CN102064561B - 永磁电机式弹性储能发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种永磁电机式弹性储能发电系统，属输配电技术领域，用于解决电网的储能和调峰问题。它由中央监控器和多个系统单元构成，每个系统单元均由储能箱、电磁制动器、齿轮变速箱、永磁电机、变流器、断路器和单元控制器等组成，所述永磁电机的转子经齿轮变速箱、电磁制动器与储能箱连接，定子线圈经变流器、断路器与电网连接；储能箱、电磁制动器、齿轮变速箱、永磁电机、变流器和断路器的监控端均接单元控制器，所述单元控制器通过通讯接口与中央监控器连接；所述储能箱可设置多个涡簧箱，涡簧箱相互之间串联联动。本发明不仅可大量存储与释放电能，而且不受地质条件限制，无污染，寿命长，免维护，为智能电网建设和大规模“间歇性”电源并入电网提供了关键技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种能将电网多余电能转换为弹性势能存储、并在用电高峰期将储存的能量回馈电网的弹性储能发电装置，属输配电技术领域。
背景技术
电力系统的发电、输电、消费是同时进行的，要时刻维持电能的供需平衡才能保证电力系统的正常运行。鉴于电能目前尚不能大量储存，而电力负荷却是随时变化的，电力系统必须预留足够多的备用容量才能应付各种突发情况，维持电力的供需平衡。目前，风力发电、光伏发电已进入迅猛发展时期，由于这些绿色电源固有的“间歇性”和“波动性”，它们的大规模接入必将大大加重电网的调峰负担，采用传统的预留调峰备用容量的方法意味着需投入巨大的资金来建设配套调峰机组。因此，设计一种大容量电能储存装置，对解决智能电网和大规模“间歇性”电源入网问题具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可大量存储与释放电能的永磁电机式弹性储能发电系统。
本发明所述问题是由以下述技术方案实现的：
一种永磁电机式弹性储能发电系统，由中央监控器和多个系统单元构成，每个系统单元均由储能箱、电磁制动器、齿轮变速箱、永磁电机、变流器、断路器和单元控制器等组成，所述永磁电机的转子经齿轮变速箱、电磁制动器与储能箱连接，定子线圈经变流器、断路器与电网连接；储能箱、电磁制动器、齿轮变速箱、永磁电机、变流器和断路器的监控端均接单元控制器，所述单元控制器通过通讯接口与中央监控器连接。
上述永磁电机式弹性储能发电系统，所述储能箱由主轴、涡簧箱、箱体组成，所述主轴一端经箱体轴承与涡簧箱的涡簧片连接，另一端经电磁制动器连接齿轮变速箱；所述涡簧箱可为多个，每个涡簧箱由涡簧壁和涡簧组成；所述涡簧壁分为内壁和外壁，外壁上固定有齿轮圈；所述涡簧可由一根或多根涡簧片组成，每根涡簧片的两端分别与主轴和涡簧内壁连接。
上述永磁电机式弹性储能发电系统，所述电磁制动器由制动轮和抱闸组成，所述制动轮套装在主轴上，其两个侧面上均设置有摩擦环，所述抱闸设置多个，它们沿制动轮周边均布，每个抱闸均由制动拉簧、两个制动片和两块电磁衔铁组成，所述两个制动片彼此相对且分别位于制动轮的两侧，每个制动片的一端通过连接件与储能箱箱体连接，另一端与摩擦环相对应，所述两个电磁衔铁同极相对，它们的衔铁分别固定于两个制动片的相对面上，它们的制动线圈经制动开关接直流电源，制动开关由单元控制器控制，所述制动拉簧的两端分别与两个制动片连接。
上述永磁电机式弹性储能发电系统，所述变流器由两个直流侧相接的三相电压型脉冲宽度调制（简称PWM）全控桥组成，第一全控桥的交流侧接永磁电机的定子线圈，第二全控桥的交流侧经断路器接电网，两全控桥直流侧设置有滤波电容，控制端接单元控制器。
本发明的永磁电机可工作于电动机和发电机两种状态。在电动机状态时，可在电网电能的驱动下使储能箱储能，将电能转化为涡簧的弹性势能；在发电机状态时，储能箱中的涡簧释放弹性势能，驱动永磁电机发电，将弹性势能转化为电能回馈电网。
由于本系统在中央监控器的控制下可设置多个弹性储能发电系统单元，且每个系统单元的储能箱可储存大量能量，因此本系统特别适合用作电网的调峰装置。本发明为智能电网和“间歇性”电源并入电网提供了关键技术支持。
附图说明
图1是本发明的组成结构示意图；
图2是储能箱的组成结构示意图；
图3是单个涡簧箱结构示意图（以四根涡簧片为例）；
图4是电磁制动器的组成结构图；
图5是电磁制动器控制原理图；
图6是电磁制动器布置结构示意图；
图7是多个涡簧箱串联连接示意图（以六个涡簧箱为例）；
图8是齿轮变速箱结构示意图；
图9是变流器电气原理图。
图中：1、储能箱；2、电磁制动器；3、齿轮变速箱；4、永磁电机；5、涡簧箱；6、储能箱箱体；7、主轴；8、轴承；9、固定座；10、箱体轴承；11、齿轮圈；12、涡簧壁；13、涡簧；14、制动轮；15、制动片；16、摩擦环；17、制动拉簧；18、连接件；19、电磁衔铁；20、制动线圈；C、C1、C2、滤波电容；Q1、第一全控桥；Q2、第二全控桥；L1、L2、电抗器；DL、断路器；K、制动开关。
具体实施方式
本发明基于涡簧的弹性储能原理，提出一种能够与电网相联、快速储能与发电的弹性储能发电系统。每一个系统单元由储能箱、电磁制动器、齿轮变速箱、永磁电机、变流器、单元控制器、滤波装置等部分组成。多个这样的系统单元组合在一起，并通过一个中央监控器实现对多个系统单元的有序控制，可组成弹性储能发电站。本发明可在电力系统中发挥以下作用：
（1）可作为一种重要的调峰手段，解决电网的峰谷差调节问题。本系统可根据电网需求分布建在电网各处，通过电网的实时控制进行储能与发电，如同现有的抽水蓄能电站用于调峰一样参与电力调节，调节电网的峰谷差。
（2）可作为一种重要的稳定控制手段，提高电网运行稳定性。在电网紧急状态下，电网可通过实时控制其进入储能或发电运行状态，提供电网所急需的紧急功率吸纳或功率支持。
（3）解决可再生能源的“间歇性”问题，改善电能质量。间歇式电源固有的“间歇性”和“波动性”问题已成为其接入电网的瓶颈。若在有“间歇性”电源的地方配套建设本弹性储能发电系统，通过对其实时控制进行储能与发电，就地平衡减少间歇式电源对电力系统的不利影响，提高电网接纳间歇性电源的能力。
下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明的基本工作原理是：
当储能时，中央监控器给单元控制器发出控制指令，单元控制器就控制断路器DL合闸，同时使制动开关K闭合，制动线圈20上电工作，制动片15松开制动轮14，永磁电机4按变频调速电动机方式运行。永磁电机4启动时，单元控制器控制变流器Q2按整流器方式运行，控制变流器Q1按逆变器方式运行，使永磁电机4定子绕组通入频率很低的三相交流电流，带动转子旋转。随后定子侧电源频率逐渐增加，转子转速逐渐升高。当转子达到额定转速后，永磁电机4就运行于额定转速下的电动机状态，来自电网的电能驱动永磁电机4运行，永磁电机4带动主轴7旋转并使涡簧箱5的涡簧13旋紧，涡簧13旋紧的同时将带动其涡簧壁12和齿轮圈11同方向转动，由于涡簧箱5的齿轮圈11与串联的第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11啮合，齿轮圈11转动将带动第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11和第二涡簧壁5-2-12反方向转动，使其第二涡簧5-2-13拧紧。第二涡簧5-2-13拧紧的同时将带动其主轴5-2-7同方向转动，由于第二涡簧箱5-2主轴5-2-7与第三涡簧箱5-3的主轴5-3-7是连接在一起的，主轴5-2-7转动将使第三涡簧箱5-3中第三涡簧5-3-13拧紧，第三涡簧5-3-13拧紧的同时又带动其第三涡簧壁5-3-12和第三齿轮圈5-3-11同方向转动，由于第三涡簧箱5-3的第三齿轮圈5-3-11与串联的第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11啮合，第三齿轮圈5-3-11转动将带动第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11和第四涡簧壁5-4-12反方向转动，使其涡簧5-4-13拧紧。涡簧5-4-13拧紧的同时将带动其主轴5-4-7同方向转动，由于第四涡簧箱5-4主轴5-4-7与第五涡簧箱5-5的主轴5-5-7是连接在一起的，主轴5-4-7转动将使第五涡簧箱5-5中第五涡簧5-5-13拧紧，第五涡簧5-5-13拧紧的同时又带动其第五涡簧壁5-5-12和第五齿轮圈5-5-11同方向转动，由于第五涡簧箱5-5的第五齿轮圈5-5-11与串联的第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11啮合，第五齿轮圈5-5-11转动将带动第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11和第六涡簧壁5-6-12反方向转动，使其第六涡簧5-6-13拧紧。第六涡簧箱5-6（图7所示最后一个涡簧）的主轴是固定的，能量将不再被传递出去。从以上分析可以看出，如果储能箱是由多个涡簧箱串联连接，一旦第一涡簧箱中涡簧被旋紧时，其它所有涡簧箱中的涡簧都将被顺序拧紧，直到能量传递到最后一个涡簧箱为止，最终涡簧就以弹性势能的形式将能量储存起来；当单元控制器接收到停止储能指令或因储能箱能量储满而接收到停止储能指令时，单元控制器就控制断路器DL断开，并使制动开关K断开，制动线圈20断电，通过制动拉簧17使制动片15抱紧制动轮14，使涡簧箱5中涡簧13维持锁紧状态。这时本系统单元处于能量存储状态，直到接收到一个能量释放的控制信号。其它系统单元在中央监控器的预定控制规则控制下储能过程同上。在永磁电机4按变频调速电动机方式运行时，电抗器L1能减小启动冲击电流，而滤波器C1能起到平稳滤波的作用。
当释能时，中央监控器给单元控制器发出控制指令，单元控制器控制断路器DL合闸，同时使制动开关K闭合，制动线圈20上电工作，制动片15松开制动轮14，永磁电机4工作于发电机状态，储能箱1中涡簧箱5锁紧的涡簧13将释放弹性能，带动主轴7旋转使永磁电机4按发电机方式运行。涡簧13松开的同时将带动其涡簧壁12和齿轮圈11同方向转动，涡簧箱5的齿轮圈11与串联的第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11啮合，齿轮圈11转动将带动串联第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11和第二涡簧壁5-2-12反方向转动，使其第二涡簧5-2-13松开。第二涡簧5-2-13松开的同时将带动其主轴5-2-7同方向转动，由于第二涡簧箱5-2主轴5-2-7与第三涡簧箱5-3的主轴5-3-7是连接在一起的，主轴5-2-7转动将使第三涡簧箱5-3中第三涡簧5-3-13松开，第三涡簧5-3-13松开的同时又带动其第三涡簧壁5-3-12和第三齿轮圈5-3-11同方向转动，由于第三涡簧箱5-3的第三齿轮圈5-3-11与串联的第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11啮合，第三齿轮圈5-3-11转动将带动串联第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11和第四涡簧壁5-4-12反方向转动，使其涡簧5-4-13松开。涡簧5-4-13松开的同时将带动其主轴5-4-7同方向转动，由于第四涡簧箱5-4主轴5-4-7与第五涡簧箱5-5的主轴5-5-7是连接在一起的，主轴5-4-7转动将使第五涡簧箱5-5中第五涡簧5-5-13松开，第五涡簧5-5-13松开的同时又带动其第五涡簧壁5-5-12和第五齿轮圈5-5-11同方向转动，由于第五涡簧箱5-5的第五齿轮圈5-5-11与串联的第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11啮合，第五齿轮圈5-5-11转动将带动串联第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11和第六涡簧壁5-6-12反方向转动，使其第六涡簧5-6-13松开。第六涡簧箱5-6的主轴是固定的。永磁电机4按发电机方式运行时，单元控制器控制变流器Q1按整流器方式运行，控制变流器Q2按逆变器方式运行。同时单元控制器检测断路器DL两侧（变流器侧和电网侧）电压的幅值、频率和相角，控制变流器Q2使其发出的电压幅值、频率和相角分别与电网侧电压的幅值、频率和相角满足允许的同期并网条件时给断路器DL发出合闸命令，使永磁电机4通过断路器DL并入电网，从而实现弹性势能到电能的转换。当单元控制器接收到停止释能指令或因当储能箱1弹性势能释放完毕而接收到停止释能指令时，单元控制器控制制动开关K断开，制动线圈20断电，制动片15抱紧制动轮14，使涡簧箱5中涡簧13维持锁紧状态，同时，单元控制器控制断路器DL断开。其它系统单元在中央监控器的预定控制规则控制下释能过程同上。永磁电机4做发电机运行时，电抗器L2、电容器C2能起到平稳滤波的作用。由此，本发明实现了电能的输入、存储和输出。
永磁电机4转子绕组经齿轮变速箱3、电磁制动器2与储能箱的主轴7连接，定子绕组经由L1、C1组成的滤波器、变流器、由L2、C2组成的滤波器、断路器DL馈入电网。永磁电机4运行于发电机状态时，第一全控桥Q1运行于整流状态，第二全控桥Q2运行于逆变状态，储能箱的弹性能驱动永磁电机4运行发电，将能量输送给电网。单元控制器通过第一全控桥Q1调节定子侧d轴和q轴电流，控制永磁电机4电磁转矩，从而达到控制转速的目的；通过第二全控桥Q2调节网侧d轴和q轴电流，保持直流侧电压稳定，并实现永磁电机4输出电能的恒频恒压控制和输出有功功率、无功功率解耦控制。永磁电机4输出电压的频率、幅值和相位不受转子速度和瞬时位置的影响。发电过程中，由L2、C2组成的滤波器能起到平稳滤波的作用，使系统发出的电能质量更高。运行于电动机状态时，第一全控桥Q1运行于逆变状态，第二全控桥Q2运行于整流状态，电网通过变流器向永馈电机4输入电磁功率，使电机旋转并将能量输送给储能箱。
单元控制器的功能包含系统单元的状态监测、永磁电机4控制、变流器控制、电磁制动器2的控制、断路器DL控制等。系统单元状态监测包括储能箱1的状态监测、转子速度/位置监测、电压/电流测量；变流器控制用于控制两个全控桥分别处于整流或逆变状态，实现对永磁电机4不同运行状态下的转速和输出电流的相应控制；断路器DL控制用于实现系统单元与电网的断开和连接；电磁制动器2的控制用于实现制动开关K的开与合。具体而言，单元控制器能监测本系统单元的工作状态，同时对永磁电机4实施控制和对断路器DL、电磁制动器2等发出相应的控制指令；当永磁电机4工作于发电机状态时，单元控制器根据采集到的定子和转子的电压电流信号以及转子的位置和速度信息，按照给定的控制策略，实施永磁电机4定子侧第一全控桥Q1和电网侧第二全控桥Q2的矢量控制，使弹性储能发电系统按给定条件输出有功功率和无功功率；当永磁电机4工作于发电机状态需并网时，单元控制器可控制变流器使永磁电机4满足并网同期条件，并适时对断路器DL发出指令，完成并网。
参看图2、图3，储能箱由主轴7、涡簧箱5、箱体6等组成，主轴7通过箱体轴承10与电磁制动器2相连，；涡簧箱5可为多个，每个涡簧箱由涡簧壁12和涡簧13组成；所述涡簧壁12有内壁和外壁，外壁上固定有齿轮圈11；涡簧13可由一根或多根涡簧片组成，每根涡簧片一端通过压板固定在主轴7上并随其一同转动，另一端通过压板或铰接的方式固定在涡簧壁12的内壁处。
参看图4、图5和图6，电磁制动器2由两侧面带有摩擦环16的制动轮14和多个抱闸组成，抱闸由制动片15、制动拉簧17、连接件18、电磁衔铁19组成，制动片15的一端经连接件18连接于固定端上，另一端直接接触摩擦环16表面；所述制动片15根据制动力的大小均匀分布在摩擦环16表面360°范围内，数量可多可少；所述制动片15由制动线圈20控制，制动开关K断开制动线圈20未通电时制动片17抱死制动轮14上的摩擦环16，制动开关K闭合制动线圈20上电时拉开制动拉簧17使制动片15离开摩擦环16表面，松开制动轮14，制动线圈20经制动开关K接直流电源，制动开关K由单元控制器控制；所述电磁制动器2仅需在第一涡簧箱的主轴7上安装。
参看图3和图7，储能箱1可设置多个涡簧箱，每个涡簧箱的外壁上都固定有齿轮圈11，齿轮圈11与其串联的涡簧箱齿轮圈11啮合，一旦第一涡簧箱5中第一涡簧5-1-13旋紧（或松开），就将带动其第一涡簧壁5-1-12和第一齿轮圈5-1-11同方向转动，与此啮合的第二涡簧箱5-2第二涡簧壁5-2-12和齿轮圈5-2-11反方向转动，使第二涡簧箱5-2中第二涡簧5-2-13旋紧（或松开），并使其主轴5-2-7随齿轮圈5-2-11同向转动。与此同时，主轴连接在一起的第二涡簧箱5-2又带动第三涡簧箱5-3第三涡簧壁5-3-12和第三齿轮圈5-3-11同方向转动，使第三涡簧箱5-3中第三涡簧5-3-13旋紧（或松开），第三涡簧5-3-13旋紧（或松开）又带动其第三涡簧壁5-3-12和第三齿轮圈5-3-11同方向转动，带动与此啮合的第四涡簧箱5-4第四涡簧壁5-4-12和第四齿轮圈5-4-11反方向转动，使其涡簧5-4-13拧紧（或松开），并使其主轴5-4-7随第四齿轮圈5-4-11同向转动。此后，主轴连接在一起的第四涡簧箱5-4又带动第五涡簧箱5-5第五涡簧壁5-5-12和第五齿轮圈5-5-11同方向转动，使第五涡簧箱5-5中第五涡簧5-5-13旋紧（或松开），第五涡簧5-5-13旋紧（或松开）又带动其第五涡簧壁5-5-12和第五齿轮圈5-5-11同方向转动，带动与此啮合的第六涡簧箱5-6第六涡簧壁5-6-12和第六齿轮圈5-6-11反方向转动，使其第六涡簧5-6-13拧紧（或松开），第六涡簧箱5-6的轴承是固定的，使能量不在往外传递。因此，按照涡簧箱编号从小到大的顺序，最终将使所有涡簧箱的涡簧都拧紧（或松开），实现能量的存储（释放）。
本发明中涡簧箱采用串联联动的方式，延长了储能/释能时间，从根本上解决了单个涡簧箱储能密度较小的问题。与单个涡簧箱相比，本发明在保持电机输出转矩基本不变的情况下，使储能容量扩大了很多倍（理论而言，只要电机输出力矩足够大，能够克服齿轮之间的摩擦等阻力，就可以任意串联连接多个储能箱）。需要特别指出的是，各个涡簧箱串联联动的方式不仅限于图7中所示的齿轮啮合方式，还可采用皮带传动或者链条连接等其它可行的方式。
当储能箱1进行储能时：单元控制器控制断路器DL合闸，第一全控桥Q1、第二全控桥Q2分别运行于逆变和整流状态，制动开关K闭合，制动线圈20上电工作，制动片15松开制动轮14，永磁电机4的转动和动力传递给主轴7，储能箱1中涡簧箱5的涡簧13逐渐被旋紧，涡簧箱5中涡簧13旋紧的同时将带动其涡簧壁12和齿轮圈11同方向转动，由于涡簧箱5的齿轮圈11与串联的第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11啮合，齿轮圈11转动将带动第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11和第二涡簧壁5-2-12反方向转动，使其第二涡簧5-2-13拧紧。第二涡簧5-2-13拧紧的同时将带动其主轴5-2-7同方向转动，由于第二涡簧箱5-2主轴5-2-7与第三涡簧箱5-3的主轴5-3-7是连接在一起的，主轴5-2-7转动将使第三涡簧箱5-3中第三涡簧5-3-13拧紧，第三涡簧5-3-13拧紧的同时又带动其第三涡簧壁5-3-12和第三齿轮圈5-3-11同方向转动，由于第三涡簧箱5-3的第三齿轮圈5-3-11与串联的第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11啮合，第三齿轮圈5-3-11转动将带动第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11和第四涡簧壁5-4-12反方向转动，使其涡簧5-4-13拧紧。涡簧5-4-13拧紧的同时将带动其主轴5-4-7同方向转动，由于第四涡簧箱5-4主轴5-4-7与第五涡簧箱5-5的主轴5-5-7是连接在一起的，主轴5-4-7转动将使第五涡簧箱5-5中第五涡簧5-5-13拧紧，第五涡簧5-5-13拧紧的同时又带动其第五涡簧壁5-5-12和第五齿轮圈5-5-11同方向转动，由于第五涡簧箱5-5的第五齿轮圈5-5-11与串联的第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11啮合，第五齿轮圈5-5-11转动将带动第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11和第六涡簧壁5-6-12反方向转动，使其第六涡簧5-6-13拧紧。第六涡簧箱5-6（图7所示最后一个涡簧）的主轴是固定的，能量将不再被传递出去。
当单元控制器接收到停止储能指令，或所有涡簧箱中涡簧达到自身储能极限时，单元控制器控制断路器DL和制动开关K断开，制动线圈20断电，制动片15经过摩擦环16抱紧制动轮14，储能停止。这时本系统处于能量存储状态，直到接收到一个能量释放的控制信号。
当需要释放能量时，单元控制器控制制动开关K闭合，使制动线圈20上电工作，制动片15松开制动轮14，主轴7在涡簧箱5中涡簧13弹力的作用下反向转动，并将转动和动力传递给永磁电机4；同时单元控制器检测断路器DL两侧（变流器侧和电网侧）电压的幅值、频率和相位，控制变流器（第一全控桥Q1、第二全控桥Q2分别运行于整流和逆变状态）使其输出电压和频率满足并网要求时，发出合闸命令，断路器DL合闸，完成同期并网。当储能箱1弹性势能释放完毕，单元控制器控制使制动开关K断开，制动线圈20断电，制动片15经过摩擦环16抱紧制动轮14，完成弹性势能到电能的释放。当单元控制器接收到停止释能指令时，或所有储能箱能量释放完毕时，单元控制器控制断路器DL断开。
参看图8，变流器由两个共用直流环节的交—直—交电压型PWM三相整流/逆变器组成，即与定子相连的第一全控桥Q1以及和电网相连的第二全控桥Q2，Q1主要用于实现永磁电机4功率、转速的控制，Q2用于稳定直流侧母线电压及控制网侧功率因素，电容C用于滤波和稳压。在永磁电机4运行于发电机状态时，第一全控桥Q1运行于整流状态，第二全控桥Q2运行于逆变状态，第一全控桥Q1采用经典的直流电流分量i d=0控制策略，在i d=0的前提下，只要保持定子电流与d轴垂直，就可以通过控制交轴电流分量i q来控制转矩，从而控制电机转速。第二全控桥Q2采用电网电压定向矢量控制，控制电网侧功率因数以及保持双PWM变流器中间环节直流电压的恒定，并实现永磁电机4输出电能的恒频恒压控制和输出有功功率、无功功率解耦控制，稳定的向电网输送电能，满足电网功率因素和频率要求。发电过程中，电抗器L2能起到平稳滤波的作用，使系统发出的电能质量更高。在永磁电机4运行于电动机状态时，第一全控桥Q1运行于逆变状态，第二全控桥Q2运行于整流状态，变流器向永磁电机4输入频率可调的启动电流，使永磁电机4按变频方式启动，随着转子转速的增加，输入频率也增大，最终使永磁电机4运行于同步电动机状态。电抗器L1在变频启动过程中能减小启动冲击电流；启动完成后，L2、C2组成的滤波器能平稳滤波，保证输出的波形更接近于正弦波。
参见图1，中央监控器是弹性储能发电站的监控系统，其通过各单元控制器对下设的各系统单元实施控制。主要用于接受电网或本地的储能和发电控制指令，对各单元控制器发出相应的储能和发电指令，并对各系统单元的投入顺序和同时投入运行数量进行控制。同时，负责对各个弹性储能发电系统单元进行状态监测，确保整个弹性储能发电站运行在正常工作状态。
在电力系统实际运行中，本发明运行过程为：
当电网电能富余时，弹性储能发电站中央监控器接受电网或本地的储能指令，中央监控器就按照预定的控制规则给各单元控制器发出储能指令。单元控制器控制断路器DL合闸，使制动开关K闭合，制动线圈20上电工作，制动片15松开制动轮14，永磁电机4按变频调速电动机方式运行，第一全控桥Q1运行于逆变状态，第二全控桥Q2运行于整流状态。启动开始时，单元控制器通过控制变流器使定子绕组通入频率很低的三相交流电流，带动转子旋转。随后定子边电源频率逐渐增加，转子转速逐渐升高。当转子达到额定转速后，永磁电机4就运行于额定转速下的电动机状态，电网电能使储能箱1中涡簧箱5的涡簧13拧紧，涡簧箱5中涡簧13旋紧的同时将带动其涡簧壁12和齿轮圈11同方向转动，由于涡簧箱5的齿轮圈11与串联的第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11啮合，齿轮圈11转动将带动第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11和第二涡簧壁5-2-12反方向转动，使其第二涡簧5-2-13拧紧。第二涡簧5-2-13拧紧的同时将带动其主轴5-2-7同方向转动，由于第二涡簧箱5-2主轴5-2-7与第三涡簧箱5-3的主轴5-3-7是连接在一起的，主轴5-2-7转动将使第三涡簧箱5-3中第三涡簧5-3-13拧紧，第三涡簧5-3-13拧紧的同时又带动其第三涡簧壁5-3-12和第三齿轮圈5-3-11同方向转动，由于第三涡簧箱5-3的第三齿轮圈5-3-11与串联的第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11啮合，第三齿轮圈5-3-11转动将带动第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11和第四涡簧壁5-4-12反方向转动，使其涡簧5-4-13拧紧。涡簧5-4-13拧紧的同时将带动其主轴5-4-7同方向转动，由于第四涡簧箱5-4主轴5-4-7与第五涡簧箱5-5的主轴5-5-7是连接在一起的，主轴5-4-7转动将使第五涡簧箱5-5中第五涡簧5-5-13拧紧，第五涡簧5-5-13拧紧的同时又带动其第五涡簧壁5-5-12和第五齿轮圈5-5-11同方向转动，由于第五涡簧箱5-5的第五齿轮圈5-5-11与串联的第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11啮合，第五齿轮圈5-5-11转动将带动第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11和第六涡簧壁5-6-12反方向转动，使其第六涡簧5-6-13拧紧。第六涡簧箱5-6（图7所示最后一个涡簧）的主轴是固定的，能量将不再被传递出去。当所有涡簧箱中涡簧拧紧到满位或接到停止储能指令时，单元控制器使制动开关K断开，制动线圈20断电，制动片15通过摩擦环16抱紧制动轮14，将所有涡簧箱中涡簧维持锁紧状态，单元控制器控制断路器DL断开，直到接收到一个能量释放的控制信号。
当电网电能不足时，或电网处于紧急状态需要有功功率支持时，弹性储能发电站中央监控器接收电网或本地的发电命令，中央监控器就按照预定的控制规则给各单元控制器发出发电指令。单元控制器控制使制动开关K闭合，制动线圈20上电工作，制动片15松开制动轮14，永磁电机4工作于发电机状态，储能箱1中涡簧箱5锁紧的涡簧13释放弹性能，使永磁电机4按发电机方式运行。涡簧13松开的同时将带动其涡簧壁12和齿轮圈11同方向转动，涡簧箱5的齿轮圈11与串联的第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11啮合，齿轮圈11转动将带动串联第二涡簧箱5-2的齿轮圈5-2-11和第二涡簧壁5-2-12反方向转动，使其第二涡簧5-2-13松开。第二涡簧5-2-13松开的同时将带动其主轴5-2-7同方向转动，由于第二涡簧箱5-2主轴5-2-7与第三涡簧箱5-3的主轴5-3-7是连接在一起的，主轴5-2-7转动将使第三涡簧箱5-3中第三涡簧5-3-13松开，第三涡簧5-3-13松开的同时又带动其第三涡簧壁5-3-12和第三齿轮圈5-3-11同方向转动，由于第三涡簧箱5-3的第三齿轮圈5-3-11与串联的第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11啮合，第三齿轮圈5-3-11转动将带动串联第四涡簧箱5-4的第四齿轮圈5-4-11和第四涡簧壁5-4-12反方向转动，使其涡簧5-4-13松开。涡簧5-4-13松开的同时将带动其主轴5-4-7同方向转动，由于第四涡簧箱5-4主轴5-4-7与第五涡簧箱5-5的主轴5-5-7是连接在一起的，主轴5-4-7转动将使第五涡簧箱5-5中第五涡簧5-5-13松开，第五涡簧5-5-13松开的同时又带动其第五涡簧壁5-5-12和第五齿轮圈5-5-11同方向转动，由于第五涡簧箱5-5的第五齿轮圈5-5-11与串联的第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11啮合，第五齿轮圈5-5-11转动将带动串联第六涡簧箱5-6的第六齿轮圈5-6-11和第六涡簧壁5-6-12反方向转动，使其第六涡簧5-6-13松开。第六涡簧箱5-6的主轴是固定的。永磁电机4发电运行的同时，第一全控桥Q1运行于整流状态，第二全控桥Q2运行于逆变状态。同时单元控制器检测断路器DL两侧（变流器侧和电网侧）电压的幅值、频率和相角，控制变流器使其发出的电压幅值、频率和相角分别与电网侧电压的幅值、频率和相角满足允许的同期并网条件时给断路器DL发出合闸命令，将弹性储能发电系统并入电网，输出满足电能质量要求的合格电能，以弥补电网功率的不足，提高电网运行的稳定性。当单元控制器接收到停止释能指令或储能箱能量释放完毕时，单元控制器控制断路器DL断开。
在有“间歇性”电源的地方，电网受间歇式电源固有的“间歇性”和“波动性”影响较大。若在这些地方配套建设本弹性储能发电系统或弹性储能发电站，通过对其实时控制进行快速的储能与发电，就能储存多余的电能并适时释放电能，就地平衡减少间歇式电源对电力系统的不利影响，提高电网接纳间歇性电源的能力。
实施中，实时记录涡簧所处的位置（释放或存储的圈数）非常有必要，但是直接测量或记录涡簧本身所处位置有一定难度，为此，可在主轴7上设置一个多圈绝对式光电编码器，通过记录主轴7所转的圈数，间接测量出弹簧所处的位置。多圈编码器一个优点是测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必确定准确的零点，只需任意将某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装调试难度。
Claims (2)
1.一种永磁电机式弹性储能发电系统，其特征是，它由中央监控器和多个系统单元构成，每个系统单元均由储能箱（1）、电磁制动器（2）、齿轮变速箱（3）、永磁电机（4）、变流器、断路器（DL）和单元控制器组成，所述永磁电机（4）的转子经齿轮变速箱（3）、电磁制动器（2）与储能箱（1）连接，定子线圈经变流器、断路器（DL）与电网连接；储能箱（1）、电磁制动器（2）、齿轮变速箱（3）、永磁电机（4）、变流器和断路器（DL）的监控端均接单元控制器，所述单元控制器通过通讯接口与中央监控器连接；
所述储能箱（1）由主轴（7）、涡簧箱（5）、箱体（8）组成，所述主轴（7）一端经箱体轴承（8）与涡簧箱（5）涡簧片（13）连接，另一端经电磁制动器（2）连接齿轮变速箱（3）；所述涡簧箱（5）为多个，每个涡簧箱由涡簧壁（12）和涡簧（13）组成；所述涡簧壁（12）有内壁和外壁，外壁上固定有齿轮圈(11)；所述涡簧（13）由一根或多根涡簧片组成，每根涡簧片的两端分别与主轴（7）和涡簧箱内壁连接；
所述系统的储能箱（1）设置多个涡簧箱，每个涡簧箱的外壁上都固定有齿轮圈，齿轮圈与其串联的涡簧箱齿轮圈啮合，当第一涡簧箱中第一涡簧（5-1-13）旋紧或松开，就将带动其第一涡簧壁（5-1-12）和第一齿轮圈（5-1-11）同方向转动，与此啮合的第二涡簧箱（5-2）第二涡簧壁（5-2-12）和齿轮圈（5-2-11）反方向转动，使第二涡簧箱（5-2）中第二涡簧（5-2-13）旋紧或松开，并使其主轴（5-2-7）随齿轮圈（5-2-11）同向转动；主轴连接在一起的第二涡簧箱（5-2）又带动第三涡簧箱（5-3）第三涡簧壁（5-3-12）和第三齿轮圈（5-3-11）同方向转动，使第三涡簧箱（5-3）中第三涡簧（5-3-13）旋紧或松开，第三涡簧（5-3-13）旋紧或松开又带动其第三涡簧壁（5-3-12）和第三齿轮圈（5-3-11）同方向转动，带动与此啮合的第四涡簧箱（5-4）第四涡簧壁（5-4-12）和第四齿轮圈（5-4-11）反方向转动，使其涡簧（5-4-13）旋紧或松开，并使其主轴（5-4-7）随第四齿轮圈（5-4-11）同向转动；主轴连接在一起的第四涡簧箱（5-4）又带动第五涡簧箱（5-5）第五涡簧壁（5-5-12）和第五齿轮圈（5-5-11）同方向转动，使第五涡簧箱（5-5）中第五涡簧（5-5-13）旋紧或松开，第五涡簧（5-5-13）旋紧或松开又带动其第五涡簧壁（5-5-12）和第五齿轮圈（5-5-11）同方向转动，带动与此啮合的第六涡簧箱（5-6）第六涡簧壁（5-6-12）和第六齿轮圈（5-6-11）反方向转动，使其第六涡簧（5-6-13）旋紧或松开，第六涡簧箱（5-6）的轴承是固定的。
2.根据权利要求1所述的永磁电机式弹性储能发电系统，其特征在于，所述电磁制动器（2）由制动轮（14）和抱闸组成，所述制动轮（14）套装在主轴（7）上，其两个侧面上均设置有摩擦环（16），所述抱闸设置多个，它们沿制动轮（14）周边均布，每个抱闸均由制动拉簧（17）、两个制动片（15）和两个电磁衔铁（19）组成，所述两个制动片（15）彼此相对且分别位于制动轮（14）的两侧，每个制动片（15）的一端通过连接件（18）与固定端连接，另一端与摩擦环（16）相对应，所述两个电磁衔铁（19）同极相对，它们的衔铁（19）分别固定于两个制动片（15）的相对面中部，它们的制动线圈（20）经制动开关（K）接直流电源，制动开关由单元控制器控制；所述制动拉簧（17）的两端分别与两个制动片（15）连接；所述电磁制动器（2）在第一涡簧箱主轴（7）上安装。
3、根据权利要求2所述永磁电机式弹性储能发电系统，其特征是，所述变流器由两个直流侧相接的三相电压型PWM全控桥组成，第一全控桥（Q1）的交流侧接永磁电机（2）的定子线圈，第二全控桥（Q2）的交流侧断路器（DL）接电网，两全控桥直流侧还设置有滤波电容（C），控制端接单元控制器。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130424 |
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