在眾多儲能技術中，飛輪儲能系統(flywheel energy storage system，FESS)以效率高、容量大、響應快和對環境友好等優點，越來越受到國內外學者的重視。

飛輪儲能系統是由高速飛輪、磁軸承系統、永磁電動/發電機、能量轉換控制系統以及附加設備組成，它是以高速旋轉的飛輪質體作為機械能量儲存的介質，利用電動發電機和能量轉換控 制系統來控制能量的輸入和輸出，達到充電和放電的目的。

飛輪儲能系統作為一種逐漸成熟的儲能技術，已經應用到包括航空航天、電動汽車、電力等領域，逐步取代化學電池儲能，成為儲能行業一支 不可忽視的力量。飛輪儲能系統旋轉時不會發生任何化學反應，其是純粹的機械運動，對環境非常友好，因而受到越來越廣泛的關注。

飛輪儲能系統的工作狀態根據暫態運行通常分為充電和放電2 部分，其工作原理是當外部電能充足時，系統將電能通過飛輪電動機轉化為機械能 儲存起來;當系統外部電能不足時，將飛輪存儲的 機械能轉化為電能輸出到外部負載。

作為一種新型的物理儲能方式，飛輪儲能與傳統化學電池相比，具備有以下優點：

1)充放電迅速。從收到電網側的調節信號到飛輪儲能系統做出反應，時間極短，并且在之后數分鐘時間內能夠完成整個系統的充/放電過程，符合電網的短時響應與調節需求，相比于蓄電池、抽水 蓄能、壓縮空氣等，具有較快的充/放電時間。

2)工作效率高。一般的飛輪儲能系統工作效率可以達到90%左右，相比于抽水蓄能的 60%以及蓄電池儲能的70%，具有明顯的優勢，而且采用磁懸浮軸承的飛輪儲能系統，其工作效率更高，接近 95%。

3)使用壽命長。飛輪儲能系統雖價格昂貴，但是設計良好，其年平均維護費用極低，充放電次數明顯優于蓄電池儲能等，其達到了百萬數量級，且一般免維護的時間是在10a以上。

4)環保無污染。由于機械儲能的緣故，飛輪儲能不會排放出污染環境的物質，其是一種環境友 好型的綠色儲能技術。此外，飛輪儲能系統還具有模塊性、建設時間短、事故后果影響低等優點。


圖1 飛輪儲能能量示意圖

飛輪儲能技術的應用主要集中在儲能和峰值動力使用2大類，具體應用體現在以下幾方面：

1)UPS不間斷電源。不間斷電源(UPS)是一種利用儲能裝置向負載提供高質量電能的設備，在醫療設備、通信、計算機系統領域有著廣泛的應用。目前UPS逐漸傾向于使用飛輪儲能裝置等新型儲能設備，既減少了環境污染，延長了使用壽命，同時也提高了工作效率。文獻[1]對傳統的UPS系統進行了改進，采用飛輪儲能技術替代傳統的化學電池，并且研究了旋轉下飛輪儲能系統充、放電控制策略，優化了飛輪充電曲線，改進了智能 控制算法;文獻[17]搭建了用飛輪儲能系統作為后備電源的新型UPS系統，并進行監測和分析，驗證了其可行性，同時給出了相應的國內推廣建議。

2)節能。能源利用率一直是我們比較關注的話題，節能已經得到廣泛的共識。傳統的機械裝置，進行機械 制動后能量被轉化為熱能而流失，造成了一定程度上的浪費，降低了能源的使用效率。因此，通過飛輪儲能裝置把這部分能量轉化為動能存儲起來，在需要的時候，輸出到系統中，可以減少能量損失， 提高能量的利用率，目前主要的應用領域集中在新 能源汽車和城市軌道交通等方面。

飛輪儲能系統可以單獨或與其他動力裝置一起混合用于電動汽車上，能夠改善電動汽車的經濟性和動力性，間接減少尾氣排放和對環境的污染程度。城市軌道交通由于定點停車，不斷地處于啟動停靠狀態，因此，電能轉換而來的機械能處于持續不斷的浪費中。采用飛輪儲能裝置，依靠動能回收系統(KERS)進行能量回收與釋放，相對于使用鋰電池，飛輪儲能系統效果更優。

3)傳統電力系統。飛輪儲能技術應用于傳統電力系統，其能夠較 好地調節有功功率，削峰填谷，增大功率因數，穩定電壓和頻率，并對改善電能質量和穩定負荷具有良好的作用。暫態穩定性問題一直是電力系統穩定 運行和分析的重點，依靠飛輪儲能的瞬時功率大、響應迅速、充放電完成時間短等特點，投入到電力系統中，能夠快速主動地參與電力系統動態過程，消除擾動并縮短暫態過程，盡量避免了電壓崩潰、低頻振蕩等危險狀況的出現，為電力系統恢復到穩 定運行起到了積極作用。

2002年，日本 Kansai電力公司將飛輪儲能技術應用于3.3kV電力系統中，用于改善電網的穩定性，其效果顯著。文獻[21] 應用飛輪儲能系統補償阻尼系統的低頻振蕩，從佳安裝地點、參數整定策略角度分析，仿真結果驗證了飛輪儲能系統在抑制低頻振蕩，提高系統穩定性方面的能力。

飛輪儲能裝置和電機結合在一起，離不開電機的輔助，因此電機的選擇與控制將直接 影響到飛輪儲能裝置。文獻[22]提出永磁無刷直流電機回饋制動新6拍脈寬調制方式，并將其應用于高速飛輪儲能系統，在改善相電流波形，減小無刷直流電機在高速發電機狀態下轉矩脈動起到了一定作用。

4)微網。目前，微網(Microgrid)作為一個小型發配電系統，能夠實現自我監控、自我調節，既可以并網運行，也能獨立運行。因此，相對于傳統大電網而言，微網由于分布式電源多、位置靈活、分散等特點，需要有儲能系統的支撐做保障。

在微網能量充足時，飛輪儲能系統將多余的能量存儲起來，穩定端電壓;當微網發生故障，或出現功率性缺額現象時，將存儲的能量釋放出去，增強了局部供電可靠性，維持了微網的頻率穩定。

文獻[23]將飛輪儲能系統應用于微網，作為微網的儲能元件，提出了并網時的控制策略，在主網絡出現故障時，起備用電源作用，支撐了微網的可靠性;在微網和主網絡正常時段，可以改善電能質量，削峰填谷。

文獻[24]在微網系統中應用柴油發電機和飛輪儲能系統，柴油發電機可以提供強大的功率支撐，穩定負荷，飛輪儲能系統可以調節負荷波動、削峰填谷2者結合，并采取適當的控制方式，仿真實驗證明了混合系統在微網系統中的有效性和經濟性。

5)可再生能源的并網。飛輪儲能技術的一個關鍵應用領域是可再生能源的并網。當前，風力發電、光伏發電等新能源因為清潔、巨量、可再生等優點，受到越來越多的關注。但是由于風光等可再生能源自身的間歇性和波動性，并網后增大了電網的沖擊，對電力系統的安全穩定運行造成了一定的影響。而飛輪儲能系統作為一個可靈活調控的有功源，能穩定并網頻率和電壓，減小可再生能源的波動性，削峰填谷，降低對電網的沖擊，有效地改善可再生能源并網過程中產生的電能質量問題，確保安全性和可靠性。

文獻[26-27]提出了風力發電結合的飛輪儲能系統，綜合了頻率和功率的調節與控制，根據實際風速，仿真得出平穩輸出功率，實現電網頻率控制;文獻[28]的研究對象是永磁直驅風力發電機，分析了當前控制方法下，把飛輪儲能系統安裝在直流端側，研究有功功率的平滑輸出，設計了相應的飛輪儲能系統能量控制策略，并給出了平滑功率值的計算方法;文獻[29]創新性 地將廣義動量概念應用于可再生能源，提出了能量補償的新控制方法。該控制從調節飛輪儲能系統轉速出發，對可再生發電的動量進行計算，并對電網系統進行可靠的監視與能量補償。