中國儲能網(wǎng)訊：
摘 要 飛輪儲能系統(tǒng)(FESS)憑借高功率密度、長壽命、快速響應(yīng)和環(huán)境友好等特性，在電網(wǎng)調(diào)頻、慣量支撐、高頻調(diào)峰等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢。飛輪儲能系統(tǒng)面臨著低成本高可靠設(shè)計、高速永磁電機和磁懸浮控制穩(wěn)定性、在線故障預(yù)測以及多機并聯(lián)陣列控制等問題。本文通過對近期相關(guān)文獻的探討，綜述了人工智能技術(shù)在飛輪儲能系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化、電機控制、磁懸浮控制、并網(wǎng)控制及故障診斷等環(huán)節(jié)的應(yīng)用，著重介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法在復(fù)合材料轉(zhuǎn)子建模分析、永磁同步電機多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計、永磁同步電機多工況效率優(yōu)化與轉(zhuǎn)速觀測、電磁軸承控制器算法、并網(wǎng)魯棒性與分布式協(xié)同控制、調(diào)頻控制策略、軸承故障診斷與預(yù)警等技術(shù)方向中的應(yīng)用，并討論大模型結(jié)合、多技術(shù)協(xié)同優(yōu)化等未來發(fā)展方向，期望為飛輪儲能系統(tǒng)的智能化研究和發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞 飛輪儲能；人工智能；調(diào)頻；故障診斷
在應(yīng)對氣候變化、減少溫室氣體排放的壓力下，全球能源結(jié)構(gòu)正在加速推進轉(zhuǎn)型。各國紛紛加大對可再生能源的投資力度，風(fēng)能、太陽能等波動性電源在電力系統(tǒng)中的占比逐年增加。我國可再生能源裝機2024年新增3.74億kW，占全國新增電力裝機的86.3%，全國可再生能源裝機總?cè)萘吭谌珖l(fā)電總裝機中占比提升至56.4%。然而，可再生能源的強隨機性和弱慣量特性導(dǎo)致電力系統(tǒng)面臨嚴峻的調(diào)頻壓力：一方面，頻率偏差事件發(fā)生率同比增長42%；另一方面，傳統(tǒng)火電機組因調(diào)節(jié)速率受限，難以滿足新能源并網(wǎng)下的快速響應(yīng)需求。
在此背景下，儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，主要包括削峰填谷、頻率調(diào)節(jié)、平衡電力供需、提升電網(wǎng)韌性等。飛輪儲能(FESS)以毫秒級快速功率響應(yīng)、分秒級持續(xù)放電時間，高功率密度、不需要定期維護、無污染、百萬次循環(huán)充放電壽命，成為一種極具潛力的儲能技術(shù)。
飛輪儲能系統(tǒng)由一個旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、永磁同步電機、軸承、電力電子設(shè)備和外殼組成。飛輪儲能一般是指電能與飛輪動能之間的雙向轉(zhuǎn)化，因此特征是飛輪與電機同軸旋轉(zhuǎn)，通過電力電子裝置控制飛輪電機的旋轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)升速儲能、降速釋能的目的。
與傳統(tǒng)儲能技術(shù)相比，飛輪儲能系統(tǒng)在應(yīng)對電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)和短時儲能需求方面表現(xiàn)出色。此外，飛輪系統(tǒng)的設(shè)計和維護相對簡單，以及使用非化學(xué)材料，使其在全生命周期中的環(huán)境影響和安全性方面具備明顯優(yōu)勢。盡管飛輪儲能系統(tǒng)具備多項優(yōu)勢，但其規(guī)?；瘧?yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，飛輪成本較高、能量密度相比其他儲能技術(shù)(如鋰電池)較低、多單元協(xié)同控制復(fù)雜性、網(wǎng)-電-機系統(tǒng)強耦合性、故障預(yù)警滯后性等，這些都可能限制其廣泛應(yīng)用。
1 人工智能技術(shù)
人工智能(artificial intelligence, AI)是研究、開發(fā)用于模擬、延伸以及擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新技術(shù)科學(xué)。人工智能能夠從數(shù)據(jù)中理解、學(xué)習(xí)、適應(yīng)并執(zhí)行任務(wù)，通常由人類設(shè)計的程序和算法驅(qū)動。1956年達特茅斯人工智能研討會上首次提出“人工智能”概念，標志人工智能的誕生。人工智能有一條技術(shù)路線是建立基于大腦中神經(jīng)元細胞連接的計算模型，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來擬合智能行為，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了淺層學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、大模型三個發(fā)展階段。
2022年11月以來，隨著以ChatGPT為代表的大語言模型迅速發(fā)展，生成式人工智能(generative srtificial intelligence, GenAI)推動人工智能從算法智能進入語言智能(linguistic intelligence, LI)時代。人工智能正在全面革新社會生產(chǎn)力，國內(nèi)專用領(lǐng)域大模型在科學(xué)研究、教育、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、金融、電力多個行業(yè)得到應(yīng)用和發(fā)展。AI技術(shù)為解決飛輪儲能的規(guī)?；瘧?yīng)用面臨的挑戰(zhàn)提供了新路徑。深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)等方法通過數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和智能決策優(yōu)化，顯著提升飛輪儲能系統(tǒng)的性能與經(jīng)濟性。本文聚焦AI在飛輪儲能全生命周期應(yīng)用，介紹AI在飛輪儲能系統(tǒng)控制、永磁同步電機控制算法、轉(zhuǎn)子設(shè)計及故障診斷等方面的應(yīng)用并對未來研究方向作出展望。
2 AI在復(fù)合材料轉(zhuǎn)子和永磁同步電機設(shè)計中的應(yīng)用
Sinchuk等針對碳纖維增強紡織復(fù)合材料(CFRP)多層級結(jié)構(gòu)建模難題，提出一套從μ-CT掃描到有限元分析的全流程解決方案，實現(xiàn)高精度彈性性能預(yù)測。該工作通過多標簽聚類簡化U-net分割，使用改進多材料行進立方體算法(multi-material marching cubes)將LUT記錄壓縮至原規(guī)模的0.8%，結(jié)合曲率約束的網(wǎng)格優(yōu)化算法在保持體積分數(shù)誤差<0.1%的同時，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成效率提升三個數(shù)量級，有助于碳纖維復(fù)合材料飛輪的制造。
Wang等提出基于深度遷移學(xué)習(xí)的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料(CFCs)的等效彈性性能預(yù)測框架，該預(yù)測框架采用了ResNet-36網(wǎng)絡(luò)與遷移學(xué)習(xí)技術(shù)，通過多模態(tài)輸入建立非線性映射關(guān)系，在遷移學(xué)習(xí)階段凍結(jié)預(yù)訓(xùn)練卷積層參數(shù)，僅微調(diào)全連接層權(quán)重，在小樣本條件下實現(xiàn)預(yù)測誤差<0.5%。該方法有助于提高碳纖維飛輪的設(shè)計及制造效率，為復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計提供新范式。
永磁同步電機(PMSM)的優(yōu)化設(shè)計目標和約束條件通常是設(shè)計變量的非線性數(shù)值函數(shù)和多極值函數(shù)，因此很難獲得最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。針對該問題，Huang等將遺傳算法引入電機電磁計算優(yōu)化設(shè)計程序中，使用遺傳算法對永磁電機中永磁體的磁化長度、永磁體寬度、氣隙和極弧系數(shù)進行優(yōu)化，收斂代數(shù)≤50代，設(shè)計周期從傳統(tǒng)的幾周降到了2小時。
Jin等針對永磁同步電機(PMSM)損耗高、效率低的問題，提出一種結(jié)合正交試驗設(shè)計(DOE)、支持向量機(SVM)回歸建模與改進粒子群優(yōu)化(PSO)算法的多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法，實現(xiàn)電機損耗降低與效率提升。其通過正交實驗設(shè)計625組樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合SVM徑向基函數(shù)(RBF)擬合損耗回歸模型，改進粒子群優(yōu)化算法引入歷史最優(yōu)解和變異因子，解決了傳統(tǒng)PSO早熟收斂問題，經(jīng)實驗驗證，優(yōu)化后電機總損耗降低13.5%，效率提升2.64%，轉(zhuǎn)矩脈動降低37.1%。
面向500 kW/450 MJ大型飛輪儲能系統(tǒng)(FESS)，解決軸向磁通永磁同步電機(AFPMSM)高損耗、大齒槽轉(zhuǎn)矩問題。Sun等提出改進BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同多目標的軸向磁通電機優(yōu)化方法，突破傳統(tǒng)單目標優(yōu)化局限，通過軟磁復(fù)合材料(SMC)結(jié)合多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化定子鐵芯，實現(xiàn)效率與轉(zhuǎn)矩脈動同步提升，經(jīng)實驗驗證，優(yōu)化后電機效率提升0.096%～98.48%，齒槽轉(zhuǎn)矩降低19.8%，優(yōu)化耗時從傳統(tǒng)方法的72小時縮短至8小時。
3 AI在永磁同步電機控制中的應(yīng)用
針對現(xiàn)有飛輪儲能電機大多是基于額定工作點進行效率優(yōu)化，難以實現(xiàn)全工作周期內(nèi)綜合效率最優(yōu)的問題，朱迪等基于電熱協(xié)同工作場景得到單個完整工作周期下飛輪高速永磁同步電機的運行工況變化，提出基于遺傳算法的飛輪電機多工況效率優(yōu)化方法。建立適用于高速電機的效率計算模型并基于遺傳算法尋優(yōu)得到最優(yōu)工作點，優(yōu)化后綜合效率增加0.34%，全速范圍內(nèi)電機效率均得到提升，單個工作周期能量損耗較優(yōu)化前降低14.8%。優(yōu)化結(jié)果證明此方法可提高飛輪電機全工作周期內(nèi)的運行效率，降低熱泵運行過程中的能耗損失，提升飛輪儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
傳統(tǒng)飛輪儲能系統(tǒng)電機控制需要的速度傳感器增加成本且降低系統(tǒng)可靠性，Zolfaghari等提出了一種采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行速度觀測的永磁同步電機直接功率控制(DPC)技術(shù)，這是一種首次將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)嵌入模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)的無傳感器方案，采用反向傳播網(wǎng)絡(luò)(BPN)在線訓(xùn)練自適應(yīng)模型權(quán)重，將轉(zhuǎn)速ωr映射為可調(diào)權(quán)重ω2，通過磁鏈誤差反向傳播更新轉(zhuǎn)速估計值。將非線性電機模型轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)，驗證控制器在簡化模型下的穩(wěn)定性。最后驗證了ANN-MRAS無傳感器DPC方案兼具動態(tài)響應(yīng)快、低脈動、高可靠性優(yōu)勢。
針對永磁同步電機(PMSM)速度控制中傳統(tǒng)PID參數(shù)整定困難、滑?？刂?SMC)存在抖振以及抗擾動性能差等問題，Shanthi等提出一種融合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力與模糊邏輯推理的自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器(ANFIS)，作者采用兩種控制方式并行運算，PID提供基礎(chǔ)穩(wěn)定性，SMC-PID增強控制器抗擾動性能，ANFIS整合兩個控制器的輸出，通過模糊規(guī)則動態(tài)加權(quán)輸出最終控制命令，提升系統(tǒng)動態(tài)性能和魯棒性。
針對永磁同步電機存在強非線性、參數(shù)時變特性，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以精確描述其動態(tài)行為，Zhang提出了一種結(jié)合自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)和微棲息地粒子群算法(MPSO)的永磁同步電動機系統(tǒng)建模方法，該方法通過微棲息地粒子群優(yōu)化算法訓(xùn)練ANFIS參數(shù)，實現(xiàn)了對永磁同步電機動力學(xué)特性的高效非線性建模，相較于傳統(tǒng)控制模型，該方法顯著提升了速度與位置控制的精度和魯棒性，在永磁同步電機控制系統(tǒng)中驗證其較傳統(tǒng)的控制模型轉(zhuǎn)矩波動降低42%，效率提升2.1%。
4 AI在電磁軸承控制中的應(yīng)用
鄒晉彬等針對磁懸浮軸承系統(tǒng)的高度非線性、不穩(wěn)定性以及多輸入多輸出特點，將強化學(xué)習(xí)(Q-learning)算法同模型預(yù)測控制(MPC)相結(jié)合，設(shè)計了一種根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)自適應(yīng)整定參數(shù)的模型預(yù)測控制器(Q-MPC)，解決了控制參數(shù)實時優(yōu)化難題。仿真結(jié)果表明：正弦參考信號下，Q-MPC控制器作用的系統(tǒng)各自由度平均跟蹤誤差相比MPC控制器降低了36%；恒定參考信號下，Q-MPC控制器作用的系統(tǒng)各自由度比MPC控制器的平均超調(diào)量降低了51.4%，系統(tǒng)穩(wěn)定所需平均調(diào)整時間降低了14.4%，施加擾動后，4個自由度的平均波動幅度降低了76.1%，系統(tǒng)穩(wěn)定所需平均調(diào)整時間降低了26.2%。
針對當(dāng)前飛輪儲能系統(tǒng)中的磁懸浮軸承穩(wěn)定控制、電機調(diào)速精度不足、現(xiàn)有電機控制策略響應(yīng)慢、抗擾性差等問題。Kang等采用融合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)與粒子群優(yōu)化(PSO)算法構(gòu)建PSNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制構(gòu)架，實現(xiàn)了對飛輪電機轉(zhuǎn)速的精準預(yù)測與控制，經(jīng)實驗驗證該方法控制永磁同步電機相比傳統(tǒng)方法具有更高的準確度和魯棒性。
針對飛輪質(zhì)量不平衡、加工制造公差或傳感器誤差等導(dǎo)致傳統(tǒng)線性控制器魯棒性不足，高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定性差等問題，F(xiàn)ittro等提出了一種根據(jù)轉(zhuǎn)子運行速度動態(tài)調(diào)整剛度和阻尼的非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，在實驗中驗證了其在高速工況下具有很強的抗干擾能力，性能遠超線性控制器，同時又融入了混合多層網(wǎng)絡(luò)，進一步提升了飛輪儲能系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速區(qū)間的性能。
Zhang等提出一種基于遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁懸浮飛輪無傳感器控制技術(shù)，解決了車載復(fù)雜路況下傳感器松動導(dǎo)致的控制失效問題，該方法通過實時采樣軸承線圈電流并轉(zhuǎn)換為位移信號，結(jié)合遺傳算法實時優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器參數(shù)，經(jīng)實驗驗證，在連續(xù)減速帶路況下，該方法比傳統(tǒng)PID將轉(zhuǎn)子偏移峰值降低33%，控制精度提升25%，顯著增強車載飛輪系統(tǒng)的魯棒性。
Zhang等首次提出了一種基于工況分類與識別(SA-BPNN)和自適應(yīng)PID參數(shù)調(diào)整(CNN-LSTM-Attention)混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的高穩(wěn)定性飛輪控制策略，經(jīng)實驗驗證，其相比傳統(tǒng)PID控制可以實現(xiàn)多模態(tài)輸入，具有更高的精度、穩(wěn)定性和更快的響應(yīng)速度，以及更好通用性。顯著提升飛輪穩(wěn)定性(偏移量降低16%)，為車載飛輪儲能系統(tǒng)提供高魯棒性解決方案，解決了復(fù)雜路況擾動差異化問題。
5 AI在飛輪儲能并網(wǎng)控制中的應(yīng)用
在飛輪儲能應(yīng)用于微電網(wǎng)控制算法方面，基于人工智能的解決方案比傳統(tǒng)PID控制器具備更好的有效性和魯棒性。
為解決飛輪儲能系統(tǒng)(FESS)在風(fēng)電等新能源應(yīng)用的兩大控制難題：傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)慢、穩(wěn)態(tài)誤差大，負載突變時系統(tǒng)振蕩嚴重。Cheng等提出一種基于遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RFNN)的控制器。該控制器融合模糊邏輯的規(guī)則推理能力與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)學(xué)習(xí)特性，增強系統(tǒng)記憶能力，解決傳統(tǒng)模糊規(guī)則依賴經(jīng)驗問題，顯著提升飛輪儲能的動態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度及抗擾動性，為新能源系統(tǒng)提供高性能解決方案。
針對城市軌道交通地鐵列車電制動能量回收率低、牽引網(wǎng)電壓波動大、飛輪儲能(FESS)的充放電閾值固定導(dǎo)致能效優(yōu)化受限問題，王寧等基于馬爾科夫決策過程(MDP)對飛輪儲能單元的能量管理系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，采用深度強化學(xué)習(xí)框架的DQN算法實現(xiàn)充放電閾值動態(tài)尋優(yōu)，實驗數(shù)據(jù)表明：相較于傳統(tǒng)固定閾值策略，該動態(tài)調(diào)控方法使電能綜合利用率提升1.4%，同時在牽引網(wǎng)穩(wěn)壓率提高1.8%。
針對風(fēng)電功率秒級高頻波動引發(fā)的電網(wǎng)頻率失穩(wěn)問題，Zhou等提出一種基于飛輪儲能系統(tǒng)的風(fēng)電功率平滑控制方法，采用深度Koopman模型預(yù)測控制策略，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近Koopman算子完成系統(tǒng)線性化處理，突破傳統(tǒng)MPC的局部線性化局限，實現(xiàn)全工況覆蓋。仿真實驗表明相較于PID和傳統(tǒng)MPC方法，該方法在風(fēng)電波動抑制、動態(tài)響應(yīng)速度及抗擾動能力方面表現(xiàn)出更優(yōu)的有效性與魯棒性。
華北電力大學(xué)的李佳玉開展了基于多智能體協(xié)同的飛輪儲能系統(tǒng)先進控制研究，重點關(guān)注飛輪儲能的單體運行策略與群組協(xié)同控制，關(guān)注不同工況頻繁切換下的電壓穩(wěn)定性問題；群組協(xié)同控制方面，以直流母線并聯(lián)為切入點，構(gòu)建了含飛輪儲能群組的直流微電網(wǎng)模型，并設(shè)計了相應(yīng)的分布式協(xié)同控制框架，充分考慮了帶寬受限、網(wǎng)絡(luò)攻擊等非理想通信環(huán)境下的彈性控制研究。
季雯雯針對風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的協(xié)同優(yōu)化問題，構(gòu)建了基于風(fēng)速分段建模的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)超短期風(fēng)電功率預(yù)測模型，設(shè)計了風(fēng)儲協(xié)同調(diào)頻動態(tài)控制策略。采用DBSCAN對風(fēng)電機組高維運行數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，刪除了異常數(shù)據(jù)；基于風(fēng)向分區(qū)，通過對歷史數(shù)據(jù)的空間聚類和相關(guān)性分析，提取了風(fēng)電場的特征風(fēng)機；以特征風(fēng)機為基礎(chǔ)構(gòu)建了基于LSTM的風(fēng)電功率超短期預(yù)測模型；通過仿真實驗驗證該模型的風(fēng)電功率預(yù)測準確率高達97.6%，能滿足風(fēng)儲聯(lián)合一次調(diào)頻的需求。
孤立多微電網(wǎng)系統(tǒng)面臨分布式電源出力隨機性和負荷功率擾動等問題，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率偏移和電壓波動。針對該問題，謝黎龍等建立了孤立多微網(wǎng)系統(tǒng)的分層控制架構(gòu)：在自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)層面，采用柔性動作評價(SAC)算法優(yōu)化PI控制參數(shù)；在負荷頻率控制(LFC)層面，開發(fā)多智能體柔性協(xié)同(MASAC)控制器，結(jié)果表明SAC算法對比例系數(shù)和積分系數(shù)的實時優(yōu)化提高了PI電壓調(diào)節(jié)器的性能，頻率-電壓綜合控制誤差下降60%，顯著提升多微電網(wǎng)抗擾動能力，為高比例新能源接入提供技術(shù)支撐。
Lei等針對風(fēng)電功率高頻波動分量影響電網(wǎng)穩(wěn)定的問題，提出一種基于改進模型預(yù)測控制(MPC)的飛輪儲能(FESS)優(yōu)化控制策略。通過小波包分解(WPD)提取風(fēng)電高頻分量，結(jié)合三次樣條插值增強數(shù)據(jù)密度，構(gòu)建飛輪儲能充放電狀態(tài)的二維空間模型。在30 MW風(fēng)電場實驗結(jié)果表明，基于模型預(yù)測控制算法的飛輪儲能系統(tǒng)配置能夠有效平抑風(fēng)電場輸出功率中高頻分量的波動。
Wang等針對微電網(wǎng)中電池儲能系統(tǒng)(BESS)因頻繁充放電導(dǎo)致的退化問題，提出一種融合多應(yīng)力電池退化模型(SOC/DOC/時間)的混合儲能系統(tǒng)(HESS)優(yōu)化調(diào)度策略。通過建立分段線性老化成本函數(shù)量化電池退化經(jīng)濟損失，結(jié)合改進粒子群算法(PSO)實現(xiàn)電池-飛輪混合儲能的協(xié)同調(diào)度，降低系統(tǒng)全生命周期成本。特別值得注意的是，因能有效減緩電池退化，飛輪儲能技術(shù)的引入在微電網(wǎng)壽命超過15年時展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。
Lai等重點研究了一種集成了太陽能和飛輪儲能(PV-FESS)的新型儲能系統(tǒng)，開發(fā)結(jié)合自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模型預(yù)測控制(ANFIS-MPC)的控制算法，通過動態(tài)調(diào)節(jié)飛輪的充放電來管理可再生能源并網(wǎng)帶來的功率波動，優(yōu)化系統(tǒng)運行并維持電網(wǎng)穩(wěn)定。較鋰電池儲能系統(tǒng)，PV-FESS儲能系統(tǒng)全生命周期成本降低32%。基于Matlab-Simulink的仿真驗證表明，該算法能有效平抑波動，使PV-FESS系統(tǒng)成功平衡功率變化，從而向電網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的電力輸出。
飛輪儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)頻中具有響應(yīng)快、壽命長等優(yōu)勢，但存在顯著待機損耗，魏樂等針對飛輪損耗這一經(jīng)濟指標，利用飛輪儲能系統(tǒng)小樣本運行數(shù)據(jù)，提出一種結(jié)合Logistic混沌麻雀優(yōu)化算法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)飛輪損耗計算模型，首先使用對抗生成網(wǎng)絡(luò)對靈武電廠飛輪運行數(shù)據(jù)進行小樣本擴充，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立飛輪損耗模型，采用改進后的麻雀優(yōu)化算法對其超參數(shù)優(yōu)化改進，結(jié)果證明該模型能夠優(yōu)化飛輪儲能系統(tǒng)出力并降低飛輪的損耗。
Pathak等將飛輪儲能系統(tǒng)作為高頻響應(yīng)單元，與鋰電池儲能協(xié)同組成混合儲能系統(tǒng)用于平抑風(fēng)光波動導(dǎo)致的秒級頻率擾動。其中飛輪儲能系統(tǒng)控制采用分數(shù)階級聯(lián)控制(fractional cascade LFC)控制方法，控制外環(huán)為頻率偏差控制，控制內(nèi)環(huán)為功率指令，控制器采用分數(shù)階PID(FOPID)替代傳統(tǒng)PI，提升動態(tài)響應(yīng)15%。通過改進鯨魚優(yōu)化算法(I-WOA)以最小化頻率偏差為優(yōu)化目標。該方案使30%風(fēng)光滲透的孤島微電網(wǎng)的頻率恢復(fù)時間縮短62%。
Shubham等將飛輪儲能和超級電容組成混合儲能系統(tǒng)，協(xié)同應(yīng)對風(fēng)光波動和電動汽車充電對電網(wǎng)的沖擊。首先采用雙級(1+PI)TID控制器預(yù)處理頻率偏差，然后通過分數(shù)階TID(Tilt-integral-derivative)生成飛輪扭矩指令，創(chuàng)造性地引入水母搜索優(yōu)化算法(JSO)整定12個控制參數(shù)，將電網(wǎng)的頻率恢復(fù)時間縮短65%。
Bhavanisankar等將飛輪儲能、電池、超級電容組成混合儲能系統(tǒng)，構(gòu)成一個風(fēng)光柴儲微電網(wǎng)。采用優(yōu)化目標為最小頻率偏差的改進布谷鳥搜索-SVM算法，該研究首次將SVM補償引入飛輪調(diào)頻，用于動態(tài)調(diào)整飛輪儲能系統(tǒng)功率指令的補償因子，結(jié)果表明該算法能夠解決飛輪功率指令的時變非線性映射問題，減少85%的模型重訓(xùn)練時間，延長混合儲能系統(tǒng)壽命3.2年。
為應(yīng)對可再生能源的并網(wǎng)給多區(qū)域電力系統(tǒng)(MPSs)的頻率調(diào)節(jié)帶來的日益嚴峻的挑戰(zhàn)，Huynh等提出一種基于比例-微分滑模面(PD-SS)結(jié)構(gòu)的魯棒滑模控制(SMC)策略。該策略考慮聯(lián)絡(luò)線功率交換、風(fēng)電功率波動以及電池/飛輪儲能的功率變化，通過改進超螺旋算法(ISTA)增強控制性能。通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對控制策略的全局穩(wěn)定性進行數(shù)學(xué)驗證。在階躍信號與隨機負荷變化下的仿真結(jié)果表明：相較于PD-SMC與PI-SMC方案，該方法分別降低超調(diào)量56%和84.5%，調(diào)節(jié)時間較PI-SMC縮短54.5%，證實其相對于現(xiàn)有控制策略的優(yōu)越性能與魯棒性。
?elik等研究了混合儲能系統(tǒng)對提升高比例新能源接入電力系統(tǒng)頻率控制性能的作用。引入電池儲能(BESS)、飛輪儲能(FESS)和超級電容器(UC)作為輔助調(diào)節(jié)單元，通過其毫秒級快速充放電能力響應(yīng)負荷擾動。采用SSA算法優(yōu)化PID控制器參數(shù)，顯著增強系統(tǒng)魯棒性。仿真實驗表明在負荷突變及機組故障場景下，該方案可降低頻率偏差，縮短調(diào)節(jié)時間，抑制振蕩幅度，穩(wěn)定裕度提升15%～25%。經(jīng)濟性方面，混合儲能系統(tǒng)承擔(dān)80%瞬態(tài)功率沖擊，使傳統(tǒng)機組調(diào)節(jié)頻次減少60%，年運行成本降低約39%。
魏樂等針對高比例不確定性風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)所引起的頻率波動，以及電力系統(tǒng)慣性降低導(dǎo)致的電網(wǎng)調(diào)頻能力減弱的問題，提出了基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)風(fēng)功率預(yù)測的風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)一次調(diào)頻策略。首先通過對歷史數(shù)據(jù)的空間聚類和相關(guān)性分析進行風(fēng)電場等值建模，并在此模型上基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)進行風(fēng)功率超短期預(yù)測；然后根據(jù)風(fēng)速區(qū)間選擇風(fēng)機變速或變槳調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制策略；最后根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測偏差、電網(wǎng)頻率偏差及其變化率調(diào)整飛輪儲能和鋰電池儲能的輔助調(diào)頻深度。仿真實驗顯示風(fēng)功率預(yù)測的準確率平均高達97.62%，一次調(diào)頻策略相對于固定比例策略和單獨風(fēng)電調(diào)頻策略，最大頻率偏差分別減小了11.3%、28.6%，調(diào)節(jié)時間分別減小了27.1%和35.2%。
6 AI在飛輪儲能系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用
針對高速徑向軸承故障頻發(fā)、傳統(tǒng)診斷方法誤判率高導(dǎo)致維護成本激增等問題。顏廷鑫提出一種結(jié)合有限元分析和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軸承故障診斷方法。首先，通過小波包能量譜提取故障特征，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。該故障診斷方法針對滾珠和保持架故障分別取得了96.29%和97.57%的高檢測率，并排除了共振頻率、溫度、真空度等外界干擾，全面驗證了該方法在機械軸承支撐飛輪儲能中的有效性，為飛輪儲能系統(tǒng)的軸承故障診斷提供了有效方案。
華北電力大學(xué)的吳朝輝針對飛輪儲能系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)警展開研究，創(chuàng)造性地利用信息熵融合方法提取并簡化故障征兆集，建立了基于神經(jīng)故障Petri網(wǎng)的診斷模型，建立了基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRU)的運行狀態(tài)預(yù)測模型，提出預(yù)警策略，最后通過關(guān)聯(lián)矩陣求解并結(jié)合實際電站數(shù)據(jù)仿真。仿真結(jié)果驗證該模型能夠準確識別故障，并能有效預(yù)警故障程度，保障飛輪儲能穩(wěn)定可靠運行。
為解決飛輪儲能系統(tǒng)軸承振動信號的非線性、非平穩(wěn)特性導(dǎo)致的故障診斷難題，提升診斷準確率與效率。He等提出一種融合參數(shù)優(yōu)化VMD能量熵和深度學(xué)習(xí)的軸承故障診斷方法，該方法使用混沌麻雀搜索算法(CSSA)優(yōu)化VMD參數(shù)，引入Sine混沌映射初始化種群，增強搜索均勻性，采用自適應(yīng)T分布變異更新麻雀位置，避免局部最優(yōu)。以模態(tài)分量的散布熵(dispersion entropy)最小化為優(yōu)化目標。實驗結(jié)果表明，所提出的方法能夠有效地提取軸承故障特征，并實現(xiàn)準確的故障診斷，其識別率達到了97.5%。
傳統(tǒng)VMD需預(yù)設(shè)模態(tài)數(shù)和帶寬控制參數(shù)，易受背景噪聲、異常脈沖和其他部件振動干擾影響，導(dǎo)致分解效果不佳。Ni等引入廣義高斯循環(huán)平穩(wěn)模型(GGCS)和廣義高斯平穩(wěn)模型(GGS)用來量化軸承故障的循環(huán)平穩(wěn)性，利用故障信息引導(dǎo)的VMD方法對軸承重復(fù)暫態(tài)進行識別，首次提出以故障特征頻率能量占比為優(yōu)化目標，增強故障信息提取針對性。該方法對復(fù)雜工況下滾動軸承早期故障信號、脈沖噪聲信號和軸承信號的故障進行診斷，能夠精準提取強噪聲和干擾環(huán)境下的微弱軸承重復(fù)性瞬態(tài)故障特征。
為解決滾動軸承振動信號的非線性、非平穩(wěn)性及早期故障特征微弱、信噪比(SNR)極低的難題，Wang等提出了一種改進鯨魚優(yōu)化算法(IWOA)的故障診斷方法。實驗結(jié)果表明，將鯨魚優(yōu)化算法的線性參數(shù)替換為非線性規(guī)則，添加差分擾動項擴大搜索范圍，引入正弦擾動項避免局部最優(yōu)。通過IWOA優(yōu)化的VMD能夠顯著提升VMD在強噪聲下的弱故障特征提取能力，為軸承早期故障診斷提供新思路。
7 結(jié)論與展望
當(dāng)前人工智能在飛輪儲能領(lǐng)域的研究大多為引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化或改進轉(zhuǎn)子和電機設(shè)計、永磁同步電機和電磁軸承控制、并網(wǎng)運行策略和故障檢測等單一研究方向。
未來在飛輪儲能系統(tǒng)的軸系設(shè)計、數(shù)字孿生、算法控制、電網(wǎng)調(diào)度運行、智能故障監(jiān)控等領(lǐng)域引入大模型或構(gòu)建專用智能體以減少系統(tǒng)研發(fā)周期、快速迭代升級、無人運營管理等方面，還有廣闊的探索空間：
（1）未來可在飛輪儲能系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中探索基于AI大模型的多目標優(yōu)化設(shè)計體系，訓(xùn)練智能體優(yōu)化飛輪設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)在安全裕量與成本方面的平衡。
（2）針對飛輪儲能系統(tǒng)或多類型混合儲能系統(tǒng)在高比例新能源接入電網(wǎng)中協(xié)調(diào)控制需求，可引入大模型用于自適應(yīng)自主決策能力和跨區(qū)域協(xié)調(diào)機制，通過強化學(xué)習(xí)模擬不同應(yīng)用場景，提升控制策略魯棒性；建立儲能-電網(wǎng)耦合系統(tǒng)的多智能體博弈模型，提高調(diào)頻補償機制的經(jīng)濟性。
（3）隨著多模態(tài)大模型的逐漸成熟，可構(gòu)建飛輪儲能系統(tǒng)機-電全生命周期數(shù)字孿生體，通過大模型整合學(xué)習(xí)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、振動、溫度、真空度等多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障預(yù)測從“診斷”向“預(yù)防”的提升，開發(fā)邊緣計算飛輪儲能系統(tǒng)AI小模型，滿足全自動化調(diào)度與實時健康監(jiān)測需求。
