1MW/60MJ飞轮储能系统设计与实验研究

清华大学工程物理系、清华大学电机系的研究人员戴兴建、姜新建、王秋楠、汪勇、王善铭，在2017年第21期《电工技术学报》上撰文，为钻机混合动力传动系统研制了1套1MW/60 MJ飞轮储能系统，开展了轴系动平衡、充放电、损耗和效率测试实验研究。

采用高强度合金钢变截面飞轮存储动能，飞轮电机轴系为立式支撑结构，重型拼装永磁环轴承承担了97%的轴系重量。永磁电机转子采用格柵结构硅钢内嵌磁钢，以实现较高速度安全运转。

基于大容量功率电子变换和电机控制技术,开发了100-300kW充电、500-1000 kW放电的控制电路硬件和软件，充电过程中采用了弱磁、转速和电流的双闭环控制策略,放电过程中采用电压闭环和电流前馈控制策略。动平衡后飞轮储能机组振动减少为0.07 mm以内。飞轮储能电源充放电循环效率达到86%-88%。

飞轮储能的基本原理是电能与旋转体动能之间的转换: 在储能阶段，通过电动机拖动飞轮加速，将电能转换为机械能；在能量释放阶段，电动机作发电机运行，飞轮电机减速，将机械能转换为电能并输出。

现代飞轮储能系统集成了先进复合材料转子技术、磁轴承技术、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，现代飞轮储能产品开始推广于不间断电源供电、电能质量管理、电网调频。正在发展的飞轮储能应用有风力发电、太阳能发电。国内近年来在飞轮储能关键技术研究开发中取得了突破，正处于产业化应用拓展期。

石油钻机是钻井施工的主要装备，其动力通常由柴油机组或天然气发动机组提供，动力机组的输出特性柔性不足，难以适应钻机负载的频繁大幅度波动，动力系统运行功率冗余容量偏多。

在钻机动力系统中引进调峰电机和飞轮储能装置实现动力调峰运行；在低负荷时利用动力机组的冗余出力带动调峰电机发电，给飞轮储能系统充电；在尖峰负荷出现时，飞轮储能系统放电，驱动调峰电机做电动运行，快速向动力系统释放功率以平衡负荷。调峰运行的动力机组运行平稳，并可减少冗余容量，有利于节能减排。

钻机混合动力传动系统提出的储能单元技术指标为：充电功率100-300kW，发电功率500-1000 kW，可用能量42 MJ，频繁充放电周期为3-5 min。调研表明尚无厂家可以提供成熟的产品，为此研制了1套1MW/60MJ飞轮储能系统，开展了轴系动平衡、充放电、损耗和效率测试实验研究。

图1 飞轮电机轴系

结论

利用有限元强度分析方法，建模并优化设计变截面大型合金钢飞轮和内嵌磁钢永磁电机转子的格柵结构。经过优化设计拼装永磁轴承的承载力达到50 kN，与飞轮电机轴系的重量相当。

基于大容量功率电子变换和电机矢量控制技术，研制了较小功率充电、大功率发电的控制电路硬件和软件，采用弱磁、电流前馈、电压闭环和速度闭环复合控制策略。本机动平衡后飞轮储能机组振动在高转速区减少到0. 02mm以内，实现了全转速范围内平稳运行。

机械损耗和电机铁损理论分析与实验结果一致，系统待机损耗18kW，为发电最大功率的2%。飞轮储能系统充、放电循环效率为86%-88%。实验证明飞轮储能是一种大功率、高效率的储能技术。