飞轮储能技术在电力系统中的应用
(四川大学 四川 成都  610065)
    摘要：本文分析了储能技术在电力系统发展和变革中的地位和作用，粗略介绍了四大类储能技术。详细介绍了飞轮储能技术的基本原理、技术特点、发展现状、存在的主要问题及需要突破的关键技术等进行了较全面的综述。对飞轮储能技术用于电力系统调峰的必要性和可行性进行了分析, 并和目前技术成熟的抽水蓄能电站进行了比较。对一个电力系统进行了静态稳定潮流计算, 结果表明, 飞轮储能机组可以提高电力系统的静态稳定性, 还可提高电力系统的暂态稳定性和供电可靠性。
    关键词：电力系统；储能；飞轮储能；调峰；系统稳定

0 引言
    储能技术已被视为电网运行过程中“采一发一输一配一用一储”六大环节中的重要组成部分。
系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革。飞轮储能技术是将能量以飞轮的转动动能的形式来存储，当飞轮储存能量时, 飞轮储能系统作为电动机运行, 飞轮加速。当飞轮释放能量时, 飞轮储能系统作为发电机运行, 飞轮减速。其在电力系统中的应用越来越成熟，主要应用于对电力系统和提高系统的稳定性。
1 储能技术的定位和作用
    传统能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，极大地促进了新能源的发展，其发电规模也快速攀升。以传统化石能源为基础的火电等常规能源通常按照用电需求进行发电、输电、配电、用电的调度；而以风能、太阳能为基础的新能源发电取决于自然资源条件，具有波动性和间歇性，其调节控制困难，大规模并网运行会给电网的安全稳定运行带来显著影响。储能技术的应用可在很大程度上解决新能源发电的随机性和波动性问题，使间歇性的、低密度的可再生清洁能源得以广泛、有效地利用，并且逐步成为经济上有竞争力的能源。
传统电网的运行时刻处于发电与负荷之间的动态平衡状态，也就是通常所说的“即发即用”状态。因此，电网的规划、运行和控制等都基于“供需平衡”的原则进行，即所发出的电力必须即时传输，用电和发电也必须实时平衡。这种规划和建设思路随着经济和社会的发展越来越显现出缺陷和不足，电网的调度、控制、管理也因此变得日益困难和复杂［1］。
由于电网中的高峰负荷不断增加，电网公司必须不断投资输配电设备以满足尖峰负荷容量的需求，导致系统的整体负荷率偏低，结果使电力资产的综合利用率很低。为解决这些问题，传统电网急需进一步升级甚至变革。先进高效的大规模储能技术为传统电网的升级改造乃至变革提供了全新的思路和有效的技术手段。
在大容量、高性能、规模化储能技术应用之后，电力将成为可以储存的商品，这将给电力系统运行所必须遵行的发电、输电、配电、用电同时完成的概念以及基于这一概念的运行管理模式带来根本性变化。储能技术把发电与用电从时间和空间上分隔开来，发出的电力不再需要即时传输，用电和发电也不再需要实时平衡，这将促进电网的结构形态、规划设计、调度管理、运行控制以及使用方式等发生根本性变革［2-4］。
储能技术的应用将贯穿于电力系统发电、输电、配电、用电的各个环节，可以缓解高峰负
荷供电需求，提高现有电网设备的利用率和电网的运行效率；可以有效应对电网故障的发生，可以提高电能质量和用电效率，满足经济社会发展对优质、安全、可靠供电和高效用电的要求；储能系统的规模化应用还将有效延缓和减少电源和电网建设，提高电网的整体资产利用率，彻底改变现有电力系统的建设模式，促进其从外延扩张型向内涵增效型的转变［3］。
2 储能技术的分类
    根据能量类型的不同，储能技术基本可分为四大类别，包括基础燃料的存储（如煤、石油、天然气等）、中级燃料的存储（如氢气、煤气、太阳能燃料等）、电能的存储和后消费能量的存储（相变储能等）。本文重点分析电能存储技术，按照所存储能量的形式，可大致分为物理储能和化学储能，物理储能又可以分为机械储能和电磁场储能。
    由于储能技术具有极高的战略地位，世界各国一直都在不断支持储能技术的研究和应用。日本NEDO（New Energy and Industrial Technology Development Organization）于2009年针对各种电池储能技术进行了详细的发展路线规划，其中尤其关注锂离子电池、钠硫电池以及新型电池等技术的发展；美国能源部也于2010年底围绕各种新型与先进电池的
发展与应用发布了相关技术报告，未来20年将重点关注超级铅酸与先进铅酸电池、锂离子电池、硫基电池、液流电池、功率型储能电池以及金属空气电池、先进压缩空气储能技术等研究方向。
3飞轮储能技术汽车飞轮
3.1技术原理
飞轮储能是将能量以飞轮的转动动能的形式来存储。充电时，飞轮由电机带动飞速旋转；放电时，相同的电机作为发电机由旋转的飞轮产生电能。储存在飞轮中的能量与飞轮（以飞轮转轴作为其转动惯量的参考轴）的质量和旋转速度的平方成正比。可见，虽然可以通过提高飞轮总质量来达到更大的储能量，更为有效的方法是提高飞轮的转速。飞轮储能具有储能密度较高（30Wh/kg和1kW/kg）、充放电次数与充放电深度无关、能量转换效率高（可达90%）、可靠性高、易维护、使用环境条件要求低、无污染等优点。图1为一个典型的飞轮储存装置。该装置包括高速旋转的飞轮；封闭的壳体提供了一个高真空环境（~大气压力）以减少阻力损失，并保护转子系统；轴承系统为转子提供低损耗支撑；以及电源转换和控制系统。