中國儲能網訊：清華大學工程物理系、清華大學電機系的研究人員戴興建、姜新建、王秋楠、汪勇、王善銘，在2017年第21期《電工技術學報》上撰文，為鉆機混合動力傳動系統研制了1套1MW/60MJ飛輪儲能系統，開展了軸系動平衡、充放電、損耗和效率測試實驗研究。

　　采用高強度合金鋼變截面飛輪存儲動能，飛輪電機軸系為立式支撐結構，重型拼裝永磁環軸承承擔了97%的軸系重量。永磁電機轉子采用格柵結構硅鋼內嵌磁鋼，以實現較高速度安全運轉。

　　基于大容量功率電子變換和電機控制技術,開發了100-300kW充電、500-1000kW放電的控制電路硬件和軟件，充電過程中采用了弱磁、轉速和電流的雙閉環控制策略,放電過程中采用電壓閉環和電流前饋控制策略。動平衡后飛輪儲能機組振動減少為0.07mm以內。飛輪儲能電源充放電循環效率達到86%-88%。

　　飛輪儲能的基本原理是電能與旋轉體動能之間的轉換:在儲能階段，通過電動機拖動飛輪加速，將電能轉換為機械能；在能量釋放階段，電動機作發電機運行，飛輪電機減速，將機械能轉換為電能并輸出。

　　現代飛輪儲能系統集成了先進復合材料轉子技術、磁軸承技術、高速電機以及功率電子技術而極大地提高了性能。在2000年前后，現代飛輪儲能產品開始推廣于不間斷電源供電、電能質量管理、電網調頻。正在發展的飛輪儲能應用有風力發電、太陽能發電。國內近年來在飛輪儲能關鍵技術研究開發中取得了突破，正處于產業化應用拓展期。

　　石油鉆機是鉆井施工的主要裝備，其動力通常由柴油機組或天然氣發動機組提供，動力機組的輸出特性柔性不足，難以適應鉆機負載的頻繁大幅度波動，動力系統運行功率冗余容量偏多。

　　在鉆機動力系統中引進調峰電機和飛輪儲能裝置實現動力調峰運行；在低負荷時利用動力機組的冗余出力帶動調峰電機發電，給飛輪儲能系統充電；在尖峰負荷出現時，飛輪儲能系統放電，驅動調峰電機做電動運行，快速向動力系統釋放功率以平衡負荷。調峰運行的動力機組運行平穩，并可減少冗余容量，有利于節能減排。

　　鉆機混合動力傳動系統提出的儲能單元技術指標為：充電功率100-300kW，發電功率500-1000kW，可用能量42MJ，頻繁充放電周期為3-5min。調研表明尚無廠家可以提供成熟的產品，為此研制了1套1MW/60MJ飛輪儲能系統，開展了軸系動平衡、充放電、損耗和效率測試實驗研究。

　　結論

　　利用有限元強度分析方法，建模并優化設計變截面大型合金鋼飛輪和內嵌磁鋼永磁電機轉子的格柵結構。經過優化設計拼裝永磁軸承的承載力達到50kN，與飛輪電機軸系的重量相當。

　　基于大容量功率電子變換和電機矢量控制技術，研制了較小功率充電、大功率發電的控制電路硬件和軟件，采用弱磁、電流前饋、電壓閉環和速度閉環復合控制策略。本機動平衡后飛輪儲能機組振動在高轉速區減少到0.02mm以內，實現了全轉速范圍內平穩運行。

　　機械損耗和電機鐵損理論分析與實驗結果一致，系統待機損耗18kW，為發電最大功率的2%。飛輪儲能系統充、放電循環效率為86%-88%。實驗證明飛輪儲能是一種大功率、高效率的儲能技術。