1.引言
　　
近年来，随着全球经济发展对电力的需求的增长和电力企业市场化改革的推行，电力系统的运行和需求正在发生巨大的变化，一些新的矛盾日益突现：（1）系统装机容量难以满足峰值负荷的需求。（2）现有电网在输电能力方面落后于用户的需求。（3）复杂大电网受到扰动后的安全稳定性问题日益突出。（4）用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高，等等。

加强电网建设（新建输电线路和常规发电厂），努力保证在满足系统安全稳定运行的前提下向用户可靠的输送电能。但是，由于经济、环境、技术以及政策等方面因素的制约，电网发展难以快速跟上用户负荷需求增长的步伐，同时电网在其规模化发展过程中不可避免的会在一段时间甚至长期存在结构上的不合理问题；另一方面，随着电力企业的重组，为了获得最大利益，企业通常首先选择的尽可能提高设备利用率，而不是投资建设新的输电线路和发电厂。因此，单靠上述常规手段难以在短期内有效的扭转电力供需不平衡状况和电力系统稳定性问题。由于飞轮储能系统与其它储能技术相比较具有电力的输入输出快速，效率高，维护简单，寿命长，占地面积小，可以分散设置，无公害等优点，所以飞轮储能系统在现代电力系统中应用有着巨大的吸引力。

2.飞轮储能系统的构成
　　
通常飞轮储能系统由一部双馈电机、飞轮和用作交流励磁电源的电压源型双脉冲宽度调制变频器组成。其中飞轮与电机转子固定连接在一起，飞轮储能系统中电能与机械能之间的转换是以电机及其控制为核心来实现的。飞能储能装置中的电机需具有以下特点，较大的转矩和输出功率，较长的稳定使用寿命，空载损耗极低，能量转换效率高，能适应大范围速度变化。双馈电机采用定子磁场定向矢量控制，可快速控制电机输出转矩和转速，并可四象限运行，具有良好的动态性能等优点，因此经常在飞轮储能系统中得到广泛应用。双馈电机的励磁控制一般采用定子磁链定向控制，然而在实际情况中，潮流的变化、电网的扰动及电机本身的功率调节行为使机端电压发生波动，因而定子的磁链将不能保持恒定，dq轴上的分量存在交叉耦合，控制系统的性能将会恶化甚至失去稳定。采用改进后的定子磁链定向控制，可以得到满意的效果。

采用改进后的定子磁链定向控制的主要优点是能在几乎不增加控制系统复杂性和实现难度情况下使系统在电网电压非恒定条件下的控制性能明显改善，尤其使电机闭环控制系统的稳定性的得到明显提高。

 由于飞轮储能系统没有原动机，它只能通过调节电机转子的转速实现有功功率的调节。飞轮储能系统并网运行时，定子侧与电网相连，转子通过电压源型双脉冲宽度调制变频器与电网相连，因此电机的定子和转子都可以与电网交换功率。定子回路和转子回路的功率差即为转机械功率的增加量。当转子机械功率的增加量大于0时，飞轮储能系统从电网吸收功率，转子转速增加，飞轮储能系统处于储能状态；当转子机械功率的增加量小于0时，飞轮储能系统向电网释放功率，转子转速减小，飞轮储能系统处于发电状态；当转子机械功率的增加量等于时，飞轮储能系统与电网之间没有有功功率的交换，转子转速不变，但此时可以进行无功功率的调节，飞轮储能系统处于调相状态。另一方面，根据转差率s的大小，又可以将飞轮储能系统分为同步运行状态（s=0）、亚同步运行状态（0<s<1）和超同步运行状态（s<0）。

 综合以上两类运行状态，可以将飞轮储能系统的运行方式分为亚同步储能、亚同步发电、超同步储能、超同步发电和调相等5种运行状态。飞轮储能系统和电力系统之间的有功功率传递关系如表1所示（其中s1、s2分为转差的上下限）。

表1飞轮储能系统与电力系统之间的有功功率传递关系
Tab.1Powerexchangingbetweenflywheelenergysystemandpowersystematdifferentstates
                                             　  

        3.飞轮储能系统在现代电力系统中的应用
　　
3.1提高电力系统稳定性

我国电力系统正在逐步实现全国联合大电网。根据国外的经验，这样的大型联合电力系统很容易发生弱阻尼低频机电振荡稳定问题，其振荡频率分布在0.2HZ—2.5HZ之间，如果在系统振荡上没有合适的阻尼，振荡可能持续几分钟并发展直到系统解列。因此，研究电力系统稳定性问题，特别是小干扰稳定性问题是一个重大而迫切的课题[9]。电力工程界多年的研究和实践表明在某些发电机的励磁系统上加装电力系统稳定器（PSS）是抑制低频振荡的一种经济有效的方法。其基本原理是采用适当的反馈信号，通过有效的相位补偿环节，产生与机组转子摇摆中的阻尼分量相位一致的阻尼转矩。实践证明，PSS的使用，对电力系统中局部振荡模式的抑制非常有效。但是对于大型电力系统，存在非常复杂的振荡模式，有的振荡模式可能可能与局部振荡相差甚远。这些复杂的振荡模式有时会给传统的PSS的有效性带来不利影响，严重时甚至不能正常工作。PSS必须通过发电机励磁控制装置才能使用，其使用地点有时会受到限制，而且，PSS的参数整定与需要补偿的相位有关，而这常常是因系统而异的，这些缺点也会在一定程度上限制它的灵活使用。近年来利用飞能储能系统来抑制低频振荡受到研究者的广泛关注，利用飞能储能系统抑制低频振荡，提高小干扰稳定性，具有现实的意义。

功率平衡是电力系统稳定运行的基础。一旦因为故障引起功率严重失衡，系统就可能失去稳定，导致大面积停电事故，造成重大的经济损失和严重的社会影响。为了解决这个问题，传统的方法是使用继电保护和安全稳定控制装置，在系统故障时进行切机、切负荷或系统解列等操作，以尽量缓解系统中由于故障引起的功率不平衡问题。这类控制装置常常根据事先通过大量离线计算得到的事故处理表进行处理，因此不可能完全符合故障发生时系统的实际情况，当然也不一定能够完全补偿因故障引起的不平衡功率。我们将这种稳定控制措施称为被动致稳。如果能够研究出这样的装置，它能够在线实时感受系统的不平衡功率，同时进行闭环控制对不平衡功率进行补偿调节，就有可能完全解决由于故障后的功率失衡给电力系统稳定性带来的问题。我们将这种稳定控制措施称为主动致稳。实现主动致稳的主要方法是将各种储能技术用于电力系统稳定性控制，目前研究得较多的是超导磁储能装置（SMES）。SMES单元由一个置于低温环境的超导线圈组成，低温由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供；由电力电子器件构成的功率变换／调节系统将SMES单元与交流电力系统相连接，并且可以根据电力系统的需要对储能线圈进行充放电。SMES装置具有快速电磁响应特性和很高的储能效率，但造价昂贵，除了超导体本身的费用外，维持低温所需要的费用也相当可观。更重要的是，SMES装置与电力系统现有的各种设备的设计、运行和维护都有很大的不同，这也影响了它在电力系统中的应用和推广。按照主动致稳的思路，将飞轮储能系统用于电力系统稳定性控制。飞轮储能系统具有储能、发电、调相等多种功能，而且便于分散安装，将其用于电力系统稳定性控制，可实现有功功率和无功功率同时双向大范围快速调节，增强电力系统的稳定性。

3.2在电力系统调峰中的应用

随着国民经济的高度发展，使得电力供应和需求的矛盾日益加剧，电力需求的特点是昼夜变化很大，巨大的峰谷差表现为峰期电力紧张而谷期电力过剩，这对电力系统运行的经济性影响很大。所以电力调峰是电力系统必须要充分考虑的重要问题。将飞轮储能系统应用于电力系统调峰，当电网负荷处于低谷时，飞轮机组作为电动机运行，把电能转换为飞轮动能；在用电高峰时，飞轮机组作为发电机运行，将飞轮动能转化为电能返回系统，从而起到平衡电网负荷的作用。飞轮储能系统用于电力调峰时要有较大的储能容量，这与用于系统稳定是情形不同。

目前广泛使用抽水蓄能电站进行调峰。这种储能方式具有技术成熟、储能大、储能时间长等优势，但是受到地理因素影响大，破坏环境，有时需要距离输电等。由于飞轮储能系统有能量输入欧输出快捷，可就近分散放置，不污染、不损坏环境的特点，所以飞轮储能系统应用与电力系统调峰更具有优势。

3.3提高电能质量和供电可靠性

近年来,电能质量问题越来越受到人们的关注，用户对供电质量的要求越来越高，要求

供电电压幅值变化、波形畸变率以及年停电次数在一个很小的范围内。目前，配电系统电可靠性和电能质量方面还不能满足用户对电能质量的要求，配电网正常运行时，由于负荷峰谷差以及大负荷的投切等原因电压偏移经常超过10%额定电压，这会给很多用户的用电设备

造成危害；当系统发生故障时，即使重合闸成功停电时间也在0.5—1.5秒之间，对于那些采用计算机控制的自动化生产线和精密加工等行业，停电将造成巨大的经济损失。重合成功后，大批异步电动机同时启动加速，造成配电系统有功无功严重缺乏，从而引起供电系统发生电

压跌落现象。此时，单纯依靠无功补偿设备已经无法解决供电质量问题，必须同时采用电能

存储设备向配电网输送有功功率。

分布式飞轮储能系统能在短时间内向配电网输送有功功率，可以有效的缓解负荷大幅度突变对配电系统造成的压力，同时还可抑制电压波动和电压跌落现象。分布式飞轮储能系统应用于电力系统的配电网还可以对电压和波形质量进行严格的监视和控制，对提高电能质量和供电可靠性具有重要的作用。

　4.结论
　　
在现代电力系统中，由于复杂大电网受到扰动后的安全稳定性问题日益突出，用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高等一些新的矛盾日益突现情况，单靠常规手段难以在短期内有效的扭转电力供需不平衡的状况和电力系统稳定性问题。本文简单介绍一种新型储能系统——飞轮储能系统用于电力系统的稳定性，负荷调峰，电能质量和供电可靠性中，取得良好的效果。

          责任编辑：尕刺