飞轮储能控制技术及其在新型电力系统中的应用

中国科学:技术科Controltechniquesofflywheelenergystorageanditsapplicationinnewpowersystem中国科学稿件SST-2023-2023-08-李佳玉乐方飞轮储能制型电力系统flywheelenergystorage,control,newpowersystem,applicationscenarios图片源文件中国中国科学:技术科PagePAGE10of 中国科学:技术科 2023年第53卷第1期:79~SCIENTIASINICA 3 评 567

9 飞轮储能控制技术及其在新型电力系统中的9 李佳玉①,魏乐①,房方①*,刘吉臻①华北电力大学控制与计算机工程学院,北京②新能源电力系统全国重点实验室,北京*E-mail:收稿日期2023-05-09;接受日期20XX-XX-XX;网络出版日期20XX-XX-国家自然科学基金项目(编号:52176005),国家电网有限公司总部管理科技项目(编号:52060021N00P) 摘 推动以飞轮储能为代表的新型储能技术快速发展,有助于提升电力系统的调节能力和灵活性,促进能源消纳,保障电力可靠稳定供应.该文聚焦电力级飞轮储能系统的运行控制问题,常见结构及工作原理;结合不同运行模式,分析了飞轮储能单体的多种充放电控制策略; 列和含飞轮储能的混合储能系统,探讨了规模化集成控制问题,在此基础上, 电力系统中的几个典型应用场景 关键 飞轮储能,控制,新型电力系统,应用场 随着“碳达峰、碳中和”战略的快速推进,光可再生能源电力在电网中的占比不断提升,其随机性和波动性给电力系统带来诸多挑战,如电力平衡、电量消纳、电网安全稳定控制等[1].升电力系统调节能力和灵活性,促进新能源消纳,障电力可靠稳定供应的重要技术手段,受到政府和行业的高度关注.2021720225月,[2-3],了要求.截至2022年底,累计装机规模已超594GW同比增长374 1

池储能、超级电容储能、超导储能、飞轮储能等.其中,抽水蓄能和电化学储能的发展较为成熟，但前者对地理条件有特殊要求,勘测、设计、建设成本高，而后者在大规模集成应用中的安全性和寿命仍有待突破[5].飞轮储能、超导储能和超级电容储能响应速度快、功率密度高,属于功率型储能装置,但超导储能受限于材料和低温制冷系统[6],应用成本高,商业化难度大;超级电容受电介质耐压能力限制,储能能力较低[7].相对而言,飞轮储能循环寿命长、运行效率高，对工作环境适应性强,飞轮储能阵列是一种较为理想的电力级储能方式.表1对上述储能技术在能 Table1Comparisonofcharacteristicsofseveralenergystorage 能量密（kwh/m3）功率密度（kw/m3）效 引用格式:引用格式:李佳玉,魏乐,房方,刘吉臻.飞轮储能控制技术及其在新型电力系统中的应用.中国科学:技术科学,2023,XXLiJY,WeiL,FangF,LiuJZ.Controltechniquesofflywheelenergystorageanditsapplicationinnewpowersystem(inChinese).SciSinTech,2023,XX:XX–XX,doi:10.1360/N092015-00020©2015《中国科学》杂志 李佳玉等:21-456789目前关于飞轮储能技术的研究主要分为四个方面:飞轮储能系统(FlywheelEnergySystem,FES同应用等.推进飞轮储能技术在新型电力系统中的应用,其控制策略和应用模式是两个重要问题.策略优化能提升飞轮储能系统的安全高效运行水平 应用模式设计可更有效地发挥其对电网的支撑能力 对应用于新型电力系统的飞轮储能系统进行多

工况多场景分析,需考虑从单体到集成系统再到具体应用场景的研究,其框架结构如图1所示.为此,系统中的应用场景四个方面阐述了飞轮储能系统的研究发展现状.上述内容可为飞轮储能系统运行控制理论与技术的研究和工程应用提供系统性参考. 1飞轮储能单体控制- Figure1Flywheelenergystoragemonomercontrol-integratedapplication

术中,飞轮储能在安全性、可靠性和环保性方面具显著优势[12].飞轮储能系统由飞轮转子、轴承系统123他辅助系统组成,其结构及工作原理如图2所示.飞轮充放电期间,飞轮的电机充当电动机或发电机8从/向电网吸收/提供电力.8材料选择、轴承类型、充/放电时长的不同,

中国科学:技术科 2023年第53卷第1的惯性矩和角速度.为了增加飞轮的储能,存在两种解决方案：增大飞轮速度或其惯性.惯性矩取决于飞轮的形状和质量.通常,转子是实心圆柱形物体.因此,对于质m,r,a和质量密度,J可按照系统有多种不同的分类方式.一般而言,转速度这一特征可分为高速飞轮[13]和中低速飞轮

根据轴承系统的不同,可分为机械轴承飞轮储能系系统等;根据飞轮转子材料的不同,转子飞轮以及金属材料飞轮两大类[15].飞轮储能系

通过增大圆盘半径或使用高密度材料,可以储飞轮运行过程可通过使用简化的力学方程来表示,如下所示：统的灵活性极强,可适应不同应用场景,

Jdω=

−f

收再利用以及电力系统惯量响应[16-18];分钟级飞轮很适合电网调频[19];达到小时级别的飞轮就可以应用于火电机组灵活性改造和电网调峰[20].随着复合材料成本的逐年降低以及电力电子技术和控制理论的持续发展,飞轮储能的规模化应用已成为电力系统切实可行的选择2Figure2Structureandworkingprinciplediagramflywheelenergystorage 飞飞轮是一种能够储存能量的设备,电能会以机械能的形式存储在旋转的飞轮中.飞轮的转动惯量和转速是决定储能系统能够存储多少能量的两个关键因素.飞轮中的储能可按以下公式计算

式中,Tem是机电扭矩,f是摩擦系数发展早期,飞轮多采用刚性材料[23-24],由于承受负荷能力有限,转速通常较低.随后,钛或铝合金等金属材料逐渐替代了刚性材料[25];近年来,重量较轻的高强度纤维复合材料得到应用,可支持更高的轴轴承系统的主要功能是支撑转子稳定旋转,并且减少旋转过程中的摩擦阻力,它直接影响了飞轮电机的运行效率和使用寿命.早期飞轮储能系统多用机械轴承,具有支撑强度高,结构紧凑的优点,但护等缺点[27],适用于低速飞轮储能系统以及高速飞轮储能系统的冗余保护轴承[28].近年来,为了进一步提升飞轮储能系统的存储效率,降低系统中的空气动力损失和轴承摩擦损失,常使用磁性轴承,如用真空容器内的磁悬浮轴承代替普通机械轴承[29],真空擦,显著降低运行功耗,飞轮转子的位置可通过调节功率变换系统包含电机和电力电子变换器,中电机是飞轮储能系统实现能量转换的核心部件,电机性能的好坏,直接影响了飞轮储能系统的性能

=12

和效率.电机与飞轮同轴连接,在飞轮充放电期间电机充当电动机或发电机,从/向电网吸收/提供电力其中,EFW是飞轮中储存的能量,J

飞轮储能系统中的电机需满足以下条件能工作在3 李佳玉等:23动和发电两种状态、有稳定使用寿命和较低空载损耗、运行可靠、易于维护等能力.供选择电机类型包括永磁同步电机[31-34]电机[35-36]、感应电机[37-39]、无刷直流电机[40-42]等.8中,永磁同步电机因其结构简单（转子无励磁绕组储能系统最常见的选择[31],通常用于高速飞轮中32,43-45].文献[43-44]行了研究,结果表明,即使在高速（50000rpm）况下也具有高效率（约95%）,低损耗作为连接飞轮储能系统和外部电源/接口,电力电子变换器是使功率变换系统实现能量转换的重要组成部分,最典型的功率变换器拓扑是交-直-交变换器,器组成[46-48].这两个变流器分别称为电网侧和电机侧变流器,它们通过中间的直流链路相连接.有时飞轮中仅采用机侧变流器连接至直流系统,如直流 微电网 飞轮储能系统通常有三种运行模式,即充电模式、放电模式和待机模式,有三种运行模式.在充电模式下,网等电源吸收能量,并通过双向功率转换器控制驱动电机进入电动机模式,带动飞轮将电能转换为机械能进行存储,在充电过程中飞轮速度上升,动能也随之增加.在放电模式下,飞轮为原动机模式通过双向功率转换器控制驱动电机进入发电机模式驱动飞轮减速,由此释放机械能并将其转换为向电网或负载供电的电能,放电过程中飞轮转速降低,储的动能逐渐消耗.在待机模式下,角速度几乎恒定只需少量扭矩或功率即可维持飞轮角速度.图3了连接至交流电网的飞轮储能系统中功率/的示意图[50],其中功率/能量流是双向的.每种运行模式都需要适当的控制方案来确保系统的可靠运行飞轮储能系统的控制主要依赖于基于双向电力电子变流器的电机驱动系统,因此电力电子变流器和电

机是飞轮储能系统控制中至关重要的元件3Figure3Schematicdiagramofflywheelenergystoragesystemenergyconversion3.2飞轮储能系统的控制任务分为机侧控制和网侧控制,两侧控制进一步细分为外环和内环两个级联控制环.不同的运行模式下,控制目标有所不同,包等.目前,对于飞轮储能充电模式的研究主要集中在对直流母线电压和电机转速的控制上,而放电模式的研究主要关注跟踪外部功率指令的控制或稳定直流母线侧的电压.图4和图5分别给出了连接至直流电网和交流电网的飞轮储能系统基本控制回路.连接到直流电网的飞轮储能系统只使用一个机侧变换器,需要在不同的运行模式下切换以完成不同的控制任务.表2结合近十年的研究文献，对飞轮储能系统的控制目标及策略进行了归纳总结.图5连接至直流电网的飞轮储能系统典型充放电控制Figure5TypicalcharginganddischargingcontrolofflywheelenergystoragesystemconnectedtoDCpowergrid12345678942

中国科学:技术科 2023年第53卷第1Figure4TypicalcharginganddischargingcontrolofflywheelenergystoragesystemconnectedtoACpowergrid1）直流电压控制[384248-4951-53].两个控制环由电压外环和电流内环组成,外环控制直流母线电压,内环控制电网侧电流或电机侧电流.目前应用最广泛的母线电压控制算法是比例积分（PI）控制算法,由于PI控制器往往基于系统的局部线性化模型设计[48,53],通常只适应于稳态工作点变化不大的对象.为此,文献[42]针对直流微电网的应用,用自抗扰控制器代替传统的双环PI控制器来提高飞轮储能系统的控制品质;文献[52]提出了一种基于扩展状态观测器的鲁棒控制策略,并考虑了直流链路电压调节器中的速Table2Controlobjectivesandstrategiesofflywheelenergystorage外环控制 内环控制输入信 控制方 输入信 控制方 PI控制[38,53, 自抗扰控制 模型预测控制 电机角速度[38,48,51,53-

PI控制

P控制直流侧电压[38,42,48,49,51-53]基于外部状态观测模型的PI控制 53,55-

有功功率[57-

电机侧电流[38,42,自抗扰控制 基于人工神经网的控制策略基于人工神经网的控制策略直流侧电压模型预测控制[48]模型预测控制无功功率PI控制PI控制

无功功率电机定子电压并网点电压

直接电压控制基于BP神经网络的PI控制神经元自适应PID控制基于非线性扰动观测器的PI控制

48,49,51-

模型预测控制RBF神经网络的PI控制[54] 2）电机转速控制[38,48,51,54-56].两个控制环由压外环和电流内环组成,外环控制电机速度,制电机侧电流.文献[51]中转速外环控制器用BP经网络替代传统PI控制,内环通过基于RBF络的电压PI控制器,以生成d轴和q驱动电机,由此达到期待转速值完成能量存储.[55]选择永磁直流无刷电机作为飞轮转子的驱动电机,并基于转速电流双闭环控制方法,子的调速控制.该双闭环控制系统中内环的电流控 制器采用传统的PID控制算法,

采用新型的神经元自适应PID控制算法.文献[56]基于外环转速/能量控制切换的方式,实现高效率充3）功率控制57-].两个控制环由功率外环和电流内环组成,外环接收外部功率指令生成内环参考电流信号改变飞轮的状态.文献[57]中机侧变流器控制回路采用自适应小波模糊神经网络算法作为灵活的功率调节器,进而控制飞轮储能系统在网络扰动和/或可变风况下释放/吸收实际和无功功率,实现对3 李佳玉等:23风机的平滑控制.文献[58]网络的简单功率控制策略,在保持可控电网侧功率的同时对机侧系统进行充放电控制.所提出的控制器基于传统的矢量控制系统,辅以基于神经网络的8电流解耦网络,用于根据所需的电网功率水平和飞轮瞬时速度开发所需的转子电流分量,同时该设计可避免飞轮充电/放电时定子和转子电路过载 在应用中扩大储能容量十分重要,来说可以通过提升飞轮转子转速或增加质量等方式取更大的储能容量,轮储能单元却具有较高的成本和技术难度.为此,究人员提出了一种多模块飞轮储能单元并联组成飞储能阵列的解决方案[60].成本,还可极大地简化研发过程.对于飞轮储能阵列合理的功率协调策略是对阵列中各个单体的输出功进行管理分配的关键飞轮储能阵列（FlywheelEnergyStorageFESSA）有两种可选的连接方案：直流母线并联和流母线并联,分别如图6和图7所示.直流母线并联飞轮储能阵列除了可以通过并网逆变器并入大电网还可以直接用于直流微电网6Figure6FESSAconnectedinDC

7Figure7FESSAconnectedinAC飞轮储能阵列控制相关研究主要分为两类：集中（如图89所示.集中式控制通常由中央控制器来获得上次调度信号及每个飞轮单元的状态（如当前飞轮的能量状态、飞轮功率上限等,然后根据一定的规则来分配功率指令,如等功率策略、等转矩策略、等时间长度策略,基于能量状态一致的改进下垂控制,“能者多劳”原则]等.分布式控制更偏向于得到一个确切的功率指令,将每个飞轮单元视作一个智能体,基于分布式控制通过各个单元之间进行的通讯来完成指令分配、能量状态一致、功率指令跟踪,实现平滑功率波动的目标.123456789 8(a)中央控制层b)Figure8Centralizedcontrolof(a)Centralcontrollayer;(b)Localcontrol

中国科学:技术科 2023年第53卷第19(a)中央控制层b)Figure9DistributedControlof(a)Distributedcontrollayer;(b)Localcontrol 在含高比例可再生能源的电力系统中,储能系统通常会以不规则且频繁的充放电模式运行,这可能会缩短其使用寿命并增加维护成本.因此,理想的储能系统应该具备大容量、高功率、长寿命、高效率和低成本的特点.然而,由于技术限制,目前还没有一种储能技术可以同时满足上述所有要求.在应用层面,将两种甚至多种类型的储能集成起来形成混合储能系统,并设计合理的能量管理系统EeyMaageetse,EM),可以同时满足系统对储能系统短中长时间尺度性能的需求.混合储能方案可以根据应用场景、地理位置和经济成本等因素进行多种选择.混合储能系统相对于单一储能系统而言,其拓扑结构和控制方法更为复杂.它不仅需要解决单一储能介质的控制问题,还需要协调不同储能介质之间的控制问题.飞轮储能功率密度高,但能量密度低,可以配合具有高能量密度的其他储能形式构成混合储能系统,“飞轮+电池混合储能“飞轮+电池+压缩空7 李佳玉等:23气混合储能”]+压缩空气混合储能”2-84]“飞轮+超级电容混合储能[85]飞轮+电池+[85+10所示.对于混合储能系统的应用,长短周期控8 指令的优化分配是关键,以“飞轮+电池混合 例给出典型能量管理系统工作流程,11所示. 于“飞轮储能+混合储能系统还处于起步阶段,互 储能形式的选择和系统结构的优化设计研究还需进 步加强 10“飞轮储能+ Figure10Classificationof"flywheelenergystorage hybridenergystorage 11“飞轮+

Figure11Typicalenergymanagementsystemworkflowfor"flywheel+batteryHybridEnergyStorage"以新能源为主体的新型电力系统的稳定性问题十分突出0],新应用模式是破局的关键.飞轮储能及其集成系统组、联合风电机组等几种典型应用场景.大型电力系统是个即发即用的供需平衡过程,发电和用电的不平衡会引起电网频率、电压波动,造成电能质量下降,甚至对整个电力系统的稳定性产生严重影响.美国、加拿大等国对飞轮储能技术与系统的研究起步较早,有许多在能源电力系统中的应用实例,如服务于当地电网调频的加拿大明托镇2MW/500kWh飞轮储能项目,安大略省圭尔镇5MW/500kWh飞轮储能项目;和可再生能源联合使用,提供全岛的电力供应的加勒比海阿鲁巴岛10MW/1MWh飞轮储能项目;美国纽约州和宾夕法尼亚州的两个20MW/50MWh飞轮储能调频电站,由200台十五分钟级单体100kW/25kWh飞轮并联构成,该项目既可以为纽约州智能电网提供独立调频服务,又近两年,我国飞轮储能发展迅速,相关项目有：内200MW/800MW“全钒液流电池+飞轮混合储能”共享电站项目[91]、山西鼎轮能源交800MW/800MW“磷酸铁锂电池+飞轮混合储能”电站[93]10MW/2MW“二氧化碳+飞轮[94100MW/3.5MWh飞轮独立储能电站项目[95].上述项目建成后,将为电网提供调频/调峰辅助服务,促进新能源消纳.上述部分项目如图12所示.123456789 12(a)20MW飞轮储能电站(b)100MWFigure12Deployedflywheelenergystorageprojectshomeand(a)20MWFlywheelenergystoragePowerStationinNew(b)Conceptualillustrationofthe100MWindependentenergystoragepowerstationinShanxi, 微电网惯性小、抗干扰能力弱,稳定问题更加突出.机、柴油发电机[74]行改进以适应电网稳定性要求,力依旧不足.飞轮储能系统动态性能好,能快速提供微电网的功率差额文献[34]作用,出能够跟随频率变化.文献[97]出约束控制方法,化实现快速充放电的同时保证频率偏差在用户定义围内.文献[98]能模式切换控制策略,制及网侧直流母线电压控制和补偿模式下的网侧频

中国科学:技术科 2023年第53卷第1控制和机侧直流母线电压控制,结果表明该控制策略使飞轮储能系统可以有效减少负荷波动下的频率偏差和直流电压偏差.除单独使用外,飞轮储能在微电网中也常与其他储能技术配合使用,文献[81]提出了一种基于模糊逻辑的PI控制的能量管理方案,采用飞轮储能补偿瞬时功率需求,与电池储能和压缩空气储能形成互补作用.文献[9]的研究发现将飞轮储能装置加入光伏微电网中负责频率波动信号中的高频分量可以有效减少原本承担调频作用的电池储能的循环次数,有助于延长电池寿命.文献10]针对含光伏发电的交“飞轮+电池混合储能系统的微网系统协调控制策略，根据各储能模块的剩余容量划分不同模态对飞轮和电池进行充放电控制，从而平抑光伏机组造成的功率波动.文献[7,7,7,7,8587101-102]均采用“飞轮储能+电池储能”承担负荷频率调节作用,根据上述文献本文总结了一类含统,如图13所示.13一类含“飞轮+电池混合储能”的微电网负荷频率Figure13Loadfrequencycontrolsystemofmicrogridwith"flywheel+batteryhybridenergystorage"controlsystem随着新能源的大规模接入,传统的火力发电厂提供的调频服务已经不能满足电网的要求.由于火力发电厂的响应速度较慢,无法精准控制,所以不能用于高频次的调频工作.另外,频繁调用火力发电厂参与电厂调频工作,不仅会加速电厂设备的老化,降低燃料的利用率,还会增加维护成本并减少整个发电机组的使用寿命,这些都对电网运行稳定性产生负面影响7 李佳玉等:23因此,储能技术作为新型调频辅助手段备受关注.比于火力发电厂,踪和响应速度,的调频服务[103-105].文献[106]8统火电机组跟踪系统调频信号的能力,储能技术应用于系统调频控制的可行性.能辅助火电机组主要进行一次调频和二次调频控制针对飞轮储能系统辅助火电机组参与电网一次调频,文献[107]标提出了一种划分电量的飞轮储能调频控制,轮不同电量情况下的调频效果.文献[108]率自适应分配模块和飞轮储能输出功率约束控制模块实现了飞轮储能联合火电机组的自适应协同一次调控制研究.文献[109]储能参与电网一次调频的两区域模型,了飞轮储能系统对于电力系统频率有很好的支撑作用文献[110]提出一种考虑机组磨损、反向调频量的火电机组-飞轮储能协调控制策略,并通过一次频考核指标确定了最优储能容量配置策略.文献提出了一种飞轮与火电机组互补调频控制策略,小频差动作时由飞轮单独承担,动作时,动量,可以保证飞轮始终运行在合理工作区间针对飞轮储能系统辅助火电机组参与电网二次调频,文献[75]构建了混合储能系统辅助600MW热机组的调频仿真模型,结果表明,能系统能有效减少电网频率变化量,功率波动,稳定主蒸汽压力.文献[112]合调频系统,火电机组间分配,飞轮储能跟踪短周期调频信号,火电机组则跟踪长周期调频信号.该联合系统通过储火动态配合,作,最大限度地提高了系统的调频响应能力,能的容量利用效率也得到提升.文献[113]锅炉和汽轮机的燃煤机组模型以及基于永磁电机的轮储能系统充放电控制模型,煤机组和飞轮储能系统在二次调频过程中的协同作用对两个系统的协调互补运行状态进行了分析项目示范方面,机组调频项目有：国家能源集团宁夏灵武发电厂光储耦合22MW飞轮储能项目[114]（项目现场如图14朔州热电2MW磁悬浮飞轮储能电池AGC

目飞轮储能工程项目[115],以上项目建成后将联合为14Figure14Flywheelenergystoragesystemcoordinatedwiththermalpowergenerationunitforfrequencyregulationproject风机的惯性和动态特性与传统的基于同步电机的发电系统相比有很大不同,其电源装置通过电力电子变换器连接到电网,无法为频率扰动提供旋转惯量.可逆调节等优点,其快速、准确的特性使其能很好地针对飞轮储能系统在风电场中的应用时侧重的功能不同,飞轮储能系统接收的信号也不同,主要可1平滑风功率波动自风电场的功率信号.文献[]中,飞轮储能系统能够在无需过度控制的情况下跟踪功率基准的快速变化,从而确保风电场的可调度功率.同时文中还提出了一种选择控制参数的方法调节飞轮储能系统的状态,不同于I控制算法,不需随系统运行条件的变化而进行调整.文献[]对压缩空气储能和飞轮储能进行了详细的动态建模分析,基于频谱分析方法,确定各储能装置的容量和能量调度策略,仿真结果表明该混合储能系统能够很好地抑制风力发电的波动满足负荷总需求.文献[14]采用飞轮储能装置辅助风电场进行有功功率和频率控制,设计了包含转速控制模块和参考功率计算模块的飞轮储能控制系统,该控制系统根据参考功率的变化改变飞轮的充放电状态,从而平稳调节123风电场的有功输出.文献[125]采用模型预测控制方法，通过预测输入风功率信号的未来动态，输出最控制信号调节飞轮储能装置的充放电，实现平滑风率波动的目的8 ,要目的是保证飞轮储能耦合风机时直流侧的电压稳定文献[127]通过控制飞轮储能单元,平衡故障期间的直流环节电压振荡的目标.流器处采用了比例积分谐振控制器,压的振荡.通过对1MW能风力发电系统在电网不平衡故障下的仿真结果,证了所提出的带飞轮储能装置的直驱风机系统的协控制策略.文献[128]恒定直流电压,必要的功率基准.文献[59]轮储能系统提出了一种混合自适应算法,应飞轮储能机侧网侧功率变换器的PI控制器参数,实现公共连接点处的并网功率和电压稳定,场的瞬态稳定性3）调频[129-132]：飞轮储能系统接收频率和功率号.文献[129]方案,组定子功率和转子输入机械功率作为外层控制的输入由外层协同控制器确定飞轮储能的调频功率指令,风电机组MPPT运行.文献[131]能与风电机组联合进行电网频率支撑的协同控制方案使其作为整体提供一次调频所需有功备用,控制系统接收频差信号转换为功率参考变化量,风机当前运行状态输出相应的功率.文献[132]飞轮储能辅助风力发电系统的功率、频率调节的综控制方法,部分：风机实际输出功率与总输出功率参考值的偏差电网运行频率出现偏差时由频差和调差系数得到的电-飞轮联合系统参与一次调频应输出的功率 储能发展的指导意见》[2]系统性、战略性储能关键技术研发,技术的规模化试验示范”当前,

中国科学:技术科 2023年第53卷第1力系统中的应用呈现快速增长态势,集成、控制系统研发等方面取得了一定进展,从实际需求出发、从新型电力系统的应用场景出发,进一步推动飞轮储能及其控制技术的创新发展.高性能控制方法.针对高功率密度飞轮储能系统,优化控制算法和响应机制,提升充放电响应速度,实现更快速、更准确的能量转换;针对大容量飞轮储能系统,研究多级控制结构,结合转速、内部转智能化控制策略.采集和处理方法,实时监测飞轮运行状态和性能;通过精细化损耗计量,优化充放电策略,降低能量损耗;结合人工智能算法，准确判定运行工况,自动适应不多主体协同机制.针对“飞轮储能+”混合储能系统具有的多主体集成、互补协同运行的特点,应用大系统理论和多智能体方法,发展多模块协同控制技术,形成混合储能系统各模块之间、储能系统与新型电力系统之间的协同工作机制,提高储能系统虚拟聚合与主动支撑.计量、协调控制等技术,整合区域储能资源,实现规模化储能场站的灵活接入与虚拟聚合;充分挖掘聚合资源中不同类型储能的多时空支撑能力,针对新型电力系统的运行需求,研究源网荷储协同的有功、无 “清洁低碳、安全高效的能源体系中,是促进新能源消纳,保障电力可靠稳定供应的重要技术手段,其中飞轮储能技术因其高功率密度和快速响应速度而备受关注.在应用层面,飞轮储能系统系统中常见的调频、调压、能量平衡问题.为了充分利用飞轮储能的快速调节能力,需关注单体充放电控制问题及飞轮储能系统联合应用对象时的协同控制问题.由于研制单台大功率大容量的飞轮储能单元成本高、技术难度大,目前常采用两种集成应用形“飞轮储能+混合储能系统,特别关注多个飞轮储能单元之间以及飞轮储能单元与其他形式储能之间的协同调控问题.本文综述了7 李佳玉等:23 控制和多场景协同应用的理论和技术研究现状,6

展望了未来的发展方向 参考文献 8 1WangRJ.Applicationanddevelopmentprospectofflywheelenergystorageinpowersystem(inChinese).ChinaElectrPower, 970(5):21-23[王睿佳.飞轮储能在电力系统的应用和发展前景.中国电业,2021,970(5):21-2NationalEnergyAdministration．Guidingopinionsonacceleratingthedevelopmentofnewenergystorage(inChinese).2021-07-23[能源局.关于加快推动新型储能发展的指导意见.2021-07-3NationalEnergyAdministration．Implementationplanforpromotinghighqualitydevelopmentofnewenergyinthenewera(in2022-05-30[国家能源局.关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案.2022-05-4SohuNetwork.ZhongguancunEnergyStorageIndustryTechnologyAlliance:Chinahasputintooperationpowerstorageprojectswithcumulativeinstalledcapacityof59.4GW,ayear-on-yearincreaseof37%(inChinese).2023-01-16[搜狐网．中关村储能产业技术联盟中国已投运电力储能项目累计装机达59.4GW,同比增长37%．2023-01-5.XieXR,MaNJ,LiuW,etal.FunctionsofEnergyStorageinRenewableEnergyDominatedPowerSystems:ReviewandProspectChinese).ProcCSEE,2023,43(01):158-169[谢小荣,马宁嘉,刘威,等.新型电力系统中储能应用功能的综述与展望.程学报,2023,43(01):158-6AlZamanMA,IslamMR,MarufH.StudyonconceptualdesignsofsuperconductingcoilforenergystorageinSMES.EEurJPhys, (1):111- 7SatpathyS,DasS,BhattacharyyaBK.Howandwheretousesuper-capacitorseffectively,anintegrationofreviewofpastand characterizationworksonsuper-capacitors.JEnergyStorage,2020,27: 8Calero,F,CañizaresCA,BhattacharyaK,etal.Areviewofmodelingandapplicationsofenergystoragesystemsinpowergrids. IEEE,2022,inpress,doi: 9KhodadoostAraniAA,GharehpetianGB,AbediM.Reviewonenergystoragesystemscontrolmethodsinmicrogrids.IntJElectr EnergySyst,2019,107:745- 10OlabiAG,OnumaegbuC,WilberforceT,etal.Criticalreviewofenergystoragesystems.Energy,2020,214: 11BarraPHA,CarvalhoWCD,MenezesT,etal.Areviewonwindpowersmoothingusinghigh-powerenergystoragesystems. SustEnergRev,2021,137: 12XueFY,LiangSY.Developmentstatusandprospectofcoretechnologyofflywheelenergystoragesystem(inChinese).Energy 2020,39(11):119-122[薛飞宇,梁双印.飞轮储能核心技术发展现状与展望.节能,2020,39(11):119- 13CardenasR,PenaR,PerezM,etal.Powersmoothingusingaswitchedreluctancemachinedrivingaflywheel.IEEETransEnergy 2006,21(1):294-14CimucaGO,SaudemontC,RobynsB,etal.Controlandperformanceevaluationofaflywheelenergy-storagesystemassociatedtovariable-speedwindgenerator.IEEETransIndElectron,2006,53(4):1074-15LiX,PalazzoloA.Areviewofflywheelenergystoragesystems:stateoftheartandopportunities.JEnergyStorage,2022,46:16LiJ,ZhangG,LiuZG,etal．Controlstrategyofflywheelenergystoragearrayforurbanrailtransit(inChinese).TransElectrotechnicalSociety,2021,36(23):4885-4895[李进,张钢,刘志刚,等.城轨交通用飞轮储能阵列控制策略.电工技术学报2021,36(23):4885-17WangDJ,SunZH,ChenY,etal．Applicationofarray1MWflywheelenergystoragesysteminrailtransit(inChinese).EnergyStorTechnol,2018,7(5):6[王大杰,孙振海,陈鹰,等.1MW阵列式飞轮储能系统在城市轨道交通中的应用.储能科学与技术,7(5):18AkramU,NadarajahM,ShahR,etal.Areviewonrapidresponsiveenergystoragetechnologiesforfrequencyregulationinmodernsystems.RenewSustEnergRev,2020,120:19ZhangX,RuanP,ZhangLL,etal．ApplicationanalysisofflywheelenergystorageinthermalpowerfrequencymodulationinChina(inChinese),EnergyStorSciTechnol,2021,10(05):1694-1700[张兴,阮鹏,张柳丽,等. 用分析.储能科学与技术,2021,10(05):1694- 20TuWC,LiWY,ZhangQ,etal．Engineeringapplicationofflywheelenergystorageinpowersystem(inChinese).EnergyStorSci 2020,9(03):869-877[涂伟超,李文艳,张强,等.飞轮储能在电力系统的工程应用.储能科学与技术,2020,9(03):869- 21ZhangC,TsengKJ.Anovelflywheelenergystoragesystemwithpartially-self-bearingflywheel-rotor.IEEETransEnergyConvers, 22(2):477- 中国科学:技术科 2023年第53卷第12322LiuH,JiangJ.Flywheelenergystorage—Anupswingtechnologyforenergysustainability.EnergyBuild,2014,39(5):599-23HofmannH,SandersSR.Synchronousreluctancemotor/alternatorforflywheelenergystoragesystems,In:ProceedingsofConferenceonPowerElectronicsinTransportation,Dearborn,USA,1996,199-24KaleV,SecanellM.Acomparativestudybetweenoptimalmetalandcompositerotorsforflywheelenergystoragesystems.Energy 2018,4:576-25AraniAAK,KaramiH,GharehpetianGB,etal.ReviewofFlywheelEnergyStorageSystemsstructuresandapplicationsinpowerandmicrogrids.RenewSustEnergRev,2017,69:9-26ContehMA,NsoforEC.Compositeflywheelmaterialdesignforhigh-speedenergystorage.JApplResTechnol,2016,14(3):184-27FarajiF,MajaziA,Al-HaddadK.Acomprehensivereviewofflywheelenergystoragesystemtechnology.RenewSustEnergRev,2017, 477-28ZhangXB,ChuJW,LiHL,etal.Keytechnologiesofflywheelenergystoragesystemsandcurrentdevelopmentstatus(inEnergyStorSciTechnol.2015,4(1):55-60[张新宾,储江伟,李洪亮,等.飞轮储能系统关键技术及其研究现状.储能科学与技术2015,4(1):55-29ŠonskýJ,TesařV.Designofastabilisedflywheelunitforefficientenergystorage.JEnergyStorage,2019,24:30WenT,XiangB,ZhangS.Optimalcontrolforhybridmagneticallysuspendedflywheelrotorbasedonstatefeedbackexact model.SciProg,2020,103(3):6994- 31Pena-AlzolaR,SebastiánR,QuesadaJ,etal.Reviewofflywheelbasedenergystoragesystems.In:ProceedingsofIEEEConferencePowerEngineering,EnergyandElectricalDrives,Torremolinos,Spain,2011,1-32ArghandehR,PipattanasompornM,RahmanS.Flywheelenergystoragesystemsforride-throughapplicationsinafacilitymicrogrid. TransSmartGrid,2012,3(4):1955-33SunM,XuYandZhangW,Multiphysicsanalysisofflywheelenergystoragesystembasedoncupwindingpermanentmagnetmachine,IEEETransEnergyConvers,2023,inpress,doi:34ZangBandChenY,Multiobjectiveoptimizationandmultiphysicsdesignofa5MWhigh-speedIPMSMusedinFESSbasedonNSGA-IEEETransEnergyConvers,2023,38(2):813-35VijayakumarK,KarthikeyanR,ParamasivamS,etal.SwitchedReluctanceMotorModeling,Design,Simulation,andAnalysis:ComprehensiveReview.IEEETransMagn,2009,44(12):4605-36HoCY,WangJC,HuKW,etal.Developmentandoperationcontrolofaswitched-reluctancemotordrivenflywheel.IEEETrans Electron,2018,34(1):526-37CimucaG,BrebanS,RadulescuMM,etal.Designandcontrolstrategiesofaninduction-machine-basedflywheelenergystorageassociatedtoavariable-speedwindgenerator.IEEETransEnergyConvers,2010,25(2):526-38SoomroA,AmiryarME,PullenKR,etal.Comparisonofperformanceandcontrollingschemesofsynchronousandinductionusedinflywheelenergystoragesystems.EnergyProcedia,2018,151:100-39KhodadoostAraniAA,ZakerB,GharehpetianGB.Inductionmachine-basedflywheelenergystoragesystemmodelingandcontrolfrequencyregulationaftermicro-gridislanding.IntTransElectrEnergySyst,2017,27(9):40GurumurthyS,AgarwalV,SharmaA.High-EfficiencyBidirectionalConverterforFlywheelEnergyStorageApplication.IEEETrans Electron,2016,63(9):5477- 41GurumurthySR,AgarwalV,SharmaA.Anoveldual-windingBLDCgenerator–buckconvertercombinationforenhancementof harvestedenergyfromaflywheel.IEEETransIndElectron,2016,63(12):7563- 42ChangX,LiY,ZhangW,etal.Activedisturbancerejectioncontrolforaflywheelenergystoragesystem.IEEETransIndElectron, 62(2):991- 43NagornyAS,DravidNV,JansenRH,etal.Designaspectsofahighspeedpermanentmagnetsynchronousmotor/generatorfor applications,In:ProceedingsofIEEEConferenceonElectricMachinesandDrives,SanAntonio,USA,2005,635- 44CaoH,KouB,ZhangD,etal.Researchonlossofhighspeedpermanentmagnetsynchronousmotorforflywheelenergystorage, ProceedingsofIEEEConferenceonElectromagneticLaunchTechnology,Beijing,China,2012,1- 45SoughML,DepernetD,DubasF,etal.PMSMandinvertersizingcompromiseappliedtoflywheelforrailwayapplication,In: ofIEEEConferenceonVehiclePowerandPropulsionConference,Lille,France,2010,1- 46AkbariR,IzadianA.Modelingandcontrolofflywheel-integratedgeneratorsinsplit-shaftwindturbines.JSolEnergyEng,2022, 1- 47XuS,WangH.Simulationandanalysisofback-to-backPWMconverterforflywheelenergystoragesystem,In:Proceedingsof 李佳玉等:23ConferenceonElectricalMachinesandSystems,Sapporo,Japan,2012,1-48GhanaatianM,LotfifardS.Controlofflywheelenergystoragesystemsinthepresenceofuncertainties.IEEETransSustainEnergy, 10(1):36-49ChenYL,YangJQ,ZhangX.ADischargeStrategyforFlywheelEnergyStorageSystemsBasedonFeedforwardCompensationObservedTotalDissipativePowerandRotationalSpeed(inChinese).ProcCSEE,2020,40(7):2358-2368[陈云龙,杨家强,张翔.计及总损耗功率估计与转速前馈补偿的飞轮储能系统放电控制策略.中国电机工程学报,2020,40(7):2358-50ZhangJW,WangYH,LiuGC,etal.Areviewofcontrolstrategiesforflywheelenergystoragesystemandacasestudywithconverter.EnergyRep,2022,8:3948-51XiangB,WangX,WongWO.Processcontrolofcharginganddischargingofmagneticallysuspendedflywheelenergystoragesystem. EnergyStorage,2022,47: 52ZhangX,YangJ.ADC-linkvoltagefastcontrolstrategyforhigh-speedPMSM/Ginflywheelenergystoragesystem.IEEETransInd 2018,54(2):1671-53QuX,TianL,LiJ,etal.Researchoncharginganddischargingstrategiesofregenerativebrakingenergyrecoverysystemforflywheel,In:ProceedingsofIEEEConferenceonEnergyandElectricalEngineeringSymposium,Chengdu,China,2021,1087-54WangW,LiY,ShiM,etal.Optimizationandcontrolofbattery-flywheelcompoundenergystoragesystemduringanelectric braking.Energy,2021,226: 55WangL,DuXQ,SongYD.NeuronAdaptivePIDControlAlgorithmWithApplicationtoFlywheelEnergyStorageSystemUnitChinese).PowerSystTechnol,2014,38(1):74-79[王磊,杜晓强,宋永端.用于飞轮储能单元的神经元自适应比例-积分-法.电网技术,2014,38(1):74-56LiZR,NieZL,AiS,etal.Anoptimizedchargingcontrolstrategyforflywheelenergystoragesystembasedonnonlinearobserver(inChinese).TransChinaElectrotechnicalSociety,2023,38(06):1506-1518[李忠瑞,聂子玲,艾胜等.测器的飞轮储能系统优化充电控制策略.电工技术学报,2023,38(06):1506-57MirAS,SenroyN.Intelligentlycontrolledflywheelstorageforenhanceddynamicperformance.IEEETransSustainEnergy,2018, 2163-58Abdel-KhalikA,ElserougiA,MassoudA,etal.Apowercontrolstrategyforflywheeldoubly-fedinductionmachinestoragesystemartificialneuralnetwork.ElectrPowerRysRes,2013,96:267-59HasanienHM,Tostado-VélizM,TurkyRA,etal.Hybridadaptivecontrolledflywheelenergystorageunitsfortransientimprovementofwindfarms.JEnergyStorage,2022,54:60TangXS,LiuWJ,ZhouL,etal.Flywheelarrayenergystoragesystem(inChinese).EnergyStorSciTechnol,2013,2(3):208-221[胜,刘文军,周龙,等.飞轮阵列储能系统的研究.储能科学与技术,2013,2(3):208-61GuoW,ZhangJC,LiC,etal.Controlmethodofflywheelenergystoragearrayforgrid-connectedwind-storagemicrogrid(inEnergyStorSciTechnol,2018,7(5):810-814[郭伟,张建成,李翀,等.针对并网型风储微网的飞轮储能阵列系统控制方法.学与技术,2018,7(5):810-62ChenYL,WuX,TengW,etal.PowerCoordinatedControlStrategyofFlywheelEnergyStorageArrayforWindPowerSmoothingChinese).EnergyStorSciTechnol,2022,11(2):600-608[陈玉龙,武鑫,滕伟,等.策略.储能科学与技术,2022,11(2):600-63JinChenhui,JiangXinjian,DaiXingjian,etal.Coordinatedcontrolstrategyofflywheelenergystoragearrayformicro-grid(inEnergyStorSciTechnol,2018,7(5):834-840[金辰晖,姜新建,戴兴建.微电网飞轮储能阵列协调控制策略研究.储能科学与技术2018,7(5):834-64LaiJ,SongY,DuX.Hierarchicalcoordinatedcontrolofflywheelenergystoragematrixsystemsforwindfarms.IEEEASME Mechatron,2017,23(1):48- 65CaoQ,SongYD,GuerreroJM,etal.Coordinatedcontrolforflywheelenergystoragematrixsystemsforwindfarmbased charging/dischargingratioconsensusalgorithms.IEEETransSmartGrid,2015,7(3):1259- 66ZhaoJQ,ZhangJC,SongZX,etal.DistributedCoordinatedControlStrategyBasedonFlywheelEnergyStorageArraySystem Chinese).JNorthChinaElectrPowerUniv,2018,45(6):28-34[赵霁晴,张建成,宋兆鑫,等. 制策略.华北电力大学学报:自然科学版,2018,45(6):28- 67LiuH,GaoH,GuoS,etal.Coordinationofaflywheelenergystoragematrixsystem:Anexternalmodelapproach.IEEEAccess,2021, 34475- 68GaoH,LiW,CaiH.Distributedcontrolofaflywheelenergystoragesystemsubjecttounreliablecommunicationnetwork.Energy 123 2022,8:11729-

中国科学:技术科 2023年第53卷第1 69LinX,ZamoraR.Controlsofhybridenergystoragesystemsinmicrogrids:Criticalreview,casestudyandfuturetrends.JEnergy 2022,47:70ManandharU,UkilA,GooiHB,etal.Energymanagementandcontrolforgridconnectedhybridenergystoragesystemunderoperatingmodes.IEEETransSmartGrid,2017,10(2):1626-71HanJM,XueFY,LiangSY,etal.Hybridenergystoragesystemassistedfrequencymodulationsimulationofcoal-firedunitundercontroloptimization(inChinese).EnergyStorSciTechnol,2022,11(07):2188-2196[韩健民,薛飞宇,梁双印,等.合储能系统辅助燃煤机组调频仿真.储能科学与技术,2022,11(07):2188-72HeJ,ShiC,WeiT,etal.StochasticModelPredictiveControlofHybridEnergyStorageforImprovingAGCPerformanceofGenerators.IEEETransSmartGrid,2021,13(1):393-73JavanmardiH,DehghaniM,MohammadiM,etal.OptimalfrequencyregulationinACmobilepowergridsexploitingbilinearinequalities.IEEETransTranspElectrification,2021,7(4):2464-74JainS,HoteYV.Generalizedactivedisturbancerejectioncontrollerdesign:Applicationtohybridmicrogridwithcommunicationdelay.JElectrPowerEnergySyst,2021,132:75HouJ,SongZ,HofmannHF,etal.Controlstrategyforbattery/flywheelhybridenergystorageinelectricshipboardmicrogrids. TransIndInform,2020,17(2):1089- 76AraniAAK,GharehpetianGB,AbediM.Anovelcontrolmethodbasedondroopforcooperationofflywheelandbatteryenergysystemsinislandedmicrogrids.IEEESystJ,2019,14(1):1080-77AbazariA,MonsefH,WuB.CoordinationstrategiesofdistributedenergyresourcesincludingFESS,DEG,FCandWTGinloadcontrol(LFC)schemeofhybridisolatedmicro-grid.IntJElectrPowerEnergySyst,2019,109:535-78PanI,DasS.FractionalorderAGCfordistributedenergyresourcesusingrobustoptimization.IEE