从几十千瓦到几百兆瓦；放电时间跨度大，从毫秒级到小时级；应用范围广，贯穿整个发电、输电、配电、用电系统。2.储能技术在电网中的作用储能技术在电网中的作用 (1)当前化石能源匮乏，已经成为制约社会经济发展的顽疾，加之现今社会的环境污染问题日益严重，各个国家都在寻求新的能源来应对当前的局面。风能和太阳能凭借来源丰富和没有污染的特点受到了越来越多的关注。但在其使用中受气候条件影响很大，存在间歇性、不稳定性和不可控性等缺陷，不能大规模开发和投入使用。储能技术的发展可以在很大程度上改变这一弊端，实现大规模可再生能源的接入。(2)传统的大电网供电方式存在着项目投资大、能耗高、供电安全性低和控制灵活性差的弊端，已经不能满足日益发展的供电质量和安全性的要求。在这种背景下，大电网与分布式发电相结合的供电方式应运而生，其兼具两种方式的优点，不仅可以提高电网安全性，而且可以节省投资、降低能耗。基于电网稳定性和经济性考虑,分布式发电系统要存储一定数量的电能,用以应付突发事件。所以，储能技术的应用和发展，可以促进分布式发电系统的建设，形成分布式电源的接入，变革传统电网升级方式，灵活配置能源供应，提高现有输配网络利用率，延缓输配电设备投资，从而优化整个供电网络。(3)储能系统可以夜间储电，日间放电，对于电网企业和终端的用电用户来讲，可以从峰谷电价差中优化资源配置,从而获得大量经济效益。此外，在电网发生故障和检修的情况下,用户可以通过储能系统保证正常的供电，用户用电的安全可靠性大大提高,可大幅减少停电次数(时间)和停电损失。(4)储能技术可以实现功率的平滑输出，降低功率波动越限概率以及爬率，增强电网系统的调频能力；提供快速的有功支撑，实现电压控制，保证供电可靠性，削峰填谷；借助大容量储能系统解决峰值负荷需求，满足特殊负荷的供电需求，提升需求侧的供电服务。3.储能技术的分类储能技术的分类 各文献对电能存储技术做出分类并不一致,甚至有不少错误。能量是守衡的,电力的储存和释放要通过物理和化学变化来实现。按照其能量形式,储能分为物理形式和化学形式,物理形式又可以分为机械储能和电磁场储能(如图5-1所示)。(1)抽水蓄能:抽水蓄能机组属于机械储能方式,由可逆式水轮发电机实现电能和储存于上水库水的势能之间的转化。(2)压缩空气储能:属于机械储能方式,通过空气压缩机和涡轮机实现电能和储存于密闭气室的空气的势能之间的转化。(3)飞轮储能:这是一种机械储能方式,通过电动机(发电机)实现电能和飞轮转动动能之间的转化。(4)超导线圈储能:是一种电感储能方式,将直流电以磁场形式储存于超导螺旋管中。(5)超级电容储能:超级电容包括双电层电容和法拉第准电容。前者像普通电容器一样储存电场能;后者实际发生了氧化还原反应,只是其充放电具有电容特性,储存的是化学能。(6)蓄电池储能:无论是传统的铅酸电池还是先进的NaS和Li电池,都发生了电化学反应,显然是化学储能方式。(7)氢储能:氢储能是燃料电池的主要形式,充放电都是氧化还原反应,也是一种化学储能方式。除超导和超级电容是直接储存电磁场能量外,其他方式都是将电能转化为其他能量形式储存的。5.1.2新能源发电和储能技术的展望 中国“十二五”规划的七大战略性新兴产业中，节能环保、新材料、新能源及新能源汽车4项产业均涉及储能技术。可再生能源发电的不稳定特性是制约其普及应用的瓶颈，大规模储能技术是解决这一问题的关键核心技术。同时，这对中国智能电网的建设至关重要。2010年，中国风能与太阳能光伏装机容量分别是30GW和10GW，2015年的目标分别是150GW和20GW。2020年，可再生能源在全部能源消费中将达到15%，风电装机容量将达到1.5亿kW。国家发改委能源研究所副所长李俊峰认为，风能与太阳能等可再生能源的应用比例占能源总量20%以上时，必须应用储能技术。目前，我国的风电已经存在严重的弃风问题。国家电监会风电、光伏发电情况监管报告显示：截至2010年上半年，我国因风电无法上网而导致的弃风达27.76亿千瓦时。因此，大规模储能应用已是箭在弦上。不过，国家能源局新能源与可再生能源司副司长史立山表示,“当前储能技术比较多，但储能产业没有统一标准。因此需要建立具体标准和要求，规定哪种技术更适合在哪个方面发展。当前的储能技术重要的还是要降低成本，以便推广储能技术的应用。”中国工程院院士杨裕生、国家973液流储能电池重大基础研究项目首席科学家兼中科院大连化学物理研究所研究员张华民及业内众多技术专家均支持上述观点，他们认为，对于可再生能源及储能等新兴产业，应该让不同种类的技术在竞争中发展，未来让市场作出合理选择。另外，发展大规模储电技术要重点考虑以下因素：安全性、成本与寿命、能量转换效率、易维护性、比能量和比功率、环境友好。5.1.3中国的新能源储能技术 比亚迪的新能源微网系统是以太阳能光伏+磷酸铁锂电池储能为基础的供电解决方案，功率在100500kW，主要适用于无电海岛、边远地区和电网末端。比亚迪的分布式储能系统是以太阳能光伏+磷酸铁锂电池储能为基础的家庭新能源解决方案，功率在35kW，储能24h，具有（单相）并网和离网带载功能，是针对德国等欧洲市场开发的产品。其按储能母线方式可以分为直流储能和交流储能两种方案。比亚迪正在或已经参加的大中型项目有：张北1MW1h风电调功电站，南方电网3MW4h储能系统，国家电网6MW6h风光储能系统，美国某能源公司2MW2h集装箱式储能系统。另外还参加了美国电力科学研究院50kW/45kWh储能单元项目、欧洲某电力公司15kW/11.5kWh储能系统等中小型项目。深圳雄韬电源开发了VISION纳米级磷酸铁锂和VISION EVVRLA铅酸混合电池，其特性参数见表5-1，适用于UPS、风光储能示范系统、太阳能、风能储能、电动汽车等。表表5-1 深圳雄韬电源的深圳雄韬电源的VISION纳米级磷酸铁锂和纳米级磷酸铁锂和VISION EVVRLA铅酸混合电池特性参数铅酸混合电池特性参数 另外，大连化学物理研究所正在领头筹备国家电工行业液流电池标准委员会，组织各课题单位参与液流电池行业标准的制定。5.1.4国际新能源储能市场与技术1.美国 为支持美国在储能技术方面的全球竞争力，2007年，美国能源自主和安全法案要求能源部成立储能技术咨询委员会，负责咨询制定储能技术研究计划；创建4个储能技术研究中心，实施储能技术的研究开发及应用示范。考虑到新能源产业尚处于发展初期，过早集中在选定的一两项技术上不太明智，故储能技术研究开发计划主要包括了以下多个方面：氧化还原液流电池（Redox flow cell）、钠盐电池、锂离子电池、高级铅酸电池、压缩空气储能和飞轮储能。尽管美国的新能源储能技术实力很雄厚，但其不乏忧患意识，认为中、日等国已经远远走在了前面。对此，总统奥巴马于2009年8月宣布拨款24亿美元，资助新一代环保电动汽车与储能电池的研发与制造。同时明确提出要建设坚强的智能电网。据美国市场研究机构Lux Research近期的预测，2015年，智能电网配备的储能市场规模将达158亿美元。2010年6月，美国Charge Point 充电站网络计划中的第一座充电站在佛罗里达州奥兰多市建成。据美国加州能源委员会储能项目经理Avtar Bining博士介绍，加州的可再生能源法案规定，2020年底之前，每年可再生能源发电量至少要占零售电量的1/3。4200MW规模的太阳能热电厂已通过审批，其中300MW在建。2020年，加州的可再生能源将达到20GW，分布式发电量将实现12GW。由公共能源研究计划(PIER)负责提供商业化之前各阶段的技术开发资金，对于高风险、高回报的早期项目可由风险投资介入。美国复苏与再投资法案(ARRA)在加州的18个智能电网与储能项目总值达13亿美元。考虑对于目前业内普遍忧虑的储能系统成本过高的问题，AES储能公司认为，要客观评价储能系统的价值（见图5-1）。成本对电池储能系统固然重要，但储能系统可以为电力公司提供多种应用方案，其每千瓦所提供的价值已超出了成本支出。另外，还可以全面提高电力系统的性能，电池系统可以自由放电而不需要任何特定的外部环境限制。因此，电力公司可以节约很多时间和精力，实现对电力的有效管理。而且，随着今后电动汽车的普及，储能系统的成本将进一步降低。对于电网堵塞问题，C&D公司认为，在边际成本很低的可再生能源发电中，堵塞限制了低边际成本的可再生能源发电的流通。在堵塞点部署储能系统有助于将更多的可再生能源发电输送至荷载消耗大的城市，提高受限制传输区间的传输线路容量；减少输送堵塞，增加低成本发电流量，有利于消费者，提升了风能和其它可再生能源发电和输电的能力，部分成本可由峰价销售抵消。C&D公司采用铅碳技术的ALCESS储能系统可以移动，当堵塞点变化时，可重新部署其位置；循环生命更长，在传输利用之外还可提供应急储电以及实现峰价销售，无须过度规划系统规模，降低了成本；铅碳电池95%使用的是可循环利用材料，报废后可充分再利用。2.欧洲 据PikeResearch的调研数据，2011-2021年期间，全球在储能项目上的总投资将超过1220亿美元。欧洲输电协作联盟(UCTE)预测，以2008年为基准，2020年风电将增长128%，水电增长14%，其他可再生能源增长175%。2010年，德国可再生能源占能源总量的17%。据德国可再生能源发电规划，2020年，可再生能源的比例将提升至35%，2030年和2050年，将分别升至50%和80%。2011年5月18日，德国经济技术部，环境、自然保护与核安全部及教研部三部委联合推出2亿欧元储能技术研究开发计划。丹麦2008年的风电占总需求的20%，预计2020年，这一比例将提高至50%。传统的水电储能技术是水泵蓄能(HPS),但大型抽蓄电站通常在山区，远离风电场,这会增加已经超负荷电网的负担和输电损失。为了补偿非常不稳定的风能，水泵的入力应当连续变化。目前只能在非常昂贵的变转速机组(双馈异步电动发电机）上实现，而且只在欧洲和日本有少量应用。奥地利Andritz水电公司开发了一种小型分布式抽水蓄能电站，采用标准变转速水泵水轮机、同步电动发电机配全容量变频器。抽蓄电站可在当地建设，靠近风电场。典型水头范围在50200m，典型单机容量为1025MW(如50MW风电厂需要25台机)。2010年，德国可再生能源占能源总量的17%。据德国可再生能源发电规划，2020年，可再生能源的比例将提升至35%，2030年和2050年，将分别升至50%和80%。2011年5月18日，德国经济技术部，环境、自然保护与核安全部及教研部三部委联合推出2亿欧元储能技术研究开发计划。丹麦2008年的风电占总需求的20%，预计2020年，这一比例将提高至50%。传统的水电储能技术是水泵蓄能(HPS),但大型抽蓄电站通常在山区，远离风电场,这会增加已经超负荷电网的负担和输电损失。为了补偿非常不稳定的风能，水泵的入力应当连续变化。目前只能在非常昂贵的变转速机组(双馈异步电动发电机）上实现，而且只在欧洲和日本有少量应用。奥地利Andritz水电公司开发了一种小型分布式抽水蓄能电站，采用标准变转速水泵水轮机、同步电动发电机配全容量变频器。抽蓄电站可在当地建设，靠近风电场。典型水头范围在50200m，典型单机容量为1025MW(如50MW风电厂需要25台机)。由于采用全容量变频器,水泵的入力可以在大范围内连续调节，允许更大的水头变幅，水泵工况和水轮工况的效率特性在很宽的运行范围内非常平滑。变转速技术使3个不同的机型就可以涵盖很大的运用范围，比定做的小型蓄能机组具有成本优势。对于传统在高山抽蓄电站到平地和山坡地带风电场和太阳能电站之间的输电线路，这种小型分布式抽水蓄能电站允许增加可再生能源的生产而不增加输电网的容量。2020年，英国15%的能耗将来自可再生能源，2030年会继续上升至30%。液态空气储能系统的发明者、Highview（海维尤）储能公司首席运营官兼创始人Toby Peters认为，上述目标几乎只能靠风能实现。英国国家电网预计，其在储能方面的年度花费将从2010年的2.6亿英镑增加至2020年的5.5亿英镑。Highview 研制出的液态空气储能技术，该技术与压缩空气储（CAES）、泵送水力、流体电池、优质铅酸和钠硫电池技术相比，具有成本低、循环次数多和效率高的特点。另外，还将开发可以集成较大装置的100MW单模块。现有的LNG可以存储10亿度电。3.日本 目前，日本电动汽车锂离子电池系统的能量密度和功率密度分别在70Wh/kg和1800W/kg以上。2015年，能量密度和功率密度将分别增至200Wh/kg和2500W/kg。2030年，能量密度将超过500Wh/kg。之后的目标是，能量密度继续提高到700Wh/kg，功率密度则下降到1000W/kg。5.2飞轮储能技术5.2.1飞轮电池的组成与工作原理 飞轮储能系统作为一种使能技术已经应用到包括航空航天、电动汽车、通信、医疗、电力等领域。早在20世纪50年代就有人提出了用于电动汽车的飞轮储能技术，并持续进行了多年的研究，由于受当时科技发展水平的限制，飞轮的边缘速度被限制在150m/s左右，单位质量储能低，损耗大，,能量传递和转换系统也非常复杂，,所以飞轮储能技术一直未取得突破性的进展。近年来，与飞轮储能技术密切相关的三项技术取得了重要突破:一是磁悬浮技术的研究进展很快，磁悬浮配合真空技术，可把轴系的摩擦损耗和风损降到人们所期望的限度;二是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，允许飞轮边缘速度达到1000m/s以上，大大增加了单位质量的动能储量;三是现 代电力电子技术的发展给飞轮电机与系统之间的能量交换提供了灵活的桥梁。这三项技术的新进展使飞轮储能技术也取得了突破性的进展，并在许多领域中获得成功应用，其潜在价值和优越性逐渐体现出来，飞轮储能的研究更加引起人们的重视。飞轮储能系统又称飞轮电池或机电电池，它已经成为电池行业一支新生的力量，并在很多方面有取代化学电池的趋势。与化学电池相比，飞轮电池的优势主要表现在：储能密度大，瞬时功率大，功率密度甚至比汽油的还高，因而在短时间内可以输出更大的能量，这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动；在整个寿命周期内，不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命，而且飞轮也不会受到损坏；容易测量放电深度和剩余“电量”；充电时间较短，一般在几分钟就可以将电池充满；使用寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命，一般可达成20年左右；能量转换效率高，一般可达85%95%，这意味着有更多可利用的能量、更少的热耗散，而化学电池的能量转换效率最高仅有75%；对温度不敏感，对环境十分友好（绝对绿色产品）；当它与某些其他装置组合使用时，如用于卫星上与卫星姿态控制装置结合在一起时，它的优势更加明显。现在飞轮电池使用复合材料飞轮和主动、被动组合磁悬浮支承系统已实现飞轮转子转速达60000r/min以上，放电深度达75%以上，可用能量密度大于20Wh/1b(44W h/kg)。而镍氢电池的能量密度仅有56Wh/1b(1112W h/kg),放电最大深度不能超过40%。总体来说，目前飞轮电池的可用能量密度最低也在40Wh/kg以上，最高的已经达到944Wh/kg，可见它的优势是十分明显的。当它用于电动汽车上时，使得现代汽车制造业者完全不必考虑汽车废气的排放，从而真正开创无废气排放汽车的历史。不管飞轮电池应用于哪个领域，对飞轮电池的开发研究都会涉及以下几个方面的新技术：复合材料的成型和制造技术；高矫顽力稀土永磁材料技术；磁悬浮技术；用于VVVF（变压变频）电机的电力电子技术；高速双向电动机/发电机技术。这些技术通过系统工程技术（包括系统结构仿真和分析）而被融合在一起。1.飞轮电池的组成 典型的飞轮储能系统一般是由三大主体、两个控制器和一些辅件所组成，包括：储能飞轮；集成驱动的电动机/发电机；磁悬浮支承系统；磁力轴承控制器和电机变频调速系统控制器；辅件（如着陆轴承、冷却系统、显示仪表、真空设备和安全容器等）。图5-2所示为一种飞轮电池的结构简图。1飞轮；2径向扭轴承的定子；3径向磁轴承；4轴向磁轴承；5电机定子；6电机内转子部分；7电机外转子部分；8真空壳体图5-2飞轮电池结构图 2.飞轮电池的工作原理 飞轮电池类似于化学电池，它有以下两种工作模式。(1)“充电”模式。当飞轮电池充电器插头插入外部电源插座时，打开启动开关，电动机开始运转，吸收电能，使飞轮转子速度提升，直至达到额定转速时，有电机控制器切断与外界电源的连接。在整个充电过程中，电机作电动机用。(2)“放电”模式。当飞轮电池外接负载设备时，发电机开始工作，向外供电，飞轮转速下降，直至下降到最低转速时由电机控制器停止放电。在放电过程中，电机作为发电机使用。这两种工作模式全部由电机控制器负责完成。飞轮转子在运动时由磁力轴承实现转子无接触支承，而着陆轴承则 主要负责转子静止或存在较大的外部扰动时的辅助支承，避免飞轮转子与定子直接相碰而导致灾难性破坏。真空设备用来保持壳体内始终处于真空状态，减少转子运转的风耗。冷却系统则负责电机和磁悬浮轴承的冷却。安全容器用于避免一旦转子产生爆裂或定子与转子相碰时发生意外。显示仪表则用来显示剩余电量和工作状态。5.2.2飞轮电池的应用领域 飞轮电池的应用十分广泛，但主要分为两大类型：一是用于储能，如卫星和空间站的电源、车辆的动力装置、各种重要设备（如计算机、通信系统、医疗设备等）的不间断电源（UPS）等；二是作为峰值动力，如电力系统峰值负载的调节、分布式发电系统中电网电力的波动调节、混合动力车辆负载的调节、运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源、脉冲动力设备等。(1)在电动汽车和军用车辆上的应用 目前，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，极大地改善汽车的动力性和经济性，以及汽车尾气的排放状况。飞轮储能系统在军事车辆的脉动负载和运行负载调节方面也担负重要角色，如德克萨斯大学奥斯丁电动力学研究中心（UT-CEM）就为军用车辆开发了脉动负载和运行负载调节的飞轮储能系统，该系统能储存25MJ 的能量，能提供5MW的瞬时功率，可满足14t级军用车辆的脉动动力要求。(2)在卫星和航天器上的应用 Fare公司、马里兰大学及受NASA资助的刘易斯(Lewis)研究中心共同开发了空心飞轮系统，它是将马里兰大学的500Wh的空心飞轮系统按比例缩小成50Wh的空心飞轮系统。该系统用于近距离地球轨道（LEO）卫星和地球同步轨道(GEO)卫星的动力装置，取代了原先的化学电池。同时，它结合飞轮储能和卫星的姿态控制，使其优势更加明显。(3)在电热化学炮、电磁炮上的应用 飞轮储能系统在电磁炮应用中具有明显优势，使一种8级逐级驱动的线性感应线圈发射炮能将3kg的炮弹以2km/s的速度发射。电热化学炮要求在15ms内将脉动动力传到枪炮后膛，而由飞轮储能装置构成的脉冲盘交流发电机(PDA)就能满足这种要求。(4)用于电力质量和电网负载调节 电力质量问题是一直困扰着电力工业的老大难问题。但随着UPS市场的发张壮大，各种重要的敏感设备（如计算机、通信设备和医疗设备等）因电网电力波动或突然的电力供应中断而造成的损失问题逐步得到了解决。飞轮储能系统完全可以担负起UPS的职能，而且电力供应质量可大大改善，供电时间可大大延长。此外，大功率、高储能的飞轮储能系统还可以用来调节电网用电高峰的电力供应，使其电网负载更加平稳。在以风力发电的机组中应用飞轮储能系统可是输出电压更加平稳。(5)不间断电源(UPS)不间断供电电源有着强大的应用市场。除目前通用的UPS外，飞轮电池作为一支新生的力量已经逐步参与到UPS市场中来。5.2.3 国内外飞轮储能技术的发展概况 飞轮的起源可以追溯到一百多年以前的瓦特蒸汽机时代，那时的飞轮主要用来保持机器的平稳运转，用途比较单一。第一次真正具有划时代意义的里程碑是A.Stodola博士撰写的关于飞轮转子形状和应力分析的书，该书于1917年首次被翻译成英文，直到今天它仍然有很重要的参考价值。第二个里程碑诞生于20世纪70年代早期，由于出现的石油禁运和天然气危机，飞轮储能才开始引起人们的足够重视。当时，美国能量研究发展署（ERDA）和美国能源部（DoE）开始资助飞轮储能系统的许多应用研究与开发，如针对电动汽车的超级飞轮的研究。刘易斯（Lewis）研究中心（LeRC）在ERDA的协助和美国航天航空局（NASA）的资助下研究用于真空下的机械轴承和用于混合车辆的飞轮系统的传动系统。NASA同时也资助戈达德（Goddard）空间飞行中心（GSFC）研究适用 于飞行器动量飞轮的电磁轴承。20世纪80年代，尽管DoE削减了对飞轮储能研究的资助，但NASA继续资助空间飞行中心研究卫星飞轮系统的电磁轴承，同时还资助了兰利（Langley）研究中心（LaRC）及马歇尔（Marshall）空间飞行中心（MSFC）关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究。直到20世纪90年代，飞轮储能才真正进入高速发展期。在此期间。磁悬浮技术的快速发展，提供了高速或超高速旋转机械的无接触支承，配合真空技术，使摩擦损耗包括风损耗降到最低水平；同时，高强度复合材料的大量涌现，如高强度的碳素纤维复合材料（抗拉强度高达8.27Gpa）的出现，使飞轮转子不发生破坏的转速极大地提高，线速度可达5001000m/s，已超过音速，从而大大地增加了飞轮储能系统的储能密度；电机技术的快速发展，尤其是大功率密度双向电动机/发电机的诞生，使得飞轮电池驱动能力进一步增强；电力电子技术的新进展，尤其是变频调速技术的高速发展为飞轮储能的动能与电能之间高速、高效率的转化提供了条件。飞轮储能技术必须借助于磁悬浮技术、电机技术、电力电子技术、传感技术、控制技术和新型材料（复合材料和高矫顽力永磁材料）技术，并将这些技术有机结合起来才能真正研制出具有使用价值的飞轮储能系统。迄今为止，国内外对飞轮电池的研究主要集中在以下几个方面：(1)磁力轴承（含高温超导磁力轴承）；(2)飞轮技术；(3)电机及其控制技术(4)安全与容器；(5)面向不同应用对象的飞轮储能系统的综合研究等。、5.2.4飞轮电池能量转换原理与矢量控制 飞轮电池是一种机电能量转换装置。其能量的转换主要通过电机及其电力电子控制装置来完成。飞轮转子运行的转速很高，普通的电机是不可能达到这样高的转速的，如果采用变速箱来提速又会影响飞轮电池的效率，现代电力电子技术的发展使得变频调速技术日益成熟。电动机的转速公式如下：(5-1)式中：n电动机的转速；f电源的频率；p电动机的极对数。pfn60 由式（5-1）可知，改变电源的频率即可达到改变电动机的运行速度的目的。其实现方法一般为：先通过整流器将三相交流电源整流成直流电源，再通过逆变器将直流电源逆变为电压和频率可控的交流电源提供给电动机，然后通过频率的提高来达到提供电动机转速的目的。1、飞轮电池能量转换方案 1)飞轮电池能量转换系统的要求 飞轮电池能量装换主要通过变频调速系统来实现，其变频调速系统应满足如下要求：(1)能可靠地调节电机的转速，使电机能够平稳的升速；(2)能可靠地将储存在飞轮中的机械能通过发电机转换成电能，能可靠地保证电能以恒频、恒压的方式稳定的输送给用电设备；(3)交流、直流之间的功率流可以是双向控制的，这样既可以实现整流，又可以实现逆变。2)飞轮电池能量转换系统分析 飞轮电池不但要将电能转换成机械能储存于飞轮中，还要将机械能转换成电能输送给外部用电设备。传统的电机变频调速装置均采用AC-DC-AC的方式，即先将交流电源转换成直流电源，然后再将直流电源转换成电压和频率可调的交流电源来驱动电机。由于不能实现能量的双向输送，故不能采用传统的变频调速装置作为飞轮电池的能量转换装置。下面就几种飞轮电池能量转换系统进行分析。（1）采用双变频调速系统模式 将飞轮电池的“充电”和“放电”分别采用两套系统来实现，其工作原理如图5-3所示，变频器1的功能是实现飞轮电池“充电”，变频器2的功能是实现飞轮电池“放电”。其工作原理如下：当飞轮电池处于“充电”阶段时，系统控制开关S与A接通，变频器1处于工作状态，变频器2不参与工作，变频器1先将外部电源先整流成直流电源，再由逆变器逆变为电压和频率可调 的交流电源来驱动含有飞轮电池的永磁电机，电机带动飞轮加速旋转，将电能转换成机械能储存起来；当飞轮电池处于“放电”阶段时，高速旋转的飞轮用做原动机，驱动电机将机械能转换为电能，系统控制开关S与B接通，变频器2处于工作状态，变频器1不参与工作，变频器2将飞轮电池电机发出的交流电先整流成直流电源，再经过逆变器的调压、调频作用，将直流电源转换成工频交流电源提供给用电设备。图5-3 双变频器调速系统工作原理图 （2）采用双换向开关模式 飞轮电池的“充电”和“放电”功能由一个变频器和两个换向开关来实现，双换向开关模式工作原理如图5-4所示。当飞轮电池处于“充电”状态时，换向开关 与A接通，换向开关 与C接通，整流器通过开关 与电网接通，将交流电源转换成直流电源，再由逆变器将直流电逆变为电压、频率可调的交流电通过开关 输送给含有飞轮电池的电机，电机带动飞轮加速旋转，将电能转换成机械能储存在飞轮电池中；当飞轮电池处于“放电”状态时，换向开关 与B接通，换向开关 与D接通，整流器通过开关 与飞轮电池接通，将飞轮电池发出的交流电转换成直流电，再由逆变器将直流电逆变为电压、频率稳定的工频电源通过开关 输送给外部用电设备。1S2S1S2S1S1S2S2S图5-4 双换向开关模式工作原理图 （3）PWM变流器模式 飞轮电池的“充电”和“放电”功能由PWM变流器来控制实现，其工作原理如图5-5所示，由于PWM变流器能工作于整流和逆变两种状态，因此可以实现能量的双向输送。当飞轮电池处于“充电”状态时，PWM变流器1工作于整流状态，将交流电整流成直流电，PWM变流器2工作于逆变状态，将直流电逆变为电压频率可调的交流电源来驱动含有飞轮电池的永 磁电机，电机带动飞轮加速旋转，将电能转换成机械能储存起来；当飞轮电池处于“放电”阶段时，飞轮电池中高速旋转的飞轮驱动电机发电，将机械能转换为电能，PWM变流器2工作于整流状态，PWM变流器1工作于逆变状态，将直流电源转换成工频交流电源提供给用电设备。图5-5 PWM变流器模式工作原理 上述3种方式中，第一种方式采用两套变频装置来实现飞轮电池的能量转换，虽然控制较为简单，但价格较高，且只能做单一的储能用途；第二种方式由两个换向开关和一套变频装置来实现飞轮电池的能量转换，控制起来要比第一种方式复杂，价格也较贵，也只能用于单一的储能用途；第三种方式通过PWM变流器来实现飞轮电池的能量转换，电路较前两种方式简单，控制系统要相对复杂一些，但由于PWM变流器能实现能量的双向流动，采用该方式控制的飞轮电池除了可以作为能量储能装置外，还可以用来调节电能质量，下面将重点分析PWM变流器的工作原理。2、PWM变流器的工作原理分析 1)单相PWM变流器工作原理 图5-6为单相PWM整流器主电路，其中：L为等值电感，起到传递能量、抑制高次谐波和平衡桥臂终端电压和电网电压的作用；R为等值电阻，通常情况下较小，可以忽略不计；为滤波电容，为高次谐波电流 dcC提供低阻抗通路，减少直流电压波纹。图5-6 单相PWM整流器主电路 图5-7为单相PWM整流器简化等效电路，考虑把开关器件（如IGBT，MOSFET）视为理想开关元件 （i=1，2，3，4），它的通断可以用开关逻辑函数来描述。不考虑器件换向所需的时间，定义开关函数 为 iSiS止状态表示开关断开，处于截通状态表示开关闭合，处于导01iS图5-7 单相PWM整流器简化的等效电路 由于上、下桥臂不能够出现直通现象，即 和 、和 不能够同时导通和关断，驱动信号应该互补。此时，取值有0、和 三种电平，有效开关状态组合为 种，对应开关逻辑 、分别为00、10、01、11，则整流器输入电压 为 (5-2)1S3S2S4SabUdcUdcU4221S2SabudcabUssu)(21 忽略回路的等值电阻R，系统的瞬时等值电路如图5-8所示图5-8 单相等值模型 此回路电压矢量平衡方程式为 (5-3)式中：输出脉宽中基波分量的有效值。abfaaudtdiLu单相PWM整流桥在不同开关逻辑状态下的运行情况如下。当 或11且 或00时，即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通，其等效电路如图5-9（a）所示。此时 ，负载消耗的能量由电容 提供，直流电压通过负载形成回路释放能量，电压下降。另一方面，电源 直接加在电感L上，当 时，即 处于正半周，电感中电流 上升，和 导通或 和 导通，只要 、中的一个导通即可；处于负半周时，电感中电流 下降，和 导通，只要 、中的一个导通即可，这两种状态使电感储存能量，并满足 (5-4)0abudcCau0auauai2T1D3T4D3T2Tauai1T2D1T4TdtdiLuaa (a)(b)(c)图5-9 各个开关逻辑状态的等值电路 当 且 时，其等效电路如图5-9（b）所示。此时 ，储存于电感中的能量逐渐流向负载和电容上，电流 下降，0，通过 、形成回路，且 、同时关断。一方面给电容充电，使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路；另一方面给负载提供恒定的电流，并满足 (5-5）当 且 时，其等效电路图如图5-9（c）所示。此时 ，电流 上升，通过 和 形成回路，且 、同时关断，并满足 (5-6)1021ss0143ssdcabuuaiau1D2D3T2TdcaauudtdiL1 201s s 1 210s s-abdcuuai0au 2D3D1T4TdcaauudtdiL 在任意瞬间，电路只能工作于上述开关模式中的一种。在不同时区，可以工作于不同模式，以保证输出电流 的双向流动，即实现能量的双向流动。从单相工作原理可以看到当电容充电时，主要依靠IGBT并联的二极管工作，输入电感释放能量，输入电流的变化取决于输入电压的正负；当电容放电时，主要依靠IGBT本身和二极管工作，输入电感储存能量，输入电流的变化同样取决于输入电压的正负。这是Boost型电路拓扑结构和IGBT所决定的工作方式。在PWM控制方式下，（i=1,2,3,4）为一离散的脉冲序列，当采用移相SPWM控制时，可知等效开关函数表达式为 ，忽略高次分量，其中M为调制深度（取值在01），表示电源电压的角频率，表示调制波的初相角，表达式的含义是单相基波电压的峰值和直流电压的比值。此时 的基波分量 为 (5-7)0Iis)sin(tMsabuabfu)sin()(tMuustuabababf 设电网电压 ，当整流器在单位功率因素运行时，矢量关系如图5-10所示。电网侧整流器输入电流为 (5-8)(5-9)式中：，整流器输入电流和电压的有效值。图5-10 各个矢量间的关系 )sin(tuuma)sin()()sin(22tLUMutIimdcmaNNULIarctanNINU 根据参考文献，等效开关函数为 (5-10)式中：；三角波的载波频率；电源电压的角频率。因此，整流器输出直流电流可以表示为 (5-11)cos()1(4421)cos()1(2sin421)(141tnnntnnntSanan)sin(tMs)(tsiiadc 而整流器就是通过式（5-11）建立起输入侧和输出侧的关系的，直流电压在整流器输入侧反映的是受控电压源，交流侧的输入电流在整流器输出侧反映的是受控电流源。因此，可以得到单相电压型PWM整流器的等效电路模型如图5-11所示。图5-11 单相电压型PWM整流器等效电路模型 单相电压型PWM整流器还有其他运行状态，简单介绍如下。（1）单位功率因数，能量反馈，如图5-12（a）所示 （a）(b)图5-12 单相PWM整流器其他运行状态矢量图 电网电压 和 电流 之间反相，夹角为 电路运行于再生状态，能量从负载侧反馈回电网，类似于逆变器运行。这种情况在双变频调速时可以把电机的制动能量重新反馈送入电网中，节约了电能；在超高压直流输电（HVDC）中，通过这种方式可以使有功功率和无功功率在两个节点之间相互流动。auai180 （2）非单位功率因数运行，如图5-12（b）所示。电网电压 和 电流 之间不同相，有夹角 。不仅电网向整流器提供有功功率，而且PWM整流器也向电网提供无功功率。极端情况下，PWM整流器工作于无功功率补偿运行方式下，向电网提供动态无功功率，仅吸收少量有功功率以维持直流侧电压平衡和补偿系统损耗。这种情况在静止无功发生器（SVG）中应用较多。2)三相电压型PWM变流器工作原理 理想的交流/直流(AC/DC)双向变换器应该具备如下几种功能:（1）输出直流电压平稳且可以迅速的调节控制；（2）输入的交流电源电流波形正弦化；（3）输入的交流电流的功率因数PF可控制为任意正或负的指令值；（4）交流与直流之间的功率流向是双向可控的，既可实现整流，又可实现逆变；auai （5）变换器是无损耗的，即变换器中的电感、电容、变压器及开关器件都是理想的无损耗元件，变换器效率为1。在图5-13（a）所示三相桥式交流/直流变换器电路中，交流电源三相电压 、经电感L和线路电阻R接到三相全控桥式变换器。为6个反并联二极管的自关断器件。输出端接大电容C及直流负载（或直流电源）。直流侧电压为平稳的直流 ，三相桥式变换器交流输入端的交流相电压为 、，电流为 、，如果交流电源电压为 （5-12）式中：交流电源相电压有效值；)(tuab()u tc()u t1T6T0Ui()au tib()utic()utcibiaitUtusasin2)()120sin(2)(tUtusb()2sin(120)bsu tUtsU 则理想的交流-直流变换应该是 (5-13)式中：交流电源流入双向变换器的电流有效值；滞后 的功率因数角。理想的三相桥变换器交流侧相电压应是 (5-14)sin(2)(tItisa)120sin(2)(tItisb()2sin(+120)bsi tIt)sin(2)(tUtuiia)120sin(2)(tUtuiib()2sin(+120)ibiutUtsI 式中：三相桥交流输入端相电压有效值；滞后于 的相位滞后角，如图5-13（b）所示。电压、电流的矢量关系为 (5-15)式中：电感L的电抗 。电压、电流的矢量关系如图5-13（b）所示，图中取横轴为d轴，纵轴为q轴。变换器交流输入端电压矢量 的d轴分量 和q轴分量 为 (5-16)(5-17)iUsUiUXjIRIUUssisLXiUq iUd iUdqsiidRIXIUFKKHOHOFUUcosqdiiqRIXIMNKNFEUUsin 如果忽略电阻R，则(a)三相桥式交流直流变换器电路 (b)电压电流矢量关系图 (c)理想化的AC/DC变换器图5-13 交流/直流变换器原理图 (5-18)无功电流为 (5-19)(5-20)有功电流为 (5-21)复数功率S的定义是电压矢量 与电流共轭矢量 的乘积。在图5-13（b）中，有 (5-22)qsiidXIUUUcossin/)cos(/)(sisidsqIXUUXUUIqsiidXIUUUcosXUXUIiiqdsinqdsjIIIqdsjIII 因此 (5-23)在利用式（5-19）、式（5-20），得到有功功率P和无功功率Q为 (5-24)(5-25)定义 是交流电源流入变流器的电流，是 滞后 的功率因数角。图5-13中矢量关系：滞后于 的角度为 角，即 为正值，因而滞后的无功电流 为正值，滞后的无功功率Q为正值，表示电源的输出滞后于电压 的电流 ，电源向变换器输出滞后的无功功率；若 超前一个角度（在横轴上方），则 负值，此时 为负 XUUXUUIUjQPSisiqsss/sin3/3cos3XUUXUUIUIUPisiqsssds/sin3/3cos33XUUUIUIUQissssqscos3sin33sIsIsUsIsUsinsqII sUsIsIsIqI值，Q为负值，表示电源输出超前于电压 的电流电源向变换器输出超前的无功功率，或交流电源从变换器得到（输入）滞后的无功功率。当变换器交流输入端电压 滞后于 时，即滞后角 为正值时，式（5-21）和式（5-24）的有功电流 为正值，P为正值，表示交流电源输出有功功率，经AC/DC变换器输出直流电能给直流负载，变换器工作于整流状态；反之，当变换器交流输入端电压 的相位超前 时，此时滞后角 为负值，为负值，P为负值，表示交流电源输入有功功率。即AC/DC变换器将直流电源电能变为交流电能反送给交流电源，变换器工作于逆变状态。当电压 较大，以致 时,则 负值，Q为负值，即交流电源向AC/DC变换器输出容性（超前）无 功电流、无功功率，或交流电源从AC/DC变换器输入感性（滞后）无功电流、无功功率。因此，两个交流电源 和 ，它们之间的有功电流 、有功功率P总是从相位超前的流向相位滞后的电源。电压高的电 sUiUsUdIiUsUdIiUsiUUcosqIiUsUdI源才有可能向电压低的电源输出滞后的感性无功电流 和感性无功功率Q。因此，由式（5-19）、式（5-21）、式（5-24）、式（5-25）可知，控制 的大小和 相对于 的相位角 ，即可控制 、的大小和正、负值，控制P的大小和方向（正、负值）。图5-13（a）中在一定的负载阻抗情况下，输出直流电压 的大小取决于有功功率P与负载消耗功率 之间的平衡关系，增大P，自然升高；反之，降低。在一定的负载情况下，保持P恒定，随之恒定不变，调节P也就调节控制了输出电压 。综上所述，只要对图5-13（a）中的AC/DC变换器进行适当的控制，能使变换器交流端的三相电压为互差 的正弦波，控制三相变换器交流侧电压 的大小和相位，那么图5-13（a）所示的交流/直流变换器就是一个理想的AC/DC双向功率变换器。理想化的AC/DC变换器如图5-13（c）所示。qIiUsUiUdIqI0UoP0U0U0U0U120 3、PWM变流器的数学模型 1)三相电压型PWM变流器的数学模型 图5-14所示为三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构，假设主电路的开关元件视为理想开关，通断可以用开关函数来描述。根据基尔霍夫电压和电流定理，可以列出下列等式：（5-26）（5-27）dccccabdcbbbabdcasasaUsdtdiLRiuUsdtdiLRiuUsdtdiLRiuLccbbaaLdcdcdciisisisiidtdUC 图5-14 三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构 式中：、等效的三相电压源；、电网向整流器输入的三相电流；、三相桥臂的开关函数，与单相定义的相同；aubucuaibiciascsbs 变流器的直流侧输出电流；变流器的直流侧负载电流；变流器的输出直流电压；变流器的输出直流滤波电容；R、L变流器每相的等值电阻和电感。式（5-26）和式（5-27）是对PWM变流器最一般且精确的数学描述，一般情况下都适用这两个公式，其他不同形式的数学描述都可由这两个公式推得。考虑三相无中线系统，三相电流之和为零，即 。在大多数情况下，考虑三相电网电压基本平衡，即 ，把这两个条件代入式（5-26）和式（5-27）中，可以推得三相电压型PWM整流器在abc坐标系下的状态方程，如式（5-28）所示。由于开关状态在一个周期内可能变化几次，引起在一个周期内的不同时刻对应几种不同状态方程。因此，考虑状态空 d cILId cUd cC0cbaiii0cbauuu间平均法，以每个开关状态在一个开关周期内的占空比作为权值，对这些不同的状态方程进行加权平均，就得到平均状态空间模型。（5-28）LccbbaadcdcdccbaccccdccbabbbbdccbaaaaaiisisisdtdUCUssssuRidtdiLUssssuRidtdiLUssssuRidtdiL333 (1)在静止两相坐标系中的数学模型 由三相abc系统向两相系统变换时，存在2/3、两种变换方式。其中，2/3变换遵循每相功率不变，但是变换前后系统总功率发生变化；变换遵循。变换前后系统总功率保持不变，而每相功率变换后为变换前的2/3,。这里遵循变换前后系统功率不变，有变换矩阵 和 分别为 （5-29）3232abcTabcT232302121132abcT232123210132abcT 使用矩阵变换，把式（5-28）变换到 坐标系的状态方程为 （5-30）利用拉普拉斯变换把式（5-29）变换到s域中，得到系统传递函数方程为 （5-31）（5-32）0100010001100000000uuRUiiRsssRsRdtdUdtdidtdiCLLLdcLdcdcdcLaUsUsRsI1)(dcLUsUsRsI1)(（5-33）式中：(2)在旋转两相dq坐标系中的数学模型 经过Park变换后，空间矢量以电网角频率 速度旋转。在两相同步dq坐标系中，空间矢量是静止的，在坐标轴上的分量也是静止直流量。从 坐标系到dq坐标系下的变换矩阵为 )()(sIsIsIRsCRsULdcLdcTcbaabcTUUUTUUTcbaabcTiiiTiiTcbaabcTsssTss （5-34）从式（5-34），推得从abc坐标系变换到dq坐标系下的变换矩阵为 （5-35）在使用变换矩阵时，由于静止 坐标和旋转dq坐标之间变换正交矩阵的元素是时间的函数。因此，不能简单的认为 、轴电流的导数经过旋转变换就是d、q轴电流的导数，而存在如下关系式：)cos()sin()sin()cos(ttttTdq)cos()sin()sin()cos(ttttTdq)cos(23)sin(21)cos(23)sin(21)sin()sin(23)cos(21)sin(23)cos(21)cos(32ttttttttttTTTabcdqdqabc （5-36）利用变换矩阵，把式（5-28）变换成dq坐标系下的状态方程为 （5-37）利用拉普拉斯变换把式（5-37）变换到s域中，得到系统传递函数方程为 （5-38）qdqddqdqqdiiiidtdTiiTdtdiidtd000100010001000000qdLdcqddcUURdtdUdtdidtdiCLL1()dqddcdIsLIs UURsL （5-39）（5-40）式中：从同步旋转dq坐标系下的数学模型可看出，PWM整流器中两相电流之间存在耦合。因此，基于dq坐标系的数学模型，在设计电流控制器时，应考虑这种关系。1qdqdcqIsLIs UURsL 1LdcddqqdcLRUss Iss IssC R/TTdqabc dqabcUUTUUU/TTdqabc dqabcTTdqabc dqabcIITiiissTsss 2）基于虚拟磁链的PWM变流器数学模型 虚拟磁链概念是由电压型PWM逆变器调速系统中感应电机在定子侧可以等效为交流反电势定子漏电感和定子电阻所提出的。三相电压型PWM整流器电网侧可以等效为一个虚拟电机，三相电网电压可以认为是由虚拟磁链所感应出的，尽管不存在空间对称分布的三相绕组，也不存在其他物理意义上的电机内部的电磁关系，但是可以使用虚拟磁链的概念来分析问题，用虚拟磁链参与控制。如图5-15所示为PWM变流器虚拟电路模型，认为线电压 、是由虚拟磁链所感应产生的，满足 ，其中 （5-41）abUbcUcaULLU dt11223302LaabLLSbcUUUUU （5-42）这种关系用图5-16所示来描述，其中 为虚拟磁链合成矢量，滞后于三相电压合成矢量 的角度为 ；变流器桥臂输入电压的合成矢量，对时间的积分就是 ；为线电压合成矢量，与相电压 合成的矢量为同一矢量；为电感上电压合成矢量；为线电流合成矢量，与相电流合成矢量相同。LLLLLUdtUdtLLU2SLUcUbUaULiLU图5-15 PWM变流器虚拟电路模型 图5-16 虚拟磁链在坐标系中的关系 三相电压 经过Park变化后的合成电压矢量 表示为 （5-43）j tj tj tLLLLLdddUeejedtdtdtLLLLddjjjdtdt cUbUaULU （5-44）当三相电网电压平衡对称且正弦变化，且开关函数形成的电压合成矢量平衡对称时，磁链矢量 、的微分为零，即 。定义电感上的虚拟磁链，进而在坐标系下满足，。根据电压平衡关系式以及虚拟磁链和合成矢量间的关系，可以推导出坐标系下三相电压型PWM变流器虚拟磁链的数学模型，把电感上虚拟磁链作为状态变量，推出系统状态方程为 SSSSSddUjjjdtdt LS0SLdddtdtILLiILLi （5-45）式中：0000000000000000001ILLISSLLdcdcdcLddtLRLdULRLdtCsUsdULLRdt00000000SSLL SSUdtSSUdt213213SdcbcdcbcUUsssUUss 利用拉普拉斯变换可以把式(5-45)变到s域中，系统传递函数方程为 （5-46）（5-47）（5-48）在旋转dq坐标系中，电压合成矢量 和虚拟磁链的关系为 同理，可以获得整流器桥臂输入电压合成矢量 表达式为 因此，三相电压型PWM变流器在dq坐标系中的虚拟磁链数学模型为 LLSsLsRsL LLSsLsRsL 1LdcLSdcssRUssCLLLULLdUjSUSSdSqUjj （5-49）虚拟磁链无论在同步旋转坐标系还是静止坐标系中，它的磁链关系式都是不变的，磁链幅值是固定的，不随坐标系变化而变化，而且磁链 是以连续变化量，可以作为反馈信号参与控制。4飞轮电池能量转换关系的矢量控制 自T.Kataaoto等人提出PWM控制用于改善整流器输入波形以来，PWM可逆变流器以其优越的性能广泛地应用于功率因数补偿、电能回馈、有源滤波等电力电子领域，近十年来越来越受到学术界关注。目前研究热点多集中在拓扑结构简单、动态响应迅速的电压型变流器上，继 000000000000001LdLdLdLqLqSddcqdcSqddcLddtL