CN101021207A - 一种面向风力发电调速用的数控飞轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种面向风力发电调速用的数控飞轮装置，包括可主动控制转动惯量的飞轮机构和镶嵌有螺旋机构的伺服电机，飞轮机构通过推杆与伺服电机转子中的螺旋机构内的外螺旋构件相连接，还包括壳体，壳体内分成密闭的上腔体、中腔体和下腔体，伺服电机机构和飞轮机构分别设置于上腔体和中腔体内，数控飞轮机构的输出轴穿过下腔体并伸出壳体外。本发明装置通过伺服电机转子中螺旋机构的正反旋转运动实现离心飞球的旋转半径的变化，从而实现在动能一定的情况下，数控飞轮的输出转速的主动控制和可控变化，实现了满足飞轮储能的同时，对飞轮的转速进行主动控制。从而使混合驱动型变速恒频风电系统省去流变环节，降低了系统造价、提高了整机效率。

Description

一种面向风力发电调速用的数控飞轮装置

技术领域

本发明涉及一种飞轮储能与调速装置，特别涉及一种应用于风力发电的数控飞轮调速与储一放能装置。

背景技术

在风力发电系统中，为了最大限度地捕获风能，要求输入发电机的转轴的速度要随风速进行变化的同时，保证发电机输出的电能恒频(即当风力发电机与电网并联运行时，又要求发电机发出的电能的频率与电网的频率一致)。为此，专利申请号200510022770.7的申请文本《一种风力发电差动永磁电机装置》(公开号CN1808852，公开日2006年7月26日)和申请号200510022771.1的申请文本《一种风力发电的变速恒频方法》(公开号CN1794562，公开日2006年6月28日)中公开的技术满足了变速恒频的要求。虽然上述专利可以大幅度降低传统风力发电系统的变频、逆变环节的容量，从而降低系统造价和功率损耗，但是仍然无法完全脱离变频、逆变环节。

显然，最大限度的减少风力发电系统的变频逆变环节的容量，对提高风力发电系统的性价比非常关键。现有技术可采用飞轮具有的储能与调速作用来达到减少风力发电系统变频逆变环节容量的目的。但是，现有的离心式调速器虽可以实现调速作用，但该调速器是被动式的，并不能实现风力发电变速恒频场合所需的人为飞轮转速主动控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向风力发电调速用的数控飞轮装置，采用带伺服电机的机电离心式结构，解决了现有离心调速飞轮装置应用于风力发电系统中不能实现主动调速的缺陷。

本发明所采用的技术方案是，一种面向风力发电调速用的数控飞轮装置，包括数控飞轮输出轴，数控飞轮输出轴的一端联接一飞轮机构，该飞轮机构通过推杆与伺服电机机构相连接，飞轮机构和伺服电机安装于一壳体内，壳体内由上中腔体分隔板和中下腔体分隔板分成密闭的上腔体、中腔体和下腔体，伺服电机机构和飞轮机构分别设置于上腔体和中腔体内，输出轴穿过下腔体并伸出壳体外，飞轮机构包括左右对称设置的两个飞轮离心球，两个飞轮离心球上分别设置有球铰，飞轮机构还包括上下对称设置的两个球铰，两个飞轮离心球和两个球铰之间分别由四个连杆依次相连接，两个飞轮离心球通过四个连杆和两个球铰分别与推杆和输出轴相连接，球铰下方还设置有数控飞轮转速传感器，伺服电机机构的转子芯内设置有螺旋机构。

本发明的特点还在于，

螺旋机构包括设置于转子芯内的外螺旋，转子芯的内侧面加工成内螺旋，推杆与外螺旋相连接，外螺旋的上下移动可带动推杆作上下运动，从而控制飞轮离心球回转半径的变化。

转子芯的上下两端还连接有上支撑轴和下支撑轴，上支撑轴和下支撑轴为空心结构。

输出轴分别通过两个轴承安装在中下腔体分隔板和壳体的下端面板上。

数控飞轮由三个闭环控制回路组成转速与储能控制系统：数控飞轮输出轴的转速控制环由数控飞轮转速传感器、数控飞轮转速信号馈线、数控飞轮控制器、转速指令信号线、整流器逻辑电路、整流器指令信号线、双向整流器、逆变器功率输入线、逆变器、数控飞轮控制器、伺服电机机构组成；同步伺服电机转速控制环由位置传感器、位置信号馈线、逆变器逻辑电路、逆变器信号输入线、逆变器、电机电流指令线、伺服电机机构组成；同步伺服电机位置控制环由位置传感器、电流反馈信号线组成。

本发明的优点在于：通过伺服电机转子中所镶嵌的螺旋机构的正反旋转运动实现离心飞球的旋转半径的变化，从而实现在动能一定的情况下，数控飞轮输出转速的主动控制和可控变化，实现了满足飞轮储能的同时，对飞轮的转速进行主动控制。从而使混合驱动型变速恒频风电系统省去流变环节，进而降低了系统造价、提高了整机效率。

附图说明

图1是本发明数控飞轮装置的结构示意图；

图2是本发明数控飞轮装置的工作原理图。

图中，1.上端面板，2.轴承，3.螺旋机构，4.外螺旋，5.转子芯，6.定子，7.伺服电机机构，8.推杆，9.螺旋机构下截止板，10.轴承，11.肋板，12.上中腔体分隔板，13.螺钉，14.壳体，15.球铰，16.飞轮离心球，17.球铰，18.连杆，19.连杆，20.球铰，21.密封装置，22.轴承，23.密封装置，24.轴承，25.数控飞轮输出轴，26.螺钉，27.螺钉，28.螺钉，29.螺钉，30.螺钉，31.下侧板，32.螺钉，33.肋板，34.中腔体，35.上腔体，36.螺钉，37.螺钉，38.伺服电机驱动器，39.上侧板，40.上盖板，41.螺钉，42.螺旋机构上截止板，43.上支撑轴，44.螺钉，45.下腔体，46.球铰，47.下支撑轴，48.飞轮离心球，49.连杆，50.连杆，51.中下腔体分隔板，52.固定板，53.固定板，54.下端面板，55.伺服电机控制器，56.密封垫圈，57.密封垫圈，65.电流反馈信号线，66.电机电流指令线，67.位置传感器，68.逆变器，69.逆变器信号输入线，70.逆变器逻辑电路，71.逆变器功率输入线，72.双向整流器，73.整流器逻辑电路，74.来自电网的电力馈线，75.整流器指令信号线，76.转速指令信号线，77.数控飞轮转速传感器，78.位置信号馈线，79.数控飞轮转速信号馈线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明采用的“数控飞轮”的概念是指转动惯量可以通过伺服系统进行控制的一种飞轮。它是一种有源的可主动控制的机构。“有源”是指，其能量流是双向的，可以通过驱动环节改变转动惯量，也可以使能量反向流动，输出能量。其中： $J=\frac{1}{2}{\mathrm{mR}}^2,$ J是转动惯量，R是飞轮离心球的转动半径，m是飞轮离心球的质量，通过伺服电机的主动驱动来控制和改变离心飞球的转动半径R，来改变J。

如图1所示，本发明的面向风力发电调速用的数控飞轮装置，具有一个可以主动改变转动惯量的离心飞轮机构，该飞轮机构通过推杆8与伺服电机机构7相连接，飞轮机构和伺服电机7安装在一壳体14内。壳体14内由上、中腔体分隔板12和中、下腔体分隔板51分成密闭的上腔体35、中腔体34和下腔体45，上腔体35安装伺服电机机构7，中腔体34装有可高速旋转的飞轮机构，输出轴25穿过下腔体45并伸出壳体14外。

在上腔体35中，伺服电机机构7是一个特制的电机，其转子芯5内镶嵌有螺旋机构3。螺旋机构3包括设置于转子芯5内的外螺旋4，螺旋机构的内螺旋直接加工在伺服电机的转子芯5上，外螺旋4的上下两端面分别为上盖板40、螺旋机构上截止板42和螺旋机构下截止板9，上截止板42和转子芯5用螺钉44连接，推杆8与外螺旋4相连接，外螺旋4的上下移动可带动推杆8作上下运动，从而控制飞轮离心球16、48回转半径的变化。推杆8和输出轴25有轴承10和22、24支撑以保证其稳定的旋转运动。转子芯5的上下两端还连接有上支撑轴43和下支撑轴47，上支撑轴43和下支撑轴47为空心结构，为了保证转子芯5内的螺旋副运转灵活及散热，应保证上支撑轴43和下支撑轴47空心和透气。本实施例中的上支撑轴43和下支撑轴47与转子的上下侧板通过焊接而成，因此，上支撑轴43和下支撑轴47加工和安装时需要连接螺钉29等将其可拆连接于转子芯5上。其中，推杆8穿过下支持轴47中间空心与飞轮离心球16等的连杆18和球铰15连接起来。伺服电机机构7通过肋板11、33用螺钉13、32固定在上中腔体分隔板12上。伺服电机机构7上下两个侧板39、31通过螺钉30、37固定在电机体上。电机转子的轴承2、10通过连接螺钉41、上盖板40等固定在上下侧板39、31上。其结构在满足可靠性和预期寿命的前提下，尽可能保证结构简单、以减轻重量。上端面板1通过螺钉36连接在壳体14上，其中结合处装有橡胶密封垫圈57，以保证腔体内的气密性。

伺服电机机构7的定子6绕组由伺服电机控制器55控制，可以正反两个方向转动，伺服电机控制器55的输入端与电力馈线并联电连接。伺服电机驱动器38由整流器逻辑电路73、双向整流器72、逆变器逻辑电路70、逆变器68组成。

中腔体34是核心密封腔，装有可高速旋转的飞轮机构，飞轮机构包括左右对称设置的两个飞轮离心球16、48，两个飞轮离心球16、48上分别加工有球铰17、46，飞轮机构还包括上下对称设置的两个球铰15、20，两个飞轮离心球16、48和两个球铰15、20之间分别由连杆18、50、49、19依次相连接，两个飞轮离心球16、48通过连杆18、50、49、19和球铰15、20分别与推杆8和输出轴25相连接。中腔体34尽量保持真空或较低的空气密度，以减轻飞球旋转时的风损。两个飞轮离心球16、48可通过推杆8的可控上下移动改变其回转半径及转动惯量，从而实现调速目的。

下腔体45是辅助密封腔，下腔体45的中下腔体分隔板51和下端面板54各安装一个轴承22、24，输出轴25通过两个轴承22、24按顺序依次安装在固定板52、53、中下腔体分隔板51及下端面板54上，固定板52、53与中下腔体分隔板51用螺钉26、27连接，以起到稳定数控飞轮输出轴的目的。下腔体45在轴伸出端的上下两侧各有密封装置21、23，以保证中腔体34和下腔体45的真空或非常低的气压。下端面板54通过螺钉28固定在壳体14上，其中结合处装有橡胶密封垫圈56。

壳体14采用整体铸造构成。轴、连杆、盖板等采用合金钢，如可选用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等材料，轴承可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。

本发明装置的工作原理是：当数控飞轮所储存的动能保持E不变时，根据E＝0.5Jω²，可知，当转动惯量J变大时，飞轮转速ω就会变小，反之亦然。根据这个原理，为了达到主动调速的目的，可以人为地主动控制伺服电机64来让螺旋机构正反转动，而使得推杆8上下运动(如图2中的①处)，这样使得离心飞球在②处的回转半径发生变化，从而实现了主动控制的调速的目的。

本发明装置的具体工作过程如图2所示。数控飞轮转速与储能控制系统由三个闭环控制回路组成：(1)数控飞轮输出轴25的转速控制环：由数控飞轮转速传感器77、数控飞轮转速信号馈线79、数控飞轮控制器55、转速指令信号线76、整流器逻辑电路73、整流器指令信号线75、双向整流器72、逆变器功率输入线71、逆变器68、数控飞轮控制器55、伺服电机机构7组成；(2)同步伺服电机转速控制环由位置传感器67、位置信号馈线78、逆变器逻辑电路70、逆变器信号输入线69、逆变器68、电机电流指令线66、伺服电机机构7组成；(3)同步伺服电机位置控制环由位置传感器67、电流反馈信号线65组成。当数控飞轮的输出轴25的转速发生变化时，数控飞轮转速传感器77检测到这种变化，并把这种转速的变化通过数控飞轮转速信号馈线79反馈给数控飞轮控制器55。为了使飞轮输出轴25的转速控制到一个给定的目标转速ω，数控飞轮控制器55经过一定的控制算法计算后通过转速指令信号线76向整流器逻辑电路73发出调速指令，经整流器指令信号线75向双向整流器72发出从电网取电或向电网馈电的指令，并将逆变器功率输入线71与逆变器68相连，与逆变器逻辑电路70一起实现对同步伺服电机机构7的控制，实现同步伺服电机机构7的正转或反转运动，伺服电机机构7进而通过控制外螺旋4的上下移动来控制推杆8作上下运动，继而实现飞轮回转半径的变化，通过输出轴25输出，达到储能的同时，又对飞轮的转速进行主动控制。

上述过程中，对同步伺服电机机构7的转速控制采用变频的方式，通过产生变频电压、电流的变频逆变器68的能量来自受整流器逻辑电路控制的双向整流器72。同步伺服电机机构7的转动情况通过转子位置传感器67检测，并通过位置信号馈线78输入到逆变器逻辑电路70中，该逻辑电路将实际转动情况与转动要求进行比较，并将误差信号经逆变器信号输入线69输入到逆变器68，控制同步伺服电机机构7的正常转动，这是同步伺服电机机构7的速度反馈。与此同时，转子位置传感器67还将位置误差信息馈入其定子绕组的电流控制环节，当转角位置误差较大时，系统自动加大定子绕组中的电流反馈信号线65，增强磁场强度，从而增大驱动转矩，保证伺服电机机构7的转子能够跟上旋转磁场的转动。

Claims (5)

1.一种面向风力发电调速用的数控飞轮装置，其特征在于，包括数控飞轮输出轴(25)，数控飞轮输出轴(25)的一端联接一飞轮机构，该飞轮机构通过推杆(8)与伺服电机机构(7)相连接，所述的飞轮机构和伺服电机(7)安装于一壳体(14)内，壳体(14)内由上中腔体分隔板(12)和中下腔体分隔板(51)分成密闭的上腔体(35)、中腔体(34)和下腔体(45)，所述的伺服电机机构(7)和飞轮机构分别设置于上腔体(35)和中腔体(34)内，所述的输出轴(25)穿过下腔体(45)并伸出壳体(14)外，所述的飞轮机构包括左右对称设置的两个飞轮离心球(16、48)，两个飞轮离心球(16、48)上分别设置有球铰(17、46)，所述的飞轮机构还包括上下对称设置的两个球铰(15、20)，两个飞轮离心球(16、48)和两个球铰(15、20)之间分别由四个连杆(18、50、49、19)依次相连接，所述的两个飞轮离心球(16、48)通过四个连杆(18、50、49、19)和两个球铰(15、20)分别与推杆(8)和输出轴(25)相连接，所述的球铰(20)下方还设置有数控飞轮转速传感器(77)，所述的伺服电机机构(7)的转子芯(5)内设置有螺旋机构(3)。

2.根据权利要求1所述的数控飞轮装置，其特征在于，所述的螺旋机构(3)包括设置于转子芯(5)内的外螺旋(4)，转子芯(5)的内侧面加工成内螺旋，所述的推杆(8)与所述外螺旋(4)相连接，外螺旋(4)的上下移动可带动推杆(8)作上下运动，从而控制飞轮离心球(16、48)回转半径的变化。

3.根据权利要求1或2所述的数控飞轮装置，其特征在于，所述转子芯(5)的上下两端还连接有上支撑轴(43)和下支撑轴(47)，所述上支撑轴(43)和下支撑轴(47)为空心结构。

4.根据权利要求1或2所述的数控飞轮装置，其特征在于，所述的数控飞轮输出轴(25)分别通过两个轴承(22，24)安装在中下腔体分隔板(51)和壳体(14)的下端面板(54)上。

5.根据权利要求1或2所述的数控飞轮装置，其特征在于，所述的数控飞轮由三个闭环控制回路组成转速与储能控制系统：数控飞轮输出轴(25)的转速控制环由数控飞轮转速传感器(77)、数控飞轮转速信号馈线(79)、数控飞轮控制器(55)、转速指令信号线(76)、整流器逻辑电路(73)、整流器指令信号线(75)、双向整流器(72)、逆变器功率输入线(71)、逆变器(68)、数控飞轮控制器(55)、伺服电机机构(7)组成；同步伺服电机转速控制环由位置传感器(67)、位置信号馈线(78)、逆变器逻辑电路(70)、逆变器信号输入线(69)、逆变器(68)、电机电流指令线(66)、伺服电机机构(7)组成；同步伺服电机位置控制环由位置传感器(67)、电流反馈信号线(65)组成。

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