飛輪儲能依靠飛輪旋轉(zhuǎn)時存儲的動能，飛輪的動能由下式?jīng)Q定

式中：T為飛輪轉(zhuǎn)動的動能；J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；ω為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。

飛輪轉(zhuǎn)動時的動能T與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J成正比，與飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度平方成正比。如何選擇合適的飛輪結(jié)構(gòu)與角速度呢，下面先看一下飛輪的轉(zhuǎn)動慣量由什么決定。

飛輪為圓柱形結(jié)構(gòu)或空心圓柱結(jié)構(gòu)，圖2是這兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量。

圖中J為轉(zhuǎn)動慣量；m為質(zhì)量；R為圓柱半徑；r為通孔半徑

不管采用哪種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量成正比，與直徑平方成正比，在相同質(zhì)量下，直徑增加一倍，轉(zhuǎn)動慣量增加4倍，為得到較大的轉(zhuǎn)動慣量J ，要采用大直徑和大質(zhì)量的飛輪。

大家知道物體旋轉(zhuǎn)的離心力與半徑成正比，大直徑飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時，將會產(chǎn)生極大的離心力，若超過飛輪材料的極限強度，將是極不安全的。根據(jù)原材料強度，飛輪最大旋轉(zhuǎn)速度，飛輪質(zhì)量來選擇飛輪的直徑。如果慣量還不夠時，可增加飛輪的厚度。實際上要在增加飛輪的慣量與角速度2個方面來設(shè)計飛輪。一般來說，小儲能量的系統(tǒng)多采用小直徑，厚的飛輪，高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速在10000~40000rpm）（rpm是每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)），大儲能量的系統(tǒng)多采用大直徑的飛輪，轉(zhuǎn)速略低（轉(zhuǎn)速在10000rpm以下）。

在儲能時，電能驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪加速轉(zhuǎn)動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉(zhuǎn)換的儲存能量過程，當(dāng)飛輪達(dá)到額定高轉(zhuǎn)速，能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中。待需要放電時高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動電機發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)換成電能。圖3是飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

飛輪儲能系統(tǒng)主要由飛輪、電機/發(fā)電機、密封殼體、真空泵、飛輪儲能變流器組成。實現(xiàn)飛輪儲能，飛輪要有較大的慣量，飛輪旋轉(zhuǎn)速度要快。所以飛輪要有較大的質(zhì)量，較大的半徑，高轉(zhuǎn)速。飛輪儲能采用的電機根據(jù)需要可作為電動機或發(fā)電機使用；為了減小飛輪旋轉(zhuǎn)的阻力，飛輪與電機安裝在密閉的機殼內(nèi)，通過真空泵將殼內(nèi)抽成真空。為了減小高速旋轉(zhuǎn)引起的軸承磨損與阻力，軸承采用磁懸浮軸承。儲能變流器主要由電力電力電子器件與控制器組成，儲能時將外電源轉(zhuǎn)換成電機需要的電源驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，釋放能量時將電機發(fā)出的電轉(zhuǎn)換成外部需要的電能輸送出去。

有關(guān)飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制見飛輪儲能單元的結(jié)構(gòu)與飛輪儲能變流器。

• 飛輪儲能有很高可靠性，平均無故障時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于化學(xué)電池
• 深度循環(huán)充放電超百萬次，儲能量不受放電次數(shù)影響，運行壽命可達(dá)20年以上
• 響應(yīng)速度快，達(dá)到了毫秒級
• 對工作環(huán)境溫度不敏感，環(huán)境溫度適應(yīng)性強
• 轉(zhuǎn)換效率＞95%，磁懸浮軸承和真空環(huán)境下機械損耗極小，維護量低
• 綠色環(huán)保，不會產(chǎn)生固體與氣體廢棄物
• 退役飛輪電池可直接回收利用，殘值高，二次回收成本低

能量密度較低，自放電率高，飛輪達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后依然需要供電維持轉(zhuǎn)速，盡管電量很小，但時間長了還是可觀的。如停止供電，能量在幾到幾十個小時內(nèi)就會自行耗盡（飛輪停轉(zhuǎn)）。

飛輪儲能因其功率密度高、響應(yīng)快、效率高、壽命長和無污染的優(yōu)勢，但是自放電率高，使它只適合高頻次應(yīng)用場合。典型應(yīng)用包括軌道交通、電網(wǎng)調(diào)頻等，下面就在城市軌道交通（地鐵）的應(yīng)用作簡單介紹。

地鐵車站間距小，高峰期列車行車間隔短，造成列車在運行過程中頻繁啟動和制動。在牽引能耗部分中，制動損失能量大約占據(jù)30～60%，傳統(tǒng)方式通過制動電阻直接吸收這些能量，方法簡便，但會產(chǎn)生能量浪費和隧道溫升等問題。采用儲能型再生制動能量回收技術(shù)可將制動損失能量進行回收，可分為地面儲能系統(tǒng)和車載儲能系統(tǒng)，其中地面儲能系統(tǒng)安裝于車站牽引變電所，而車載儲能系統(tǒng)安裝于列車上。

由于飛輪儲能系統(tǒng)具有較大的重量，飛輪也不適合在頻繁轉(zhuǎn)動與振動的環(huán)境運轉(zhuǎn)，不適于車載應(yīng)用，飛輪安裝在車站牽引變電所。 地鐵列車行駛需要的直流電能靠牽引變電所中的地鐵牽引供電系統(tǒng)提供。

整個牽引供電系統(tǒng)由交流和直流兩部分構(gòu)成，其中交流部分主要包括外部高壓供電網(wǎng)絡(luò)和主變電所，外部高壓電源一般為 110kV，屬于電力部門主管。直流部分包括牽引變電所（牽引用電）和降壓變電所（非牽引用電）、直流供電分區(qū)等，屬于交通運營部門主管。

主變電所內(nèi)安裝有降壓變壓器，將外部高壓電源的三相交流電進行降壓，生成?35kV?或者 10kV?的電壓等級，然后將降壓后的電能傳輸至牽引變電所或降壓變電所。 圖4是地鐵牽引變電所的主電路示意圖，圖中有2個牽引變電所，向接觸網(wǎng)分段供電。

牽引變電所有牽引整流變壓器，對 35kV 或者 10kV 等級的電壓進一步降壓，該變壓器是特殊設(shè)計的，與牽引整流器配合將三相交流電整流成12脈波（或24脈波）的直流電，為列車提供小紋波的直流電源，通過牽引供電網(wǎng)為地鐵車輛供電。牽引供電網(wǎng)（接觸網(wǎng)）由鐵軌（回流軌）與架空接觸網(wǎng)組成供電回路，750V也有采用鐵軌與接觸軌組成供電回路。
目前我國城市軌道交通使用的直流牽引供電網(wǎng)的供電額定電壓分別為直流750V和直流?1500V?兩種制式。

飛輪儲能電能回收裝置通過正負(fù)極母線與牽引供電網(wǎng)連接。當(dāng)列車進站制動時，回收列車再生制動轉(zhuǎn)化的電能；當(dāng)列車出站時，釋放存儲的電能到牽引供電網(wǎng)。飛輪儲能電能回收裝置的工作狀態(tài)分為充電工作狀態(tài)、維持工作狀態(tài)和放電工作狀態(tài)，根據(jù)牽引變電所直流母線電壓值自動響應(yīng)其所處的工作狀態(tài)。圖5是安裝了飛輪儲能系統(tǒng)的牽引變電所主電路示意圖，左圖是飛輪放電工作狀態(tài)，右圖是飛輪充電工作狀態(tài)。

在分析電路工作狀態(tài)使用的符號有：U1-沒有列車運行牽引網(wǎng)空載時直流母線電壓， U2-實測直流母線電壓，a-設(shè)定偏差值。

列車進站制動時，列車電動機轉(zhuǎn)變成發(fā)電機，將動能轉(zhuǎn)變成電能輸送到接觸網(wǎng)，到變電所直流母線，此時實測直流母線電壓U2超過閾值U1+a時，驅(qū)動飛輪儲能變流器將牽引網(wǎng)直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪電機所需的交流電，驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)速升高，將電能轉(zhuǎn)化為機械能并存儲。充電功率隨直流母線電壓不斷升高而增大，直至達(dá)到飛輪100% 充電功率。電流走向見圖5右圖藍(lán)色虛線箭頭線。

列車啟動離站時，列車電機啟動電流大，導(dǎo)致牽引變電所直流母線電壓降低，當(dāng)直流母線電壓U2低于閾值U1-a時，飛輪轉(zhuǎn)為發(fā)電方式（動能變電能），發(fā)出電能經(jīng)儲能變流器把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡答伒綘恳W(wǎng)中，電流走向見圖5左圖紅色虛線箭頭線。飛輪達(dá)到 100% 放電功率后，列車轉(zhuǎn)為牽引整流器供電運行。

當(dāng)牽引變電所直流母線電壓處在閾值U1-a 和閾值U1+a 之間時，飛輪處在維持轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)。當(dāng)牽引變電所直流母線電壓達(dá)到某個閾值時，飛輪儲能電能回收裝置可以及時調(diào)整為充電或放電工作狀態(tài)。
充放電閾值是控制飛輪儲能電能回收裝置充放電模式、充放電功率的主要參數(shù)。由于外部電網(wǎng)負(fù)荷影響，在不同時間段內(nèi)10 kV 中壓網(wǎng)絡(luò)電壓會出現(xiàn)波動，導(dǎo)致直流母線電壓U1波動，所以在測定牽引網(wǎng)空載電壓U1時，還要增加對交流母線的電壓檢測作參考。

飛輪儲能變流器的簡單工作原理見飛輪儲能變流器課件。