CN113258713A - 飞轮储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮储能系统，飞轮储能系统包括：飞轮储能装置；轴承控制器；电力电子逆变器；飞轮/电机控制器；负载；通断器，通断器设置于负载和电机之间，通断器还与轴承控制器电连接，在磁轴承正常工作时，通断器断开，在磁轴承故障或轴承控制器故障时，通断器自动闭合。由此，将负载通过通断器与电机直接连接，当磁轴承故障或轴承控制器故障时，通断器闭合，电机与负载电连接，电机将自动地快速降速，从而降低飞轮跌落至备用轴承上的旋转时间，进而提升备用轴承的使用寿命，这样可以避免其他结构的损坏或失效对负载与电机的电连接造成影响，可以提升负载降低电机转速的稳定性与可靠性，从而可以可靠地提升备用轴承的使用寿命。

Description

飞轮储能系统

技术领域

本发明涉及飞轮储能技术领域，尤其是涉及一种飞轮储能系统。

背景技术

主动控制磁悬浮轴承系统，由于其低损耗、高轴系表面运动速度、高可靠性、高寿命以及低维护的特点，被广泛应用于国际、国内高端飞轮系统中，其中，主动控制磁悬浮轴承系统通过磁轴承支撑飞轮系统中的飞轮，但是由于磁轴承本身需要靠控制环来进行稳定，当轴承本身出现系统故障，譬如系统断电、轴承控制器烧毁、在外部扰动（如地震）下控制器过载等等情况下，磁轴承将无法对飞轮轴系提供有效支撑。

因此，应用在高速飞轮系统上的主动控制磁悬浮轴承系统需要配备备用轴承，以提供磁轴承失效紧急情况下的轴系支撑，备用轴承的寿命主要取决于两方面：轴系转速以及轴承负载，高速飞轮系统上的的备用轴承在这两方面的工况十分恶劣，一般只能支撑飞轮几次的失效跌落。

因此，如何在轴系转速以及轴承负载不变的前提下，提升备用轴承系统所能承受的跌落次数，是进一步提高采用主动控制磁悬浮轴承的高速飞轮系统可靠性以及可维护性，以及进一步降低系统成本的关键技术。

在现有技术中，当磁轴承无法有效支撑飞轮，飞轮跌落至备用轴承上，备用轴承支撑飞轮时，电力电子将收到磁轴承的错误信号，此时电机向飞轮外部负载发电，电机在飞轮外部负载的作用下快速降速，从而降低与电机传动连接的飞轮的转速，进而降低飞轮在备用轴承上的旋转时间，实现对备用轴承寿命的提升。

但是，由于电机与外部负载之间还连接设置有电力电子逆变器、UPS备用电源和PCS储能变流器等其他部件，当这些部件损坏或者失效，外部负载将无法与电机电连接时，或者当外部负载丢失时，电机的转速将无法得到降低，这样会使飞轮转速降低的可靠性较小，从而不能保证备用轴承的理论寿命。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种飞轮储能系统，该飞轮储能系统通过将负载与电机通过通断器直接连接，可以提升负载降低电机转速的可靠性，从而可以提升备用轴承的使用寿命。

根据本发明实施例的飞轮储能系统，包括：飞轮储能装置，所述飞轮储能装置包括：主轴、飞轮、电机、磁轴承、磁轴承传感器和备用轴承，所述电机包括：转子和定子，所述飞轮和所述转子均设置于所述主轴上且在轴向间隔设置，所述定子设置于所述转子的外侧，所述磁轴承和所述备用轴承均对应设置在所述主轴的轴端；轴承控制器，所述轴承控制器分别与所述磁轴承和所述磁轴承传感器电连接；电力电子逆变器，所述电力电子逆变器与所述电机电连接；飞轮/电机控制器，所述飞轮/电机控制器与所述电力电子逆变器电连接，且所述飞轮/电机控制器与所述轴承控制器电连接；负载；通断器，所述通断器设置于所述负载和所述电机之间，所述通断器还与所述轴承控制器电连接，在所述磁轴承正常工作时，所述通断器断开，在所述磁轴承故障或所述轴承控制器故障时，所述通断器自动闭合。

由此，将负载通过通断器与电机直接连接，当磁轴承故障或轴承控制器故障时，通断器闭合，电机与负载电连接，电机将自动地快速降速，从而降低飞轮跌落至备用轴承上的旋转时间，进而提升备用轴承的使用寿命，这样可以避免其他结构的损坏或失效对负载与电机的电连接造成影响，可以提升负载降低电机转速的稳定性与可靠性，从而可以可靠地提升备用轴承的使用寿命。

根据本发明的一些实施例，所述通断器为常闭电控开关，在所述磁轴承正常工作时，所述磁轴承的错误信号电平被所述轴承控制器拉高，所述常闭电控开关打开，在所述磁轴承故障或所述轴承控制器故障时，所述磁轴承的错误信号电平拉低，所述常闭电控开关自动闭合。

根据本发明的一些实施例，所述通断器连接于所述电机的三相线束或任意两相线束上。

根据本发明的一些实施例，所述负载为高功耗电阻。

根据本发明的一些实施例，所述负载为多个，多个所述负载串联连接。

根据本发明的一些实施例，所述磁轴承包括：轴向磁轴承和/或径向磁轴承。

根据本发明的一些实施例，所述备用轴承包括：轴向备用轴承和/或径向备用轴承。

根据本发明的一些实施例，所述飞轮储能装置还包括：电机传感器，所述电机传感器与所述轴承控制器电连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的飞轮储能系统的示意图。

附图标记：

100-飞轮储能系统；

10-飞轮储能装置；11-飞轮；12-电机；13-磁轴承；14-磁轴承传感器；15-备用轴承；

20-轴承控制器；

30-电力电子逆变器；31-飞轮/电机控制器；32-UPS备用电源；33-PCS储能变流器；

40-负载；41-通断器；

50-外部负载；60-电机传感器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。

下面参考图1描述根据本发明实施例的飞轮储能系统100。

如图1所示，根据本发明实施例的飞轮储能系统100，包括：飞轮储能装置10、轴承控制器20、电力电子逆变器30、飞轮/电机控制器31、负载40和通断器41，其中，飞轮储能装置10包括：主轴、飞轮11、电机12、磁轴承13、磁轴承传感器14和备用轴承15，电机12包括：转子和定子，飞轮11和转子均设置于主轴上，并且在轴向间隔设置，定子设置于转子的外侧，磁轴承13和备用轴承15均对应设置在主轴的轴端，磁轴承传感器14用于检测磁轴承13，轴承控制器20分别与磁轴承13和磁轴承传感器14电连接，电力电子逆变器30与电机12电连接，飞轮/电机控制器31与电力电子逆变器30电连接，并且飞轮/电机控制器31与轴承控制器20电连接。

需要说明的是，关于该飞轮储能系统100中的飞轮储能装置10、轴承控制器20、电力电子逆变器30和飞轮/电机控制器31的具体结构及功能与目前常规的飞轮储能系统中的飞轮储能装置、轴承控制器、电力电子逆变器和飞轮/电机控制器的具体结构及功能一致，即关于飞轮储能装置10的主轴、飞轮11、电机12、磁轴承13、磁轴承传感器14、备用轴承15，与轴承控制器20、电力电子控制器和飞轮/电机控制器31之间的具体作用、功能及相互之间的连接关系均与目前常规的飞轮储能系统对应一致，故此处不再一一赘述。

进一步地，结合图1所示，通断器41设置于负载40和电机12之间，通断器41还与轴承控制器20电连接，在磁轴承13正常工作时，通断器41断开，在磁轴承13故障或轴承控制器20故障时，通断器41自动闭合。具体地，在磁轴承13正常工作时，即磁轴承13与轴承控制器20处于稳定正常的状态时，磁轴承13可以对飞轮11起到稳定可靠地支撑作用，飞轮11将在电机12的驱动下，通过持续转动进行储能，此时与通断器41电连接的轴承控制器20将向通断器41发送断开的电信号，以控制通断器41处于断开状态，由于通断器41设置于负载40和电机12之间，并且与负载40和电机12均进行电连接，断开的通断器41将阻断电机12与负载40的电连接，从而使负载40此时不会对电机12的正常工作产生影响，这样可以保证飞轮11的转速，从而可以保证飞轮11正常工作时的储能效率。

相对应地，当磁轴承13故障或轴承控制器20故障时，磁轴承13将无法对飞轮11进行有效支撑，为了防止飞轮11跌落损坏，造成较大的经济损失，需要使备用轴承15支撑飞轮11，此时与通断器41电连接的轴承控制器20将向通断器41发送闭合的电信号，通断器41闭合后，电机12与负载40进行电连接，电机12需要向负载40发电，以使负载40进行相应地工作，如此，在向电机12供电的电源频率不变的情况下，电机12的转速将得到降低，从而使电机12驱动飞轮11的转动速度降低，进而在相同时间内，可以降低飞轮11在备用轴承15上的转动圈数，从而可以提升备用轴承15的使用寿命。

需要说明的是，由于电机12与负载40之间仅仅通过通断器41进行连接，所以当通断器41闭合时，电机12与负载40将稳定可靠地进行电连接，其他部件的损坏或者失效将不会对电机12和负载40的电连接产生影响，如此，在磁轴承13故障或轴承控制器20故障，备用轴承15支撑飞轮11转动时，可以提升电机12与负载40电连接的稳定性与可靠性，从而可以提升对降低飞轮11转速的可靠性，进而可以提升对增加备用轴承15的使用寿命的可靠性。

还有，如此设置，负载40和通断器41在飞轮储能系统100中的设置不会影响到其他部件正常的连接以及正常的工作，这样不仅可以简化飞轮储能系统100的结构设计，而且还可以防止飞轮储能系统100的控制方法变得复杂，可以提升飞轮储能系统100的可靠性。

进一步地，由于在磁轴承13故障或轴承控制器20故障后，负载40可以稳定可靠地对电机12进行降速，这样可以保证飞轮11跌落于备用轴承15，并且在备用轴承15上转动的时间一定，从而可以提升飞轮储能系统100跌落状态的一致性，从而使得备用轴承15的使用寿命期望值更加一致，可以防止备用轴承15的使用寿命不稳定，或者不确定因素较多，降低飞轮储能系统100的可靠性，这样可以促进飞轮储能系统100大规模量产以及应用。另外，在飞轮储能系统100实际应用的过程中，备用轴承15使用寿命稳定地增加可以降低飞轮储能系统100后期维护的费用，从而可以进一步地促进飞轮储能系统100的量产与应用。

其中，上述负载40为飞轮11内部的负载40，将上述负载40设置在飞轮11内，可以防止负载40丢失，导致磁轴承13故障或轴承控制器20故障时，负载40无法对电机12进行降速。

另外，由于负载40处于飞轮11的内部，可以防止外力的作用或者外界异物的侵蚀损坏负载40，可以提升负载40的可靠性，从而可以进一步地提升当磁轴承13故障或轴承控制器20故障时，负载40降低电机12转速的可靠性。

另外，在一些实施例中，飞轮储能系统100还可以在飞轮11内部设置负载40的基础上，设置外部负载50，外部负载50处在飞轮11外部，外部负载50与飞轮11之间连接有其他部件，例如：电力电子逆变器30、飞轮/电机控制器31、UPS备用电源32和PCS储能变流器33等，此处不进行一一赘述，当磁轴承13故障或轴承控制器20故障，并且外部负载40与飞轮11之间的部件处于正常状态时，外部负载50也可以对电机12的转速起到降低的作用，这样可以进一步地降低电机12的转速，从而可以进一步地提升备用轴承15的使用寿命。

但是，在此种情况下，如果磁轴承13故障或轴承控制器20故障，外部负载50和电机12之间的部件也出现故障，或者外部负载50丢失，外部负载50将无法对电机12的转速起到有效的降低作用 ，此时只有飞轮内部的负载40可以对电机12进行有效地降低转速的作用。

在另一些实施例中，也可以仅仅在飞轮11的内部设置上述负载40，这样可以在保证负载40对电机12转速的降低效果的前提下，简化飞轮储能系统100的结构。

由此，将负载40通过通断器41与电机12直接连接，当磁轴承13故障或轴承控制器20故障时，通断器41闭合，电机12与负载40电连接，电机12将自动地快速降速，从而降低飞轮11跌落至备用轴承15上的旋转时间，进而提升备用轴承15的使用寿命，这样可以避免其他结构的损坏或失效对负载40与电机12的电连接造成影响，可以提升负载40降低电机12转速的稳定性与可靠性，从而可以可靠地提升备用轴承15的使用寿命。

结合图1所示，通断器41为常闭电控开关，在磁轴承13正常工作时，磁轴承13的错误信号电平被轴承控制器20拉高，常闭电控开关打开，在磁轴承13故障或轴承控制器20故障时，磁轴承13的错误信号电平拉低，常闭电控开关自动闭合。具体而言，将通断器41设置为常闭电控开关，在飞轮储能系统100停止工作，或者处于待机状态，即磁轴承13与轴承控制器20没有正常工作时，常闭电控开关闭合，此时负载40与电机12电连接，但是由于此时飞轮储能系统100没有处于工作状态中，电源无法给电机12供电，电机12没有正常工作，所以电机12将不能向负载40发电，如此，可以使整个飞轮储能系统100处于停工状态，负载40与通断器41在飞轮储能系统100中的设置不会对飞轮储能系统100的停止工作，或者待机状态造成影响。

进一步地，在飞轮储能系统100开始工作，即磁轴承13和轴承控制器20正常工作，磁轴承13对飞轮11进行正常支撑时，磁轴承13的错误信号电平将被轴承控制器20拉高，由于通断器41与轴承控制器20电连接，此时轴承控制器20可以向常闭电控开关发送电信号，控制常闭电控开关打开，即负载40与电机12的电连接被阻断，如此，飞轮储能系统100在正常工作的情况下，负载40将不会对电机12的正常工作造成影响，从而不会对飞轮储能系统100的正常工作造成影响。

进一步地，在飞轮储能系统100正常工作，但突然磁轴承13故障或轴承控制器20故障时，磁轴承13的错误信号电平将会被轴承控制器20拉低，这样可以使轴承控制器20向常闭电控开关发送电信号，控制常闭电控开关闭合，即可以使负载40与电机12电连接，从而使电机12的转速快速降低，从而可以快速降低飞轮11的转速，可以降低飞轮11在备用轴承15上转动的时间，进而可以提升备用轴承15的使用寿命。

综上，如此设置，可以防止通断器41的打开或闭合发生错误，或者可以防止通断器41的打开或闭合具有延迟，这样可以提升通断器41根据飞轮储能系统100的具体工作情况进行闭合或者打开的可靠性，从而可以进一步地提升增加备用轴承15寿命的可靠性。

结合图1所示，通断器41连接于电机12的三相线束或任意两相线束上。具体地，电机12与电力电子逆变器30之间连接有A相、B相和C相这三相线束，当通断器41连接两相线束时，通断器41可以与A相和B相连接，也可以与B相和C相连接，还可以与A相和C相连接，当通断器41连接三相线束时，通断器41可以与A相、B相和C相连接。

进一步地，通断器41可以根据飞轮储能系统100的具体功率、负载40的具体功率以及飞轮储能系统100的设置成本选择性地连接于电机12的三相线束，或者任意两相线束上，这样可以提升通断器41与负载40的适用性，可以进一步地促进该飞轮储能系统100的量产与应用。

结合图1所示，负载40为高功耗电阻，高功耗电阻不仅可以使电机12的转速下降地更快，而且还可以使电机12的转速下降至更低值，从而可以进一步地提升备用轴承15的使用寿命。

进一步地，负载40为多个，多个负载40串联连接，相较于将直接设置一整个功耗较高的负载40，将负载40设置成多个，并且使多个负载40串联设置，可以在保证负载40的功率的前提下，使负载40的功率可以通过改变多个串联负载40的数量来进行调节，从而可以根据不同飞轮储能系统100下电机12以及电源的不同选择性地设置多个负载40串联的数量，从而可以使负载40与不同飞轮储能系统100相适配，这样可以进一步地促进该设置有负载40和通断器41的的飞轮储能系统100的量产与应用。

结合图1所示，磁轴承13可以主要包括：轴向磁轴承和/或径向磁轴承。具体地，在一些实施例中，磁轴承13可以只为轴向磁轴承，在飞轮11的轴向向飞轮11提供悬浮力进行支撑。在另一些实施例中，磁轴承13可以只为径向磁轴承，在飞轮11的径向向飞轮11提供悬浮力进行支撑。

在另一些实施例中，磁轴承13可以为轴向磁轴承和径向磁轴承，轴向磁轴承和径向磁轴承可以分别向飞轮11提供轴向悬浮力和径向悬浮力，以对飞轮11进行支撑，从而可以减小只靠轴向磁轴承承受飞轮11重力时，轴向磁轴承的负担，这样可以提高轴向磁轴承的可靠性，可以延长轴向磁轴承的使用寿命。另外，这样还可以降低飞轮11的能耗。

结合图1所示，备用轴承15可以主要包括：轴向备用轴承和/或径向备用轴承。具体地，当磁轴承13故障或者轴承控制器20故障，飞轮11跌落至备用轴承15上时，备用轴承15可以对飞轮11起到支撑的作用。在一些实施例中，备用轴承15可以只为轴向备用轴承，在飞轮11的轴向向飞轮11提供悬浮力进行支撑。在另一些实施例中，备用轴承15可以只为径向备用轴承，在飞轮11的径向向飞轮11提供悬浮力进行支撑。

在另一些实施例中，备用轴承15可以为轴向备用轴承和径向备用轴承，轴向备用轴承和径向备用轴承可以分别向飞轮11提供轴向悬浮力和径向悬浮力，以对飞轮11进行支撑，从而可以减小只靠轴向备用轴承承受飞轮11重力时，轴向备用轴承的负担，这样可以提高轴向备用轴承的可靠性，可以延长轴向备用轴承的使用寿命。另外，由于轴向备用轴承和径向备用轴承相互分担飞轮11的压力，这样可以进一步地提升备用轴承15整体的寿命。

结合图1所示，飞轮储能装置10还可以主要包括：电机传感器60，电机传感器60与轴承控制器20电连接。具体地，电机传感器60可以与电机12电连接，电机传感器60可以监测电机12的工作情况，例如：电机传感器60可以监测电机12的转速，电机传感器60在监测电机12的工作情况的同时，可以实时地将电机12的工作情况下通过电信号的行驶反馈对轴承控制器20，使轴承控制器20对相应部件进行调整，这样可以进一步地提升飞轮储能系统100的可靠性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括：

飞轮储能装置，所述飞轮储能装置包括：主轴、飞轮、电机、磁轴承、磁轴承传感器和备用轴承，所述电机包括：转子和定子，所述飞轮和所述转子均设置于所述主轴上且在轴向间隔设置，所述定子设置于所述转子的外侧，所述磁轴承和所述备用轴承均对应设置在所述主轴的轴端；

轴承控制器，所述轴承控制器分别与所述磁轴承和所述磁轴承传感器电连接；

电力电子逆变器，所述电力电子逆变器与所述电机电连接；

飞轮/电机控制器，所述飞轮/电机控制器与所述电力电子逆变器电连接，且所述飞轮/电机控制器与所述轴承控制器电连接；

负载；

通断器，所述通断器设置于所述负载和所述电机之间，所述通断器还与所述轴承控制器电连接，在所述磁轴承正常工作时，所述通断器断开，在所述磁轴承故障或所述轴承控制器故障时，所述通断器自动闭合。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述通断器为常闭电控开关，在所述磁轴承正常工作时，所述磁轴承的错误信号电平被所述轴承控制器拉高，所述常闭电控开关打开，在所述磁轴承故障或所述轴承控制器故障时，所述磁轴承的错误信号电平拉低，所述常闭电控开关自动闭合。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述通断器连接于所述电机的三相线束或任意两相线束上。

4.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述负载为高功耗电阻。

5.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述负载为多个，多个所述负载串联连接。

6.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述磁轴承包括：轴向磁轴承和/或径向磁轴承。

7.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述备用轴承包括：轴向备用轴承和/或径向备用轴承。

8.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮储能装置还包括：电机传感器，所述电机传感器与所述轴承控制器电连接。

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