飞轮储能依靠飞轮旋转时存储的动能，飞轮的动能由下式决定

式中：T为飞轮转动的动能；J为飞轮的转动惯量；ω为飞轮旋转的角速度。

飞轮转动时的动能T与飞轮的转动惯量J成正比，与飞轮旋转的角速度平方成正比。如何选择合适的飞轮结构与角速度呢，下面先看一下飞轮的转动惯量由什么决定。

飞轮为圆柱形结构或空心圆柱结构，图2是这两种结构的转动惯量。

图中J为转动惯量；m为质量；R为圆柱半径；r为通孔半径

不管采用哪种结构，转动惯量与质量成正比，与直径平方成正比，在相同质量下，直径增加一倍，转动惯量增加4倍，为得到较大的转动惯量J ，要采用大直径和大质量的飞轮。

大家知道物体旋转的离心力与半径成正比，大直径飞轮在高速旋转时，将会产生极大的离心力，若超过飞轮材料的极限强度，将是极不安全的。根据原材料强度，飞轮最大旋转速度，飞轮质量来选择飞轮的直径。如果惯量还不够时，可增加飞轮的厚度。实际上要在增加飞轮的惯量与角速度2个方面来设计飞轮。一般来说，小储能量的系统多采用小直径，厚的飞轮，高速旋转（转速在10000~40000rpm）（rpm是每分钟转数），大储能量的系统多采用大直径的飞轮，转速略低（转速在10000rpm以下）。

在储能时，电能驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，当飞轮达到额定高转速，能量储存在高速旋转的飞轮体中。待需要放电时高速旋转的飞轮拖动电机发电，将机械能转换成电能。图3是飞轮储能系统结构示意图。

飞轮储能系统主要由飞轮、电机/发电机、密封壳体、真空泵、飞轮储能变流器组成。实现飞轮储能，飞轮要有较大的惯量，飞轮旋转速度要快。所以飞轮要有较大的质量，较大的半径，高转速。飞轮储能采用的电机根据需要可作为电动机或发电机使用；为了减小飞轮旋转的阻力，飞轮与电机安装在密闭的机壳内，通过真空泵将壳内抽成真空。为了减小高速旋转引起的轴承磨损与阻力，轴承采用磁悬浮轴承。储能变流器主要由电力电力电子器件与控制器组成，储能时将外电源转换成电机需要的电源驱动电机旋转，释放能量时将电机发出的电转换成外部需要的电能输送出去。

有关飞轮储能系统的结构与控制见飞轮储能单元的结构与飞轮储能变流器。

• 飞轮储能有很高可靠性，平均无故障时间远远大于化学电池
• 深度循环充放电超百万次，储能量不受放电次数影响，运行寿命可达20年以上
• 响应速度快，达到了毫秒级
• 对工作环境温度不敏感，环境温度适应性强
• 转换效率＞95%，磁悬浮轴承和真空环境下机械损耗极小，维护量低
• 绿色环保，不会产生固体与气体废弃物
• 退役飞轮电池可直接回收利用，残值高，二次回收成本低

能量密度较低，自放电率高，飞轮达到额定转速后依然需要供电维持转速，尽管电量很小，但时间长了还是可观的。如停止供电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽（飞轮停转）。

飞轮储能因其功率密度高、响应快、效率高、寿命长和无污染的优势，但是自放电率高，使它只适合高频次应用场合。典型应用包括轨道交通、电网调频等，下面就在城市轨道交通（地铁）的应用作简单介绍。

地铁车站间距小，高峰期列车行车间隔短，造成列车在运行过程中频繁启动和制动。在牵引能耗部分中，制动损失能量大约占据30～60%，传统方式通过制动电阻直接吸收这些能量，方法简便，但会产生能量浪费和隧道温升等问题。采用储能型再生制动能量回收技术可将制动损失能量进行回收，可分为地面储能系统和车载储能系统，其中地面储能系统安装于车站牵引变电所，而车载储能系统安装于列车上。

由于飞轮储能系统具有较大的重量，飞轮也不适合在频繁转动与振动的环境运转，不适于车载应用，飞轮安装在车站牵引变电所。 地铁列车行驶需要的直流电能靠牵引变电所中的地铁牵引供电系统提供。

整个牵引供电系统由交流和直流两部分构成，其中交流部分主要包括外部高压供电网络和主变电所，外部高压电源一般为 110kV，属于电力部门主管。直流部分包括牵引变电所（牵引用电）和降压变电所（非牵引用电）、直流供电分区等，属于交通运营部门主管。

主变电所内安装有降压变压器，将外部高压电源的三相交流电进行降压，生成 35kV 或者 10kV 的电压等级，然后将降压后的电能传输至牵引变电所或降压变电所。 图4是地铁牵引变电所的主电路示意图，图中有2个牵引变电所，向接触网分段供电。

牵引变电所有牵引整流变压器，对 35kV 或者 10kV 等级的电压进一步降压，该变压器是特殊设计的，与牵引整流器配合将三相交流电整流成12脉波（或24脉波）的直流电，为列车提供小纹波的直流电源，通过牵引供电网为地铁车辆供电。牵引供电网（接触网）由铁轨（回流轨）与架空接触网组成供电回路，750V也有采用铁轨与接触轨组成供电回路。
目前我国城市轨道交通使用的直流牵引供电网的供电额定电压分别为直流750V和直流 1500V 两种制式。

飞轮储能电能回收装置通过正负极母线与牵引供电网连接。当列车进站制动时，回收列车再生制动转化的电能；当列车出站时，释放存储的电能到牵引供电网。飞轮储能电能回收装置的工作状态分为充电工作状态、维持工作状态和放电工作状态，根据牵引变电所直流母线电压值自动响应其所处的工作状态。图5是安装了飞轮储能系统的牵引变电所主电路示意图，左图是飞轮放电工作状态，右图是飞轮充电工作状态。

在分析电路工作状态使用的符号有：U1-没有列车运行牵引网空载时直流母线电压， U2-实测直流母线电压，a-设定偏差值。

列车进站制动时，列车电动机转变成发电机，将动能转变成电能输送到接触网，到变电所直流母线，此时实测直流母线电压U2超过阈值U1+a时，驱动飞轮储能变流器将牵引网直流电转变为飞轮电机所需的交流电，驱动飞轮转速升高，将电能转化为机械能并存储。充电功率随直流母线电压不断升高而增大，直至达到飞轮100% 充电功率。电流走向见图5右图蓝色虚线箭头线。

列车启动离站时，列车电机启动电流大，导致牵引变电所直流母线电压降低，当直流母线电压U2低于阈值U1-a时，飞轮转为发电方式（动能变电能），发出电能经储能变流器把交流电转变为直流电，反馈到牵引网中，电流走向见图5左图红色虚线箭头线。飞轮达到 100% 放电功率后，列车转为牵引整流器供电运行。

当牵引变电所直流母线电压处在阈值U1-a 和阈值U1+a 之间时，飞轮处在维持转速工作状态。当牵引变电所直流母线电压达到某个阈值时，飞轮储能电能回收装置可以及时调整为充电或放电工作状态。
充放电阈值是控制飞轮储能电能回收装置充放电模式、充放电功率的主要参数。由于外部电网负荷影响，在不同时间段内10 kV 中压网络电压会出现波动，导致直流母线电压U1波动，所以在测定牵引网空载电压U1时，还要增加对交流母线的电压检测作参考。

飞轮储能变流器的简单工作原理见飞轮储能变流器课件。