大容量高效集成飞轮储能关键技术基础研究

飞轮储能技术已成为解决风能、太阳能等新能源分布式发电难以充分接入和电力系统调峰困难等问题的有效途径之一，为此本项目针对大容量高效集成飞轮储能系统的关键科学问题，以百MJ级飞轮储能系统为具体对象，对各部件及相互间的关系进行深入研究。从电磁材料的特性研究入手，揭示软磁和硬磁材料在多因素作用下的电磁特性机理，结合多场耦合分析，建立高功率密度高速永磁电机和低损耗高性能混合磁轴承设计理论与方法，实现飞轮储能系统中电磁装置的优化设计；提出基于磁轴承支撑的复合材料飞轮转子分析方法，实现大容量飞轮转子的一体化集成设计；提出高性能数字实时控制方法，实现电能变换和磁轴承的优化控制；在此基础上，建立飞轮储能系统集成设计理论及方法，通过改进电机及电磁轴承结构方案和设计参数，使控制系统能够在电磁负荷和系统效率方面发挥更好的整体效果，实现大容量高效集成飞轮储能系统指标的综合优化。

飞轮储能具有储能密度高、可靠性高、寿命长、对环境无特殊要求、不会污染环境等优点，近年来得到了快速发展，已成为解决新能源分布式发电难以充分接入和电力系统调峰困难等问题的有效途径之一。然而，对于以磁悬浮轴承为代表的高速中大容量飞轮储能系统的核心技术，目前仅掌握在少数发达国家手中。我国对于储能系统的容量需求快速增加，而对于代表新兴绿色能源的飞轮储能技术的研究却较为滞后，迫切需要开展相关基础和应用研究。.为提高飞轮储能系统的容量、减小飞轮储能系统在储能过程中的能量损耗、提高电能与机械能之间的变换效率和解决飞轮频繁运行过程中飞轮转子的振动、强度、稳定性和可靠性等问题，本项目从电磁材料的特性研究入手，研究了软磁和硬磁材料在多因素作用下的电磁特性机理，建立了软磁材料性能数据库，为系统电磁性能的优化设计奠定了基础；结合多场耦合分析，建立了高功率密度高速永磁电机和低损耗高性能混合磁轴承的设计理论和方法，开展了样机研制和试验验证工作，实现了飞轮储能系统中电磁装置的优化设计；提出了高性能数字控制算法，搭建了电能变换器和混合磁轴承控制系统试验研究平台，分别实现了电能变换和磁轴承的优化控制；建立了高速磁悬浮飞轮转子静、动力学模型，实现了复合材料飞轮转子强度精细建模和优化设计，完成了该类系统中高速转子的动力学特性分析；在此基础上，建立了飞轮储能系统集成设计理论及方法，研制了4.8MJ-20kW-432m/s高速磁悬浮飞轮储能系统样机，为研制中大容量集成飞轮储能系统和实现飞轮储能技术的工程化应用奠定了坚实基础。