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解決方案
飛輪儲能控制系統(tǒng)全解析｜新風光兩大核心方案，解鎖短時大功率儲能技術(shù)密碼
在 “雙碳” 目標推動下，能源結(jié)構(gòu)正加速轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展清潔能源已成為全球共識。但清潔能源的隨機性、間歇性問題突出，剛性用電需求也需要柔性調(diào)節(jié)，儲能技術(shù)因此成為關(guān)鍵支撐。
當前，大型電力儲能仍以抽水蓄能為主，飛輪儲能、超級電容器、超導磁儲能、壓縮空氣儲能及各類電池儲能等新型技術(shù)也在快速發(fā)展。按應用場景，儲能可分為長時大容量與短時高功率兩類，分別適配電網(wǎng)側(cè)長時間供電與用戶側(cè)高質(zhì)量供電等不同需求。
從下表各項技術(shù)對比來看，飛輪儲能具有效率高、功率大、響應快、壽命長、綠色環(huán)保等特點，是較為優(yōu)質(zhì)的短時大功率儲能技術(shù)路線之一。
表1：儲能方式技術(shù)對比表
現(xiàn)代飛輪儲能技術(shù)依托高強度復合材料、磁懸浮技術(shù)實現(xiàn)升級突破，典型的飛輪儲能系統(tǒng)由五大核心部件構(gòu)成，各部件協(xié)同配合實現(xiàn)電能與機械能的高效轉(zhuǎn)換與存儲：
圖1：飛輪儲能半剖結(jié)構(gòu)圖
如圖1所示，典型的飛輪儲能系統(tǒng)主要由五個核心部件組成：
1.飛輪本體
能量存儲核心，采用高強度鋼或碳纖維復合材料制成，質(zhì)量多分布于輪緣以提升轉(zhuǎn)動慣量，通過高速旋轉(zhuǎn)將電能轉(zhuǎn)化為動能存儲，動能與轉(zhuǎn)速平方成正比；
2.電動/發(fā)電機
能量雙向轉(zhuǎn)換核心，以永磁同步電機為主，充電時作電動機驅(qū)動飛輪加速，放電時作發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能；
3.軸承系統(tǒng)
由下徑、上徑及軸向磁軸承組成，利用電磁力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子無接觸懸浮，消除機械摩擦與磨損，降低能量損耗；
4.真空室
將系統(tǒng)密封在真空度低于20Pa的環(huán)境中，配合真空泵維持高真空，大幅減少空氣阻力與風損，提升能量保持效率；
5.電力電子轉(zhuǎn)換器
包含機側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器，負責電能整流、逆變、調(diào)頻調(diào)壓，保障輸入輸出電能質(zhì)量符合電網(wǎng)或負載要求，是控制系統(tǒng)的核心執(zhí)行單元。
飛輪儲能的工作過程基于能量守恒定律，通過儲能、維持、釋能三個階段的有序切換，實現(xiàn)電能的存儲、保持與釋放，整個過程由控制系統(tǒng)精準調(diào)控，各環(huán)節(jié)銜接順暢、響應迅速。
圖2：飛輪儲能系統(tǒng)原理圖
在儲能階段（充電），當電網(wǎng)有多余電能或需要儲備能量時，機側(cè)變流器將電能轉(zhuǎn)換為適合電機的形式，驅(qū)動電機使飛輪加速旋轉(zhuǎn)。飛輪的動能隨轉(zhuǎn)速的平方增加而迅速增大，從而將電能轉(zhuǎn)化為機械能儲存起來。
在儲能維持階段，飛輪達到設定的最高轉(zhuǎn)速后，電機停止驅(qū)動。在磁懸浮軸承和真空環(huán)境的支持下，飛輪以極低的損耗維持高速旋轉(zhuǎn)，保持能量儲存狀態(tài)。
在釋能階段（放電），當電網(wǎng)需要電能或負荷增加時，機側(cè)變流器啟動電機帶動飛輪發(fā)電。飛輪轉(zhuǎn)速逐漸降低，釋放出儲存的動能，經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器并入電網(wǎng)或供給負載，完成機械能到電能的轉(zhuǎn)換。
解決方案
作為變流器核心供應商，新風光深耕儲能行業(yè)多年，針對飛輪儲能系統(tǒng)的運行需求，設計了機側(cè)變流器控制功率、網(wǎng)側(cè)變流器控制功率兩款控制系統(tǒng)解決方案，兩款方案性能基本一致，可根據(jù)實際應用場景的并網(wǎng)要求、設備配置需求靈活選擇。
兩款方案均將飛輪運行階段劃分為低速階段與充放電運行階段（額定轉(zhuǎn)速一半以上），低速階段控制邏輯保持一致：機側(cè)變流器采用速度模式，通過轉(zhuǎn)速環(huán)精準控制飛輪升速或降速；網(wǎng)側(cè)變流器采用電壓模式，通過電壓環(huán)維持直流母線電壓穩(wěn)定，為后續(xù)充放電做好準備。
如表2，充放電運行階段，機側(cè)變流器切換為功率控制模式，采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，精準調(diào)控充放電功率；網(wǎng)側(cè)變流器保持電壓控制模式不變，持續(xù)通過電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制穩(wěn)定直流母線電壓，實現(xiàn)實時并網(wǎng)。
如表3，充放電運行階段，控制邏輯發(fā)生反向切換：機側(cè)變流器切換為電壓控制模式，通過電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制穩(wěn)定直流母線電壓；網(wǎng)側(cè)變流器切換為功率控制模式，采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制精準調(diào)控充放電功率，實現(xiàn)實時并網(wǎng)。
表3：方案二
核心特點：機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器均需進行控制模式切換，且網(wǎng)側(cè)變流器需停機再啟動完成切換，控制流程相對復雜?？刹捎媚孀兤?PCS的組合配置分別作為機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器，PCS更契合變流器功率控制特性，并網(wǎng)適配性更強，優(yōu)先適用于電網(wǎng)并網(wǎng)要求較高的應用場景。
依托效率高、功率大、響應快、壽命長的技術(shù)優(yōu)勢，飛輪儲能系統(tǒng)已在大功率、高響應、高頻次的應用場景中實現(xiàn)規(guī)模化落地，成為能源優(yōu)化配置的重要支撐，典型應用場景包括：
地鐵等城市軌道交通中，電費占運營成本約 40%，列車牽引動力占總電力成本的 45%-60%，其中 17% 為可回收的再生制動能量，而傳統(tǒng)方式多通過電阻放熱消耗，既造成能源浪費，又易對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。飛輪儲能裝置可高效回收再生制動能量，并在列車啟動時釋放能量，實現(xiàn)牽引能耗節(jié)約 15%，其高功率密度、高效率的特性與軌道交通需求高度契合，節(jié)能效果遠超其他傳統(tǒng)節(jié)能裝備。
飛輪儲能的大功率、毫秒級響應、長壽命特性，完美匹配電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻對快速功率調(diào)節(jié)的需求。目前海外已有成熟應用案例，我國也在《“十四五” 新型儲能發(fā)展實施方案》中明確提出，到 2025 年實現(xiàn)兆瓦級飛輪儲能技術(shù)逐步成熟，并重點建設試點示范項目。當前國內(nèi)多地已啟動電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻飛輪儲能項目，在政策支持與技術(shù)升級的雙重驅(qū)動下，飛輪儲能在電網(wǎng)調(diào)節(jié)領(lǐng)域的應用節(jié)奏將持續(xù)加快。
半導體制造、銀行計算機系統(tǒng)、通信基站、醫(yī)院精密醫(yī)療設備等領(lǐng)域，對電能質(zhì)量與連續(xù)供電能力要求極高，一旦電網(wǎng)中斷或供電異常，將造成重大損失。飛輪儲能UPS不間斷電源可實現(xiàn)毫秒級響應，在電網(wǎng)故障時迅速切入，為高端負載提供連續(xù)、穩(wěn)定的高品質(zhì)電能，相較于傳統(tǒng)UPS，其壽命更長、維護成本更低、綠色環(huán)保，成為高端 UPS領(lǐng)域的優(yōu)選方案。
總結(jié)
在新型儲能技術(shù)快速發(fā)展的背景下，飛輪儲能憑借獨特的技術(shù)優(yōu)勢，成為短時大功率儲能領(lǐng)域的核心力量，而控制系統(tǒng)作為飛輪儲能系統(tǒng)的“核心大腦”，其設計合理性直接決定了系統(tǒng)的運行效能。
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