沈阳微控新能源江卫良：磁悬浮飞轮储能关键技术与应用

聚焦“技术应用双创新，规模储能新起点”，通过组织主题演讲、展览展示、创新大赛、专题研讨、项目考察、新品发布、技术交流等多种活动，多维度精准对接全球储能市场与应用，助力中国储能企业与国际接轨，为储能企业搭建与政策制定者、规划者、电网管理者、电力公司、能源服务商的交流互动平台。2019年5月18-20日，中关村储能产业技术联盟、中国科学院工程热物理研究所举办“ESIE2019储能国际峰会暨展览会”，沈阳微控新能源技术有限公司物理储能技术研究院院长江卫良在会上发言。

尊敬的各位嘉宾大家下午好！我是来自微控新能源的江卫良，非常荣幸能够在本次大会上发言，我的汇报分四个方面：

第一部分公司简介。首先介绍一下VYCON公司，成立于2003年，公司总部位于美国加利福尼亚州洛杉矶。沈阳微控新能源公司与VYCON达成了全面排他性的战略合作关系，并拥有全部技术能力和VYCON的品牌使用权，总部位于沈阳中德产业园，园区面积100亩，深圳建有研发中心，具备独立自主的研发能力和生产能力。现在已经申请了发明专利16项，实用新型两项，外观设计两项，软件著作权6项。这是磁悬浮飞轮储能生产线，这是相关的知识产权。

第二部分介绍一下磁悬浮飞轮储能的关键技术，这是飞轮储能的剖面图，主要部分包括永磁同步电极技术，既可以作为发电机也可以作为发动机技术，实现电能和动能的双向转换。飞轮实现动能的主要存储，轴承系统起到支撑和保护的作用。

飞轮电极发出地是一个三向变频的交流电，通过功率变换器实现直流和交流的双向转换，实现变频驱动。工作原理：充电模式下外部输入的电能经过电动机进行驱动转子进行旋转，带动飞轮加速旋转。把电能变成动能存储起来，放电的过程是相反的。飞轮储能的技术正在朝不断提高能量密度、减少自身损耗的方向发展。

现代飞轮储能技术是一门多学科融合的综合性技术。提高能量密度的主要途径：

第一提高飞轮质量，第二提高飞轮转速，第三降低自身损耗。

现在飞轮储能技术是一门多学科融合的综合性技术：包括飞轮材料技术、轴承技术、电机技术、转子动力学以及电力电子等相关技术。

飞轮的轴承技术是一个非常核心的技术，经历了几个不同的发展阶段：早期是纯粹的机械轴承进行支撑，能量和转速的平方成正比，通过增大飞轮质量提高能量。因此相应的这种飞轮能量密度较低，效率低，轴承寿命比较短。

随着磁悬浮技术的发展，又发展出来磁力卸载机械轴承，正常运行的时候机械轴承运行，通过磁力卸载部分重力，减轻机械轴承的承载力，可以提高飞轮的转速，延长寿命。

现在最新的技术是完全磁悬浮轴承，飞轮在运行的时候是完全磁悬浮的，是和轴承之间没有任何的摩擦和接触的。通过备用机械轴承做保护，这种飞轮具有转速高、能量密度高、能量效率高，轴承寿命长的特点，这也是现代飞轮储能发展的方向。

这是飞轮储能效果图，主要包括以下的核心技术：

第一，五轴主动磁悬浮轴承及控制技术。通过上下两个轴承使得整个飞轮的转子系统能够稳定的运行，运行的时候飞轮转子和轴承之间是没有接触，轴承是没有磨损的，

第二，高速运行，寿命大于20年，转速每分钟37000转。

第三，合金钢飞轮材料及工艺技术，采用航天级合金钢飞轮材料，具有密度大、强度高、抗疲劳特性强等优点，能够同时提高飞轮的质量和转速，综合性能好，每台飞流均经过超声无损。

第四，无刷式永磁同步电机技术。采用无刷设计，转子采用稀土永慈材料，密度大、效率高。

第五，双向功率变换及变频驱动技术，通过IGBT进行驱动变换，自适应的调整交流电的频率，采取实现对交流电机的变频驱动。

第六，采用真空腔体及散热技术采用全封闭合金外壳，起到密封、散热、电池评比及防护的作用，采用真空泵抽真空，实时检测并维持所需的真空度，采用独特的散热结构+风冷散热技术，维持系统的热稳定性。

安全性是储能技术最核心的部分，采用多重化安全保障技术。

第一，采用飞轮自供电技术，这也是我们的专利技术，在运行的过程中向磁悬浮轴承的控制器需要不间断的供电，采用两路电源供电设计：一路为外部辅助电源，一路为内部自供电电源。好处是飞轮在高速旋转，通过永磁同步电机给磁悬浮控制器自供电，在外部断电的情况下，也能够维持供电不间断。

第二，采用备用机械轴承保护技术，实现安全平稳地停机。采用全方位的状态监测和保护技术，可以实时的监测电气量、转速、位置、真空度、温度、各部件运行状态，进行实时检测，整个状态是透明的，有任何异常情况，能够自动告警，停机。我们的产品非常成熟，全球超过1700台的装置实际运行，全部安全可靠的运行。

第三，磁悬浮飞轮储能产品与特点，采用标准柜式的设计，包括几个部分，第一飞轮模块部分，第二图形用户界面，第三部分飞轮控制单元，第四部分磁悬浮轴承控制单元，第五部分双向变流器。

现在成熟量产的有两个系列的产品，一个叫VDC系列，典型的参数额定功率450KW，最大可用能量1.74KWh。还有REGEN系列，额定输出功率200KW，可以用750V和1500V。我们通过飞轮储能设计，可以满足不同应用场景的需求，从几兆瓦几十兆瓦都可以满足，通过PCS进行DCS变换，通过变压器进行升压，可以进行远程或者本地的控制。飞轮储能和电化学相比有很大的优势，飞轮储能的能量和转速严格对应，某一个转速下对应的能量是一定的，这样我们可以非常精确的控制每一台飞轮进行充电和放电，让大家同步进行充满或者放空。

飞轮储能产品技术特点：

1，高安全性，整个过程是物理储能过程，没有化学反应，全方位参数监测，状态透明，安全可控;

2，绿色环保，全生命周期绿色无污染，采用合金钢材料，退役后可全部回收利用，处理成本低;

3，长寿命：基于主动磁悬浮轴承，无机械摩擦，核心部分长达20年使用周明;

4，高功率;

5，快充放;

6，宽温域;

7，易部署。

第四，飞轮储能的应用场景，特别适合需要高的安全性、大功率、短时间、频繁充放电的应用场景。重点介绍四类应用场景：城市轨道交通再生制动能量回收系统、关键电力保障UPS、电力调频、新能源调节的储能系统、解决冲击性负荷的大功率储能电源系统。

飞轮储能型再生制动能量回收系统，在城市轨道地铁交通里面采用变频变压的驱动方式，在地铁制动的时候首先进行电制动，把动能变成电能，能量一部分被相邻的车辆吸收之外。能量如果不能够被有效的吸收，就导致牵引网直流电的升高，影响系统的运行，所以传统的解决方案采用制动电阻，这种方法把电能白白浪费掉，不节能环保。如果采用飞轮储能装置把能量回收利用，可以节约电能大概可以占到牵引电力的15%-17%左右。

下面介绍基本的原理：采用多台飞轮储能装置在直流侧进行并联运行，采用集中的控制系统，对整个飞轮储能系统进行同步控制，实现同步充放电，连接在轨道较牵引网直流总线上面，系统开机进入待机运行状态。把电能变成动能存储起来，当列车出站的时候，飞轮储能放电，把动能变成电能释放，主要的作用第一是节能，可以将再生制动能力进行回收利用，降低运营成本。第二能够进行双向稳压。第三可以削峰。

这套系统在地铁上面有非常成熟的应用，这是我们在美国洛杉矶的项目，投运时间是2014年。

下面介绍关键电力保障，飞轮储能UPS解决方案，UPS是应用在工业领域非常多的系统，现在常用的UPS是双边换，先经过整流再经过逆变。UPS配套的储能传统的采用铅酸蓄电池，有一些问题，寿命短，故障率高，根据统计，UPS总故障率30%以上由于电池的故障引起的。占地面积大，需要单独的房间，对温度的要求比较高。另外牵引液具有毒性，如果使用不当造成污染。

飞轮储能可以替换铅酸电池，可以和在线式UPS进行无缝的兑换，现在我们和主流的UPS品牌都进行了大量的应用。采用UPS飞轮储能的主要的优势使用寿命长，20年使用周期，安全可靠、运行为何成本低、占地面积小，对环境温度的要求比较宽，还有全生命周期，绿色、无污染。

工作过程：正常的时候通过整流、逆变同时给飞轮俯冲。当由于故障断电的时候，飞轮储能瞬间放电，保证负载供电的不间断。这种解决方案，应用案例非常多，主要包括数据中心、电信机房、半导体工厂等。

下面介绍一下飞轮+电池的混合储能解决方案，在电力系统的储能里面，对充放电的时间有不同尺度的要求。比如对于新能源发电，因为新能源发电的随机性、波动性和间歇性，所以跟新能源配套和微电网配套的储能，既有毫秒、分钟级的充放电需求，也有数分钟到数小时的充放电需求，依靠现在单一的储能方式很难做到尽善尽美。频繁的短时间充放电对电池自寿命造成很快的衰减。所以我们结合飞轮这种功力性的电池储能方式和电池这种能量型的方式组成一个混合的充电系统，进行协同控制，实现优势互补，这是短时间频繁充放电的方式。

新能源场站解决方案，我们可以通过协同控制系统根据需要调用飞轮储能系统或者电池系统。针对火电机组+储能联合AGC调频，现在典型的配制按照锂离子电池的配制，按照30分钟的典型设计，前面南网的专家也讲到，AGC调频的电站每天充放电次数达到数百次，对于锂离子电池来讲寿命是一个天花板，所以我们提出采用飞轮+锂电的混合系统，按照比例进行搭配，协同控制。

在AGC指令刚刚下达的时候机组还没有响应，这时候功率最高，随着机组的出力逐步增加，储能部分的出力就会降低，这样形成一个尖峰和平缓的部分，所以飞轮储能主要承担大功率，短时段的。电池储能承担基础处理部分，减少充放电频率，减缓寿命。

冲击性符合的大功率飞轮储能电源解决方案，这是特点，第一个锯齿波，功率快速上升，突然转符合，形成一个周期。第二个是方波，第三个是随机性的功率的突然增加，突然降低。特点是功率波动性大，变化速度快，持续时间短，频繁使用，冲击型负荷对柴油发电机组供电系统、微电网和大电网均会产生较大影响，影响系统的稳定性，影响设备的寿命。飞轮储能非常适合做冲击性负荷的电源。我们可以减少发电机组容量的配置，延长机组寿命，提高系统的稳定性。另外高倍率特性，特别适合大功率输入/输出。快速响应，适合快速充放电，还有长寿命适合频繁充放电。

以上介绍的是飞轮储能的典型应用，飞轮储能这个产业总体上处于起步阶段，还有更多的应用场景有待于我们开放。我们微控新能源秉持开放共享，合作共赢的理念，我们希望各位储能行业的同仁，各位关心关注飞轮储能的伙伴、朋友一起合作，共同推动飞轮储能的发展。