[发明专利]带飞轮和单极直流电磁传动机的风力发电系统

说明书

一种风力发电系统，采用飞轮作为储能装置，采用单极直流电磁传动机(HET)作为飞轮能量传递设备，实现稳定发电的功能，发挥HET在能量传递中的优势；进一步通过采用立式柔性飞轮和悬挂式柔性飞轮，解决大质量飞轮和轴承等方面的问题；进一步通过在风轮和发电机之间应用HET变速传动，大幅提高风能捕获效率。风轮、发电机、飞轮三者之间的能量传递具有三类方案：第一类是风轮与发电机之间无HET的方案，相当于在现有常规风电系统上增加了储能装置及其能量传递设备，第二类是风轮与发电机之间具有一套独立HET的方案，第三类是风轮、发电机、飞轮三者各连接一个HET半偶件的方案。

所属技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，特别是带有储能装置的风力发电系统。

背景技术

风力发电是公认的绿色能源，前景广阔，目前技术获得成功应用已有较长时间，风力发电系统自身的经济性竞争力在不断提高。但是，从电网全局视角考虑，在综合指标方面，目前还存在下述问题：由于风速具有很大的不稳定、随机性，风轮获得的风能功率始终在很大范围内变化不定，没有储能装置的风力发电系统的发电功率很不稳定，一般不把风力机装机容量视作电网中稳定可靠的发电容量，风力机装机容量的增多基本上没有相应地带来常规发电设备装机容量的减少；相反，由于风力发电的不稳定、无计划性，给电网消纳风电造成很大困难，需要相应地增加足够的调峰配套设施，包括调峰应急发电机组、抽水蓄能电站等；风电不稳定也使电能品质下降，并增加电网不稳定性；另外，为了能够比较充分地吸收全部风况下的风能，风电系统的额定容量设计的十分偏大，额定功率对应的设计/额定风速大幅高于年平均风速，年平均功率只占额定功率的19％左右，设备容量的有效利用率很低。

如果在风力发电系统中增配有效的储能装置，可以较好地解决上述问题，一是可以形成比较稳定可靠的发电源，二是可以取消增加的电网调峰措施，同时还可以兼职向电网提供调峰能力，三是可以提供标准品质的电能，四是可以大幅降低发电机及其与电网相连设备的额定容量。

离网(孤网)风力发电系统配置储能装置具有更大的必要性，由于在输入风能和用电负荷两端均存在很大的波动性，风电又是唯一电源，配置能够长周期稳定供电的储能装置是保证稳定电源的必要途径。

涉及风能存储的广泛方法包括：化学蓄电池，抽水蓄能，飞轮储能，压缩空气储能，相变储能，制氢储能等。有条件应用在风力发电系统中的实用方法包括化学蓄电池和飞轮储能。化学蓄电池常用于离网小型风力发电系统。化学蓄电池总的能量效率比较低，平均50％左右，大功率快速充电和放电受限，但维持电能时间比较长。带有储能装置的并网型风力发电系统还未见应用报道。

飞轮储能技术涵盖飞轮装置及其能量转换系统两大部分。目前典型的飞轮储能和转换系统具有以下结构及特点：

飞轮动能载体：飞轮动能来源于较大质量的飞轮轮体以很高的线速度旋转，轮体质量块均采用单向连续纤维增强塑料复合材料缠绕成型，以利用纤维增强塑料的高强特点获得最大的储能密度。这种材料结构的周向(材料自身的纵向)强度最高，但材料结构的径向和轴向(材料自身的横向)强度很低，使得轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，这样带来的不利之处是不能充分利用已占的空间布设质量块，实用储能体积密度偏小。另外，大质量、高线速度复合材料轮体的动不平衡力和力矩较难控制。首先是动平衡校正难度大，一是需要承载负荷很大的动平衡机；二是轮体与转轴的组合多为简支柔性转子，需要校正难度较大的高速动平衡，并需要真空动平衡条件；三是高速旋转下的纤维增强塑料会发生较大的位移变形，变形量随转速变化，对高速动平衡校正非常不利。更为不利的是工作时动不平衡的增长，一是发生较大的位移变形，尺寸和材料的差别使得这种变形不均匀对称发生；二是长期使用发生渐进的蠕变变形行为。玻璃纤维增强塑料的弹性变形和蠕变量较大，碳纤维增强塑料的较小，但是碳纤维这类高弹性模量的材料价格成本太高，阻碍了大规模经济性应用，而玻璃纤维适合于实际应用，但要克服解决其变形和蠕变量大的问题。

飞轮真空容器：旋转的轮体置于真空容器内，以最大限度地减少鼓风摩擦损失。旋转轴全部位于真空容器内，没有轴密封(即真空与大气的隔离)。轴承和电机也位于真空容器内。