卷绕式惯量控制固定转速飞轮储能系统（FESS）充放电性能与效率实验研究

《Journal of Energy Storage》：Charging and discharging performance of a fixed-speed flywheel energy storage system with a reeling-type inertia control mechanism

　　

研究人员提出一种新型固定转速飞轮储能系统（fixed-speed flywheel energy storage system, FESS）；利用飞轮自身离心力调节飞轮惯量（moment of inertia, J）；在不改变角速度（angular velocity, ω）的条件下实现充电/放电（charging/discharging）；实验验证确认净能量直接向电网放电。

研究背景与问题：分布式能源（distributed energy resources, DERs）如光伏和风电占比上升，但其输出受天气和时段影响，稳定供电困难；经逆变器或感应电机并网使同步发电机比例下降，系统惯量降低，频率稳定性变差，严重故障下频率变化率（rate of change of frequency, RoCoF）和频率最低点（frequency nadir）受到关注。储能是解决方案之一，但抽水蓄能有地理限制；电池储能系统（battery energy storage system, BESS）尤其磷酸铁锂（lithium iron phosphate, LFP）技术成熟、成本下降，但处置、资源和高频循环退化仍有挑战。飞轮储能系统（FESS）具高充放电功率、长循环寿命、深度放电退化小、环境影响低，适合超短时高功率和频繁循环。传统FESS多经双向背靠背变流器变速充放电，存在功率器件电热限制、变流器成本高以及不能固有提供同步惯量响应、需变流器模拟惯量等问题；无级变速器（continuously variable transmission, CVT）方案传动损失10–15%，高于背靠背变流器2–3%。可变惯量飞轮（variable-inertia flywheel, VIF）多依赖被动离心力，实验验证少，主动控制下机械效率和物理约束需实验评估。此前离心调速器、绞车和滚珠丝杠样机因轴向位移/摩擦等损失未能净放电。为此，研究人员提出无功率电子接口、电动/发电机（motor/generator, M/G）直接并网的固定转速FESS，通过卷绕式惯量控制机构（reeling-type inertia control mechanism）利用飞轮周向旋转惯性力收放钢丝绳改变重物旋转半径，从而主动改变J而非ω，以实现充放电并争取净能量向电网释放。该论文发表于《Journal of Energy Storage》，总体结论是样机验证了固定转速下通过J调节实现充放电的可行性，机械净放电可实现，电能量净放电需同步电机降低稳态损耗；其意义在于为直接并网固定转速FESS提供实验效率和物理边界数据。

关键技术方法（不超过250字）：研制固定转速FESS样机：卷绕式惯量控制机构由重物、臂、中央/侧齿轮、卷筒、钢丝绳及电磁离合器/制动器组成，通过离合器与制动器状态切换使重物外移（充电）或卷回（放电）以改变J；M/G采用0.75 kW六极三相感应电机，经再生三相变频电源与电网直连，同步转速N_s设为400–500 rpm；测量电压电流、轴扭矩和转速，采用双瓦特表法计算P_e，以扭矩×转速计算P_m，积分得E_e和E_m并扣除稳态功耗偏置。不涉及样本队列来源。

研究结果：
3. 验证环境、结果与分析：在400、450、500 rpm同步转速下进行充放电实验，比较理论与实测能量/功率。
3.1 样机与测量条件：说明样机结构、设备与测量条件，建立可量化机械/电能的分析基础。
3.2 运行时序：给出充放电的离合器/制动器时序；充电时离合器断电使重物外移，放电时先断离合器再投制动器，延时用于避免同时动作造成损耗。
3.2.1 充电运行：500 rpm时离合器断电后N_meas下降、滑差（slip, s）增大，P_m和τ先升后回稳；重物由r_min移至r_max，J由J_min升至J_max，完成充电。
3.2.2 放电运行：制动器投入后中央齿轮固定，侧齿轮与卷筒旋转将钢丝绳卷回，r减小、J下降；N_meas短时超过N_s，s为负，感应电机进入发电状态，P_m和τ为负，机械能向电机释放。
3.3 充放电能量与效率分析：以理论ΔE_i和实测E_e/E_m计算效率，并比较不同转速。
3.3.1 充电运行：500 rpm理论ΔE_i≈36.61 J，理论平均充电功率约110.9 W；实测平均P_rec=233.7 W、P_rmc=162.3 W，高于理论，归因于齿轮加速、轴承摩擦及滑差增大铜损。充电η_ec在400/450/500 rpm为47.5%/45.2%/43.3%，η_mc为50.6%/49.9%/48.5%，机械充电效率随转速变化小。
3.3.2 放电运行：500 rpm理论平均放电功率约?83.2 W；实测平均P_red=+34.6 W、P_rmd=?32.4 W，机械净放电实现但幅值低于理论，电功率符号相反，归因于制动冲击、齿轮加速、轴承摩擦和稳态电损。放电η_ed在400/450/500 rpm为33.9%/39.1%/45.1%，η_md为40.3%/46.5%/53.2%，随转速升高而提高；500 rpm下未扣除约68 W稳态电耗时P_e保持负约270 ms。

讨论部分总结：4.1 机械结构改进：500 rpm较400 rpm放电效率提高10个百分点以上，更高转速预期更高；充电效率改善不显著，最高机械循环效率η_t≈26%。需降低绿/蓝部件摩擦，减小齿轮和离合器/制动器衔铁质量，并可采用one-shot离合器/制动器降低控制电路能耗。4.2 同步电机快速频率支撑：放电时机械输出约360 ms，但含稳态损耗的P_e仅负约270 ms；感应电机励磁损耗大、对电网惯量贡献小，建议改用同步电机，以同步调相机方式提供无功并在频率骤降时注入有功，还可通过主动减小J增加放电；近单位功率因数运行可降低铜损P_Ω。附录概念设计给出21 MJ、约20 MW持续约1 s的放大示例。

研究结论翻译：提出并实验验证一种固定转速FESS，通过利用飞轮自身旋转惯性改变J，实现动能(1/2)Jω²的充放电。所制样机含惯性控制机构，在电功率P_e方面成功实现暂时放电状态；即使考虑稳态损耗，也实现净机械能量放电；就电能E_e而言，结果表明采用同步电机可使净放电可行。尽管当前样机的钢丝绳卷绕机构存在不可忽略的摩擦损失，且整体充放电效率未必优于依赖改变ω的传统FESS，但在考虑稳态损耗下量化效率的能力是固定转速FESS直接并网研究的重要进展。未来工作可改进机械性能，并通过实验和仿真评估系统对电网惯量的贡献，尤其采用同步电机的场景。