戴兴建;张小章;姜新建;王善铭;沈祖培;孙旭东
【摘 要】全面回顾了清华大学在过去17年内坚持飞轮储能技术研究开发的总体情况.介绍了6种飞轮储能试验研究系统和工程样机的技术特征,分析了研制过程中遇到的飞轮轴系稳定性、电机设计、充放电控制器调试等关键技术难题,探讨了飞轮储能技术工业化应用开发中应注意的问题. 【期刊名称】《储能科学与技术》
【年(卷),期】2012(001)001
【总页数】5页(P64-68)
【关键词】镇流器外壳飞轮;储能;试验研究;工业应用
【作 者】戴兴建;张小章;姜新建;王善铭;沈祖培;孙旭东
【作者单位】清华大学工程物理系,北京100084;清华大学工程物理系,北京100084;清华大学电机工程系,北京100084;清华大学电机工程系,北京100084;清华大学工程物理系,北京100084;清华大学电机工程系,北京100084
【正文语种】中 文
【中图分类】TK02
1995年在清华大学基础研究基金资助下，清华大学工程物理系离心分离研究室与电机控制教研室成立联合研究小组，改造原离心机研究基地，建立了专门的飞轮储能技术实验室。后来又争取了多种条件资助，前后研制出6套飞轮储能技术系统样机，开展了系统设计、关键技术研究设计、系统试验等多项工作，取得了一些技术进步，培养了多名研究生，发表了论文30余篇，大力推动了我国飞轮储能技术的研究开发。
1 飞轮储能系统研制
1.1 300 W·h飞轮储能实验原理样机
1996年，沈祖培、杨启述、张小章、栾竟恩等人完成了300 W·h（1W·h=3600 J）飞轮储能试验系统总体方案设计。在该试验系统中，采用超高速复合材料飞轮，基于离心机微损耗支承技术设计了飞轮储能用永磁-流体动压混合轴承，采用永磁无刷电机作为充放电执行器，放电时整流为直流输出，供给灯泡负载，飞轮电机轴承系统密封在高真空室内运行，见图1。飞轮电机及电机控制器（图2）的设计由清华大学电机系胡元德、姜新建完成。 飞轮储能充放电试验系统的核心部件为超高速复合材料飞轮，清华Ⅰ型复合材料飞轮转子采用高强度玻璃纤维、碳纤维复合材料及铝合金轮毂，重8.7 kg，直径230 mm，厚度150 mm。Ⅰ型飞轮于1998年成功运转到48 000 r/min，线速度580 m/s，进行了充放电循环考核试验。烟雾过滤器
1.2 500 W·h 飞轮储能UPS试验原理样机
图1 清华大学第1套飞轮储能试验系统Fig.1 The first flywheel energy storage testing system of Tsinghua University
图2 飞轮电机轴承旋转部件Fig.2 The rotating parts of flywheel-motor-bearing停车场门禁系统
1999年，以Ⅰ型飞轮研究为基础，沈祖培、杨启述、卫海岗等人对转子本体尺寸结构、上下阻尼器支承、电机结构进行优化设计。优化后的Ⅱ型飞轮转子重14.5 kg，直径300 mm，厚度140 mm。2000年9月开始，卫海岗、戴兴建在大量试验的基础上，掌握飞轮各个组件对高速飞轮轴系运行稳定性的影响，通过合理的调整和改变转子支承动力学参数，使系统顺利运行到高速，实现了充放电。2001年5月，Ⅱ型飞轮储能试验模块稳定运转到42 000 r/min，线速度660 m/s，储能量510 W·h，储能密度35 W·h/kg，为当时国内所达到的最高水平[1]。Ⅱ型飞轮在超速试验中达到747 r/s，线速度达到700 m/s。
由清华大学电机系姜新建负责于2003年6月完成了电机DSP智能微处理器控制系统，在Ⅱ型飞轮电机轴系试验的基础上实现了不间断电源供电（UPS）功能，发电功率300 W，保持时间15 min以上，飞轮电机发电110 V，50 Hz交流输出，见图3。飞轮电池UPS原理样机的实现，是试验模型面向实际工程应用的一个新台阶[2]。
1.3 300 W·h电磁悬浮飞轮储能样机
2003年开始，白金刚、张剀等人对磁悬浮飞轮开展了大量的研究工作，将Ⅱ型飞轮系统传统的永磁悬浮-螺旋槽动压支承方式改变为主动磁轴承。建立了整套磁轴承控制系统，针对
转子系统中存在挠性结构问题，研究了强陀螺效应转子过挠性临界的控制器设计方法，于2006年实现了国内第一套磁悬浮的复合材料储能飞轮系统，系统能稳定运行至28 500 r/min，外缘线速度450 m/s，实现了充放电运行测试[3]。
图3 飞轮储能UPS实验系统控制器及负载Fig.3 The controller and load of flywheel energy UPS testing system
1.4 1000 W·h /20 kW合金钢飞轮储能实验装置
手动滤水器前述3套试验装置中采用了小功率超高速永磁电机，最大功率只有300 W，这对于工业应用差距较大，因此有必要提高试验系统的充放电功率。小功率永磁电机的磁偏拉力较小，对轴系的影响较小，但对于大功率永磁电机，永磁悬浮的刚度偏低，满足不了要求，因此需要提高轴系支承刚度。
2008年研制了一套1000 W·h/20 kW储能飞轮样机，支承方式为永磁卸载结合机械轴承，飞轮体为合金钢，质量100 kg，试验转速达到280 r/s，滚动轴承-永磁悬浮混合支承系统显示出很强的稳定性，适合快升快降大功率飞轮储能电机[4-5]。
1.5 2400 W·h/20 kW飞轮储能实验装置
阻燃双面胶
2010年，与中国电力科学研究院合作，研制了一套2400 W·h/20 kW复合材料飞轮储能实验系统，见图4。飞轮采用T700纤维预浸带缠绕、热压固化方式制作直径500 mm、厚度50 mm、高度800 mm的大型复合材料飞轮。飞轮与20 kW电机芯轴采用铝合金轮毂连接。设计线速度470 m/s秒，储能2400 W·h。采用永磁卸载-流体动压油膜轴承混合支承方式，为提高轴系刚度，永磁轴承配合径向定位滚动轴承。该实验系统已进入充放电调试阶段，运行到5200 r/min。
图4 2400 W·h/20 kW飞轮储能试验装置Fig. 4 The 2400 W·h /20 kW flywheel energy storage testing system
1.6 3000 W工程样机
为满足钻机动力系统调峰要求，根据钻机系统负载工况，中原石油勘探局提出了100 kW电动/500 kW发电飞轮储能工程样机研制任务。清华大学项目组采用了重型低速合金钢飞轮（质量1200 kg），500 kW永磁发电机的磁钢采用内嵌入结构设计，为减低轴承损耗，设
计了大型永磁吸力轴承，承担飞轮电机轴系重量的95%。该样机于2012年7月达到设计转速3600 r/min。控制系统实现了100 kW充电/500 kW发电运行，见图5。该系统在储能量、发电功率方面完全具备了工业应用的技术条件。
图5 500 kW飞轮储能功率放大器试验装置Fig. 5 The power amplifier testing system of 500 kW flywheel energy storage
2 飞轮储能关键技术研究电子货币兑换
2.1 轴承技术
立式高速离心机因其长期高速运行，追求支承的微损耗技术指标，其支承方式一般是上端采用永磁吸力轴承承担转子90%以上的重量，下端采用微型螺旋槽油膜轴承或宝石枢轴承承担10%的重量并提供径向支承刚度。其缺点是轴系上端径向刚度低，转子轴承系统存在低频进动现象，需要引入恰当的支承阻尼。
清华大学研究设计经验表明，永磁轴承与螺旋槽动压混合支承飞轮轴系的适应范围：转子重量应当低于100 kgf（1 kgf=9.8 N），发电机功率小于10 kW，螺旋槽轴承的承载力为10
～100 N。测试表明，微型螺旋槽油膜轴承的当量摩擦因数为0.05，据此计算转速6000～30 000 r/min变速运行条件下，其损耗为1.6～80 W。应用于上文所述第1套、第2套实验装置的螺旋槽轴承承载力为10～30 N，应用于第4套实验装置的螺旋槽轴承承载力为100 N。
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