CN109936215A - 一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能装置不间断供电技术领域，具体涉及一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其包括：双向直流‑交流功率变换器、永磁同步电机、变压器组件、内部供电电源、用电负载和外部供电电源，该系统采用两路电源供电，在外部供电电源供电异常的情况下，仍能通过内部供电电源供电，在内部供电电源供电异常的情况下，可通过外部供电电源供电，确保为磁悬浮飞轮储能装置内部的用电负载提供不间断供电，大大提高了磁悬浮飞轮储能装置的安全性和可靠性，延长磁悬浮飞轮储能装置的使用寿命。

Description

一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统

技术领域

本发明涉及储能装置不间断供电技术领域，具体涉及一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统。

背景技术

磁悬浮飞轮储能装置是指使用磁悬浮轴承支撑的飞轮储能装置，是飞轮储能的一个重要的技术发展方向。传统飞轮储能装置通常采用机械轴承支撑，轴承摩擦损耗比较大，发热比较严重，工作寿命较短，且飞轮的转速难以提高。采用磁悬浮轴承支撑的飞轮储能装置，磁悬浮轴承和飞轮转子之间不直接接触，运转过程无机械磨损，因此，磁悬浮轴承运行稳定，工作寿命长。由于磁悬浮轴承与轴之间没有直接接触面，因此也无需润滑，避免了润滑剂泄露带来的污染，节省了传统润滑系统所需要的泵、管道、过滤器和密封件等，能够在高温或低温等特殊环境下工作。飞轮储能系统采用磁悬浮轴承后，只要飞轮的材料有足够的机械强度和疲劳寿命，飞轮的转速就可以大大提高，储能密度也因此得到提高。

磁悬浮飞轮储能装置包括主控制器、磁悬浮控制器、显示器、功率变换器、真空泵等部件，这些部件在运行过程中，自身也需要用电，通常通过外部输入辅助电源来维持装置自身的用电需求。磁悬浮控制器作为磁悬浮飞轮储能装置的重要部件，其主要作用是控制磁悬浮轴承的正常运行。一旦磁悬浮控制器的供电中断，磁悬浮轴承就会失效，失去对飞轮的支撑作用，飞轮就会跌落在备用机械轴承上，系统将会自动保护停机，不能正常工作。高速旋转的飞轮如果落在备用机械轴承上，还会造成备用机械轴承的磨损，减少其使用寿命。因此，磁悬浮控制器的供电非常重要，维持磁悬浮控制器供电的不间断，对于提高磁悬浮飞轮储能装置的安全性、可靠性和使用寿命具有重要的意义。

为了保证磁悬浮控制器乃至整个磁悬浮飞轮储能装置自身用电的不间断，通常接入的外部辅助电源来自不间断电源系统(UPS)。但是UPS本身也存在一定的故障几率，一旦由UPS提供的供电电源中断，仍会影响磁悬浮飞轮储能装置的可靠性。单靠一路外部不间断电源供电仍难以满足磁悬浮飞轮储能装置对供电不间断的要求，如果外部辅助电源由多套不同的不间断电源系统供电，又会增加系统的成本和复杂度。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，该系统包括：双向直流-交流功率变换器、永磁同步电机、变压器组件、内部供电电源、用电负载和外部供电电源；其中，

所述双向直流-交流功率变换器的两侧分别与外部直流系统和所述永磁同步电机连接，所述双向直流-交流功率变换器用于控制所述磁悬浮飞轮储能装置的工作模式；

所述变压器组件设于所述双向直流-交流功率变换器和所述永磁同步电机之间，所述变压器组件的输入端接于所述永磁同步电机机端，所述变压器组件的输出端连接所述内部供电电源，所述变压器组件用于将输入端的电压进行变换并输出与所述内部供电电源相适配的电压；

所述用电负载与所述内部供电电源和外部供电电源均相连接，所述内部供电电源和所述外部供电电源用于给所述用电负载供电，在所述内部供电电源和所述外部供电电源两者中的其中一个供电异常时，自动切换至另一个进行供电，以使所述用电负载正常运行。

优选地，所述双向直流-交流功率变换器具有直流侧和交流侧，所述双向直流-交流功率变换器的直流侧与外部直流系统连接，所述双向直流-交流功率变换器的交流侧通过三相交流线与所述永磁同步电机连接。

优选地，所述工作模式包括充电模式和放电模式，当所述磁悬浮飞轮储能装置处于充电模式时，所述外部直流系统的输出功率从所述双向直流-交流功率变换器的直流侧流向所述双向直流-交流功率变换器的交流侧；当所述磁悬浮飞轮储能装置处于放电模式时，所述永磁同步电机的输出功率从所述双向直流-交流功率变换器的交流侧流向所述双向直流-交流功率变换器的直流侧。

优选地，所述用电负载具有第一供电输入端口和第二供电输入端口，所述第一供电输入端口用于连接所述内部供电电源，所述第二供电输入端口用于连接所述外部供电电源。

优选地，所述内部供电电源为交流-直流电源模块，所述交流-直流电源模块具有交流侧和直流侧，所述交流-直流电源模块的交流侧与所述变压器组件的输出端连接，所述交流-直流电源模块的直流侧与所述用电负载连接，所述交流-直流电源模块将所述变压器组件输出的交流电变换成与用电负载相适配的直流电，为所述用电负载供电。

优选地，所述变压器组件为单相变压器或三相变压器，所述三相变压器的输入端接于所述永磁同步电机机端的三相交流线，所述单相变压器的输入端接于所述永磁同步电机机端的三相交流线中的其中两相交流线，所述单相变压器或三相变压器的输出端连接所述内部供电电源。

优选地，所述变压器组件为一个单相变压器、两个单相变压器、三个单相变压器或一个三相变压器。

优选地，所述外部供电电源为直流电或交流电。

优选地，所述外部供电电源为不间断电源系统或市电。

优选地，所述用电负载包括磁悬浮控制器。

本发明的系统采用两路电源供电，在外部供电电源供电异常的情况下，仍能通过内部供电电源供电，在内部供电电源供电异常的情况下，可通过外部供电电源供电，确保磁悬浮飞轮储能装置的用电负载提供不间断供电，大大提高了磁悬浮飞轮储能装置的安全性和可靠性，延长磁悬浮飞轮储能装置的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统的结构框图。

图2是本发明的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统采用内部供电电源供电的电能流向示意图。

图3是本发明的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统采用外部供电电源供电的电能流向示意图。

图4是本发明的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统在充电模式下的电能流向示意图。

图5是本发明的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统在放电模式下的电能流向示意图。

图6是本发明的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统在正常待机模式下的电能流向示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。

本发明的实施例公开了一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，采用两路电源供电，在外部供电电源供电异常的情况下，仍能通过内部供电电源供电，在内部供电电源供电异常的情况下，可通过外部供电电源供电，确保磁悬浮飞轮储能装置的用电负载提供不间断供电，大大提高了磁悬浮飞轮储能装置的安全性和可靠性，延长磁悬浮飞轮储能装置的使用寿命。

图1示出了一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，请参见图1，该系统包括：双向直流-交流功率变换器10、永磁同步电机20、变压器组件30、内部供电电源40、用电负载50和外部供电电源60，其中，双向直流-交流功率变换器10的两侧分别与外部直流系统70和永磁同步电机20连接，变压器组件30设于双向直流-交流功率变换器10和永磁同步电机20之间，变压器组件30的输入端301接于永磁同步电机20机端，变压器组件30的输出端302连接内部供电电源40，用电负载50与内部供电电源40和外部供电电源60均相连接，内部供电电源40和外部供电电源60用于给用电负载50供电。在内部供电电源40和外部供电电源60两者中的其中一个供电异常时，自动切换至另一个进行供电，以使用电负载50正常运行。

进一步地，请参见图1，双向直流-交流功率变换器10具有直流侧DC和交流侧AC，双向直流-交流功率变换器10的直流侧DC与外部直流系统70连接，双向直流-交流功率变换器10的交流侧AC通过三相交流线80与永磁同步电机20连接。双向直流-交流功率变换器10用于控制磁悬浮飞轮储能装置的工作模式。上述工作模式包括充电模式和放电模式，当磁悬浮飞轮储能装置处于充电模式时，双向直流-交流功率变换器10控制外部直流系统70的输出功率从双向直流-交流功率变换器10的直流侧DC流向双向直流-交流功率变换器10的交流侧AC，经过三相交流线80输入永磁同步电机20，驱动永磁同步电机20作为电动机运行，电机转子带动飞轮加速旋转，将电能转化为飞轮的动能；当磁悬浮飞轮储能装置处于放电模式时，双向直流-交流功率变换器10控制永磁同步电机20的输出功率从双向直流-交流功率变换器10的交流侧AC流向双向直流-交流功率变换器10的直流侧DC，永磁同步电机20作为发电机运行，利用飞轮的惯性驱动永磁同步电机20发电，将飞轮储存的动能转化为电能输出。

进一步地，请参见图1，用电负载50具有第一供电输入端口501和第二供电输入端口502，第一供电输入端口501用于连接内部供电电源40，第二供电输入端口202用于连接外部供电电源60。

进一步地，请参见图1，内部供电电源40为交流-直流电源模块，交流-直流电源模块具有交流侧AC和直流侧DC，交流-直流电源模块的交流侧AC与变压器组件30的输出端302连接，交流-直流电源模块的直流侧DC与用电负载50连接，交流-直流电源模块将变压器组件30输出的交流电变换成与用电负载50相适配的直流电，为用电负载50供电。在外部供电电源60供电中断以及双向直流-交流功率变换器10停止工作的情况下，仍能利用磁悬浮飞轮储能装置内部飞轮存储的动能和永磁同步电机20来发电，保证用电负载50不间断供电。

进一步地，变压器组件30为三相变压器或单相变压器，三相变压器的输入端接于永磁同步电机20机端的三相交流线80，单相变压器的输入端接于永磁同步电机20机端的三相交流线80中的其中两相交流线，单相变压器或三相变压器的输出端连接内部供电电源40。变压器组件30用于将输入端301的电压进行变换并输出与内部供电电源40相适配的电压，此处，变压器组件30还起到隔离的作用。更进一步地，变压器组件30为一个单相变压器、两个单相变压器、三个单相变压器或一个三相变压器，变压器组件30为一个三相变压器时，三相变压器的输入端接于永磁同步电机20机端的三相交流线，三相变压器的输出端连接内部供电电源40，通过内部供电电源40为用电负载50供电。变压器组件为一个单相变压器时，从永磁同步电机20机端引出一组相间电压接入单相变压器，通过内部供电电源40为用电负载50供电；变压器组件30为两个单相变压器时，从永磁同步电机20机端引出两组相间电压分别接入两个单相变压器，通过内部供电电源40为用电负载50供电；变压器组件30为三个单相变压器时，从永磁同步电机20机端引出三组相间电压分别接入三个单相变压器，通过内部供电电源40为用电负载50供电。在本实施例中，变压器组件30为一个单相变压器。

进一步地，外部供电电源60为直流电或交流电。更进一步地，外部供电电源60为不间断电源系统或市电，优选地，外部供电电源60采用不间断电源系统，供电更加稳定，不受外界环境的影响，有效保证用电负载50的正常供电。

进一步地，用电负载50包括但不限于磁悬浮控制器，本实施例中，以用电负载50为磁悬浮控制器为例，内部供电电源40与外部供电电源60协调作用实现不间断供电，控制磁悬浮轴承的正常运行，防止磁悬浮控制器的供电中断，导致飞轮跌落在备用机械轴承上，造成备用机械轴承的磨损。

在本实施例中，磁悬浮飞轮储能装置实时监测内部供电电源40和外部供电电源60的供电状态，并根据监测结果采取相应的控制策略保证系统内部用电负载50供电不间断。

进一步地，控制策略包括：

(1)内部供电电源40优先的策略：当系统检测到内部供电电源40正常时，优先采用内部供电电源40给用电负载50供电，外部供电电源60作为备用电源，如图2所示。当内部供电电源40异常时，系统自动切换到外部供电电源60，如图3所示。

(2)外部供电电源60优先的策略：当系统检测到外部供电电源60正常时，优先采用外部供电电源60给用电负载50供电，内部供电电源40作为备用电源，如图3所示。当外部供电电源60异常时，系统自动切换到内部供电电源40，如图2所示。

进一步地，内部供电电源40供电正常时，磁悬浮飞轮储能装置的工作模式包括但不限于以下模式：充电模式、放电模式和正常待机模式。

请参见图4，磁悬浮飞轮储能装置处于充电模式，外部供电系统70的功率通过双向直流-交流功率变换器10从直流侧DC流入交流侧AC，一部分功率流入永磁同步电机20，另一部分功率通过变压器组件30流入内部供电电源40，进而通过内部供电电源40给用电负载50供电。

请参见图5，磁悬浮飞轮储能装置处于放电模式，永磁同步电机20的输出功率一部分通过双向直流-交流功率变换器10从交流侧AC流入直流侧DC，另一部分通过变压器组件30流入内部供电电源40，进而通过内部供电电源40给用电负载50供电。

请参见图6，磁悬浮飞轮储能装置处于正常待机模式，对外既不充电也不放电，但是飞轮仍在高速旋转，可通过永磁同步电机20发电，给用电负载50供电。永磁同步电机20发出的交流电，通过变压器组件30流入内部供电电源40，进而通过内部供电电源40给用电负载50供电。

需要说明的是，在本实施例中，在双向直流-交流功率变换器10停止工作或损坏的条件下，只要飞轮在高速旋转且内部供电回路正常，内部供电电源40仍能给磁悬浮飞轮储能装置的用电负载50提供电源，保证磁悬浮飞轮储能装置的平稳停机。

进一步地，内部供电电源40供电异常时，磁悬浮飞轮储能装置的工作模式包括但不限于以下模式：低速待机模式或静止模式。

磁悬浮飞轮储能装置处于低速待机模式下，磁悬浮飞轮储能装置对外既不充电也不放电，但是飞轮的转速低于最低发电转速，永磁同步电机20不能对外发电。此模式下内部供电电源40不能正常工作，不能给用电负载50供电。此时需要切换到外部供电电源60给用电负载50供电。

磁悬浮飞轮储能装置处于静止模式下，飞轮的转速为零，永磁同步电机20不能对外发电。此模式下内部供电电源40不能正常工作，不能给用电负载50供电。此时需要切换到外部供电电源60给用电负载50供电。

进一步地，内部供电电源40供电异常还包括：内部供电回路异常。

进一步地，外部供电电源60供电异常还包括：外部供电回路异常。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，该系统包括：双向直流-交流功率变换器、永磁同步电机、变压器组件、内部供电电源、用电负载和外部供电电源；其中，

所述双向直流-交流功率变换器的两侧分别与外部直流系统和所述永磁同步电机连接，所述双向直流-交流功率变换器用于控制所述磁悬浮飞轮储能装置的工作模式；

所述变压器组件设于所述双向直流-交流功率变换器和所述永磁同步电机之间，所述变压器组件的输入端接于所述永磁同步电机机端，所述变压器组件的输出端连接所述内部供电电源，所述变压器组件用于将输入端的电压进行变换并输出与所述内部供电电源相适配的电压；

所述用电负载与所述内部供电电源和外部供电电源均相连接，所述内部供电电源和所述外部供电电源用于给所述用电负载供电，在所述内部供电电源和所述外部供电电源两者中的其中一个供电异常时，自动切换至另一个进行供电，以使所述用电负载正常运行。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述双向直流-交流功率变换器具有直流侧和交流侧，所述双向直流-交流功率变换器的直流侧与外部直流系统连接，所述双向直流-交流功率变换器的交流侧通过三相交流线与所述永磁同步电机连接。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述工作模式包括充电模式和放电模式，当所述磁悬浮飞轮储能装置处于充电模式时，所述外部直流系统的输出功率从所述双向直流-交流功率变换器的直流侧流向所述双向直流-交流功率变换器的交流侧；当所述磁悬浮飞轮储能装置处于放电模式时，所述永磁同步电机的输出功率从所述双向直流-交流功率变换器的交流侧流向所述双向直流-交流功率变换器的直流侧。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述用电负载具有第一供电输入端口和第二供电输入端口，所述第一供电输入端口用于连接所述内部供电电源，所述第二供电输入端口用于连接所述外部供电电源。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述内部供电电源为交流-直流电源模块，所述交流-直流电源模块具有交流侧和直流侧，所述交流-直流电源模块的交流侧与所述变压器组件的输出端连接，所述交流-直流电源模块的直流侧与所述用电负载连接，所述交流-直流电源模块将所述变压器组件输出的交流电变换成与用电负载相适配的直流电，为所述用电负载供电。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述变压器组件为单相变压器或三相变压器，所述三相变压器的输入端接于所述永磁同步电机机端的三相交流线，所述单相变压器的输入端接于所述永磁同步电机机端的三相交流线中的其中两相交流线，所述单相变压器或三相变压器的输出端连接所述内部供电电源。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述变压器组件为一个单相变压器、两个单相变压器、三个单相变压器或一个三相变压器。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述外部供电电源为直流电或交流电。

9.根据权利要求8所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述外部供电电源为不间断电源系统或市电。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的磁悬浮飞轮储能装置的不间断供电系统，其特征在于，所述用电负载包括磁悬浮控制器。