[发明专利]带单极直流电磁传动机的飞轮储能和转换系统

说明书

一种适合在电网调峰、风力发电等固定场所应用的储能和转换系统，采用飞轮储能，采用常规同步或异步电动/发电机与电网连接，采用单极直流电磁传动机(HET)作为飞轮与电机之间的无级变速变矩传动设备。飞轮的较佳方案是采用立式柔性飞轮或悬挂式柔性飞轮，后者尤其适用于具有很大质量的飞轮。飞轮柔性悬挂式结构可避开常规使用的轮体与转轴组合简支转子的不平衡和共振问题；立式转轴上的轴向支承永磁轴承可解决大质量飞轮的重力支承问题；飞轮的柔性连接多体轮体利于制造和提高储能体积密度；由HET和普通电机组成的能量输入输出转换系统，没有电机的发热量大且散热不利问题，传输功率不受限制，设备的功率密度高、成本低，能量转换效率高。

所属技术领域

本发明涉及一种储能和转换系统，特别是在固定场所利用飞轮储能，并进行与电网之间的能量输入输出变换的系统。

背景技术

飞轮储能和转换系统主要由飞轮储能装置和能量转换系统两大部分组成。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。

飞轮轴承：采用磁力轴承，支承径向负荷和轴向负荷(飞轮多为立式结构)，以最大限度地减少轴承摩擦损失，同时回避机械轴承在真空环境中的润滑剂蒸发问题和寿命锐减问题。同时采用机械保护轴承，在磁力轴承不用、未用、失效、超载等情形下起到临时支承和定位作用。

能量转换系统：采用高转速变频电动/发电机和双向变流器，电机与飞轮同转速，由电网向飞轮输入能量时，电网工频交流电经整流和变频后驱动电动机，使飞轮升速，由飞轮向电网输出能量时，飞轮动能驱动发电机，产生的电能经整流和变频后输出到工频电网。电机位于真空容器内，高频高转速电机的发热量大、热传导受限的问题比较大。

经归纳总结，现有的飞轮储能和转换系统有以下不足之处或者有待改进的方面：

(1)由于单个轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，实用储能体积密度偏小。

(2)现有储能飞轮的转动不平衡问题大，解决工艺难，易引起较大的不平衡振动，并随使用时间加长而加剧不平衡。而且，大多数飞轮在其运行转速范围内避不开共振转速，带来通过共振点的问题。飞轮质量越大，其不平衡和共振问题越大。在固定场所应用的储能飞轮以大质量较多，例如电网调峰和风力发电稳定负荷所用的储能飞轮就具有很大的质量，这类飞轮的不平衡和共振问题尤其显得突出。