CN113489230B - 基于飞轮储能技术的新型调频系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞轮储能技术的新型调频系统，包括飞轮储能装置、飞轮储能控制器、永磁无级变速器和发电机；发电机通过永磁无级变速器与飞轮储能装置连接，飞轮储能控制器与飞轮储能装置电连接。本发明申请提供的基于飞轮储能技术的新型调频系统，可通过调节飞轮储能装置及永磁无级变速器，来调节发电机的主轴转速，从而可将输出电流的频率恒定化，亦可利用飞轮储能装置中飞轮转子自身的机械惯量特性，提高其对电力系统的惯性支撑。该发明既避免了采用火电机组进行调频的响应慢、部件易老化、维护成本高等缺点，也避免了采用电力电子接口方式将铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、飞轮储能系统接入电网进行调频时电网惯性下降的缺点。

Description

基于飞轮储能技术的新型调频系统

技术领域

本发明涉及电网调节设备技术领域，特别是涉及一种基于飞轮储能技术的新型调频系统。

背景技术

目前我国电网中多以大型火电和水电机组作为调频电源，同时也有越来越多的采用铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、飞轮储能系统接入电网进行调频。

首先，针对传统的大型火电和水电机组为代表的调频系统，其调频实现都离不开机械装置，频繁的调频动作使机组的机械部件产生磨损，影响电网运行安全和电能质量。火电机组响应时滞长，不适于短周期的调频需求，同时受自身蓄热制约，可用调频量亦不能满足系统一次调频需求。而参与二次调频的火电机组，由于受爬坡速率限制，不能快速准确地跟踪调频指令，使调节过程出现延迟、偏差甚至反向调节。水电机组在调频效果和速度上都比火电具有更大优势，然而受到地域和季节因素的明显限制，很难广泛用作电网的主调频电源，因此，我国目前仍以调频能力较弱的火电机组作为主要调频电源。长期使用火电机组担任调频重任，更加速其部件磨损老化，影响自身性能，燃料利用率降低，产生高昂的维护运营成本及燃料成本损失。

其次，针对越来越多的采用铅酸电池、镍氢电池或锂离子电池接入电网进行调频，都是通过电力电子变换系统接入电网，电力电子接口变流器属于静置设备，并不具备同步机类似的旋转结构，随着通过电力电子接口变流器连接到电网的分布式能源的渗透率越来越高，电网总的转动惯量不断减小，因此当发生重大的负荷或电源突变时电网出现大的频率偏差的风险也不断提高。随着系统中旋转电机动能储备的下降，扰动情况下系统频率将可能剧烈波动甚至振荡，同时其动态偏差也将增大。

发明内容

基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种基于飞轮储能技术的新型调频系统。

本发明申请提供的基于飞轮储能技术的新型调频系统，包括飞轮储能装置、飞轮储能控制器、永磁无级变速器和发电机；

所述发电机通过所述永磁无级变速器与所述飞轮储能装置连接，所述飞轮储能控制器与所述飞轮储能装置电连接。

在其中一个实施例中，所述发电机、所述永磁无级变速器和所述飞轮储能装置连接在同轴向上。

在其中一个实施例中，还包括变向传动装置；所述永磁无级变速器和所述飞轮储能装置连接在同轴向上；所述发电机通过所述变向传动装置与所述永磁无级变速器连接。

在其中一个实施例中，所述飞轮储能装置包括飞轮、飞轮电机转子、飞轮电机定子、上径向轴承、下径向轴承、轴向轴承和壳体；所述飞轮电机转子设置在所述飞轮和所述永磁无级变速器之间。

在其中一个实施例中，所述飞轮储能装置包括飞轮、飞轮电机转子、飞轮电机定子、上径向轴承、下径向轴承、轴向轴承和壳体；所述飞轮设置在所述飞轮电机转子和所述永磁无级变速器之间。

在其中一个实施例中，所述飞轮储能控制器包括电源系统和控制器，所述电源系统的电能获取自电网系统、新能源系统或独立电源，所述控制器与所述电源系统电连接，所述控制器还与所述飞轮储能装置电连接。

在其中一个实施例中，还包括多个联轴器；所述发电机通过所述联轴器与所述永磁无级变速器连接，所述永磁无级变速器通过所述联轴器与所述飞轮储能装置连接。

在其中一个实施例中，还包括冷却机构，所述冷却机构与所述飞轮储能装置连接。

本发明的实施例中提供的技术方案带来如下有益技术效果：

本发明申请提供的基于飞轮储能技术的新型调频系统，可通过调节飞轮储能装置及永磁无级变速器，来调节发电机的主轴转速，从而可将输出电流的频率恒定化，亦可利用飞轮储能单元自身的机械惯量特性，提高其对电力系统的惯性支撑。该发明既避免了采用火电机组进行调频的响应慢、部件易老化、维护成本高等缺点，也避免了采用电力电子接口方式将铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、飞轮储能系统接入电网进行调频时电网惯性下降的缺点。

本申请附加的方面和优点将在后续部分中给出，并将从后续的描述中详细得到理解，或通过对本发明的具体实施了解到。

附图说明

图1为本发明申请一实施例中基于飞轮储能技术的新型调频系统的平面结构示意图；

图2为本发明申请另一实施例中基于飞轮储能技术的新型调频系统的平面结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的可能的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文已经通过附图描述的实施例。通过参考附图描述的实施例是示例性的，用于使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面，而不能解释为对本发明的限制。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本发明的特征是非必要技术的，则可能将这些技术细节予以省略。

相关领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及该技术方案如何解决上述的技术问题进行详细说明。

本发明申请提供的基于飞轮储能技术的新型调频系统，如图1所示，包括飞轮储能装置100、飞轮储能控制器200、永磁无级变速器300和发电机400；发电机400通过永磁无级变速器300与飞轮储能装置100连接，飞轮储能控制器200与飞轮储能装置100电连接。

永磁无级变速器300可采用现有技术中的永磁调速器，也可专门针对飞轮储能装置100和发电装置进行适应性设计，采用特制的永磁无级变速器300。飞轮储能控制器200能够根据实际需要控制飞轮储能装置100的运行。永磁无级变速器300由电网系统或者其他独立电源系统输入电流进行变速比的调节，发电机400可直接与电网连接，持续稳定输出50Hz交流电到电网系统。

当整个基于飞轮储能技术的新型调频系统并入电网后，系统共有充电、维持和放电三种工作状态，基于飞轮储能技术的新型调频系统的控制系统实时高频检测并网点的频率波动，并根据电网频率的大小调节永磁无级变速器300的变速比或者通过飞轮储能控制器200调节飞轮110的转速，从而稳定发电机400主轴的转速。

在启动(充电)状态时：在预并网阶段，发电机400与电网系统断开连接，电能通过飞轮储能控制器200的变频控制输入到飞轮储能装置100，飞轮110升速直至设定的工作转速。

在工作状态下：飞轮储能装置100达到一定储能量(工作转速)后，发电机400并入电网。通过调节永磁无级变速器300的变速比或者通过飞轮储能控制器200再调节飞轮110转速，使得飞轮储能装置100的转子经过永磁无级变速器300后，主轴转速恒定在某一特定转速，例如3000rpm(转每分钟)。

在需要停机(放电)时：电源系统700与飞轮储能控制器200断开连接，飞轮储能装置100通过自身损耗自由降速，同时通过永磁无级变速器300的调节，保证发电机400的主轴转速恒定在某一特定转速，例如3000rpm(转每分钟)，直至无法再通过永磁无级变速器300的调节保证主轴转速恒定时，将发电机400与电网系统断开连接，最后直至飞轮储能装置100的转速降低至零转速，从而整个系统停机。

本发明申请提供的基于飞轮储能技术的新型调频系统，可通过调节飞轮储能装置100及永磁无级变速器300，来调节发电机400的主轴转速，从而可将输出电流的频率恒定化，亦可利用飞轮110自身的机械惯量特性，提高其对电力系统的惯性支撑。该发明既避免了采用火电机组进行调频的响应慢、部件易老化、维护成本高等缺点，也避免了采用电力电子接口方式将铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、飞轮储能系统接入电网进行调频时电网惯性下降的缺点。

可选的，在本发明申请的一个实施例中，如图1所示，发电机400、永磁无级变速器300和飞轮储能装置100连接在同轴向上。在某些系统布局方式中，发电机400、永磁无级变速器300和飞轮储能装置100呈现为同旋转轴的样式分布，可尽可能降低设备占地面积，便于设备的组装和维护。飞轮储能装置100以立式形式安置，其飞轮110的转子通过上下两端的径向轴承进行支撑，径向轴承可采用机械轴承(包括角接触轴承、深沟球轴承、滚子轴承、滚珠轴承等)或磁轴承方案(纯电磁轴承、被动磁轴承或混合磁轴承等)。而轴向轴承可采用纯电磁轴承、被动磁轴承或混合磁轴承，其目的是对飞轮110转子进行悬浮支撑。

可选的，在本发明申请的另一个实施例中，如图2所示，基于飞轮储能技术的新型调频系统还包括变向传动装置500；永磁无级变速器300和飞轮储能装置100连接在同轴向上；发电机400通过变向传动装置500与永磁无级变速器300连接。通过变向传动装置500，可使得发电机400并不一定与永磁无级变速器300和飞轮储能装置100都同轴分布，可进一步缩小整个调频系统的占地面积，使得布局更加灵活，贴近应用场景的实际情况。

可选的，在本发明申请一个实施例的某些具体实现方式中，如图1所示，飞轮储能装置100包括飞轮110、飞轮电机转子120、飞轮电机定子130、上径向轴承140、下径向轴承150、轴向轴承160和壳体180等；飞轮电机转子120设置在飞轮110和永磁无级变速器300之间。

可选的，在本发明申请一个实施例的另一些具体实现方式中，如图2所示，飞轮储能装置100包括飞轮110、飞轮电机转子120、飞轮电机定子130、上径向轴承140、下径向轴承150、轴向轴承160和壳体180等；飞轮110设置在飞轮电机转子120和永磁无级变速器300之间。

上述两个实现方式中，飞轮110与飞轮电机转子120的相对位置可变化，可采取飞轮110直接与永磁无级变速器300连接的方式，也可采取飞轮110通过飞轮电机转子120后再与永磁无级变速器300连接的方式。

可选的，在本发明申请又一个实施例的一些具体实现方式中，如图1所示，飞轮储能控制器200包括电源系统和控制器，控制器与电源系统电连接，控制器还与飞轮储能装置100电连接。控制器与电源系统700电连接，飞轮储能控制器200与飞轮储能装置100电连接。电源系统700获取来自电网系统、新能源系统或独立电源的电能，独立电源可以是单独向电源系统700供电的电能设备，例如电池或专用发电设备等。而在飞轮储能控制器200中包括加载有飞轮储能装置100按照特定方式运行的控制程序的处理器。

从硬件角度而言，处理器可以是CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，通用处理器，DSP(Digital Signal Processor，数据信号处理器)，ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路)，FPGA(Field－Programmable GateArray，现场可编程门阵列)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。

可选的，在本发明申请又一个实施例的另一些具体实现方式中，基于飞轮储能技术的新型调频系统还包括多个联轴器600；发电机400通过联轴器600与永磁无级变速器300连接，永磁无级变速器300通过联轴器600与飞轮储能装置100连接。飞轮110的转子轴向与永磁无级变速器300的连接采用联轴器600，而永磁无级变速器300与发电机400主轴的连接亦采用联轴器600。联轴器600与永磁无级变速器300是机械连接，联轴器600与飞轮储能装置也100是机械连接，其联轴器600的选择可采用膜片联轴器、轻型万向节联轴器、重型万向节联轴器、梅花弹性联轴器、螺旋弹性联轴器、齿式联轴器、链条联轴器、扭力联轴器、胀紧联结套或弹性柱销联轴器等。

可选的，在本发明申请一个实施例的一些具体实现方式中，基于飞轮储能技术的新型调频系统还包括冷却机构700，冷却机构700与飞轮储能装置100连接。冷却机构700可选用水冷机构。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于飞轮储能技术的新型调频系统，其特征在于，包括飞轮储能装置、飞轮储能控制器、永磁无级变速器和发电机，所述飞轮储能装置包括飞轮和飞轮电机；

所述发电机通过所述永磁无级变速器与所述飞轮储能装置连接，所述飞轮储能控制器与所述飞轮储能装置电连接。

2.根据权利要求1所述的基于飞轮储能技术的新型调频系统，其特征在于，所述发电机、所述永磁无级变速器和所述飞轮储能装置连接在同轴向上。

3.根据权利要求1所述的基于飞轮储能技术的新型调频系统，其特征在于，还包括变向传动装置；所述永磁无级变速器和所述飞轮储能装置连接在同轴向上；所述发电机通过所述变向传动装置与所述永磁无级变速器连接。

4.根据权利要求1所述的基于飞轮储能技术的新型调频系统，其特征在于，所述飞轮储能装置还包括上径向轴承、下径向轴承、轴向轴承和壳体；所述飞轮电机包括飞轮电机转子和飞轮电机定子，所述飞轮电机转子设置在所述飞轮和所述永磁无级变速器之间。

5.根据权利要求1所述的基于飞轮储能技术的新型调频系统，其特征在于，所述飞轮储能装置还包括上径向轴承、下径向轴承、轴向轴承和壳体；所述飞轮电机包括飞轮电机转子和飞轮电机定子，所述飞轮设置在所述飞轮电机转子和所述永磁无级变速器之间。

6.根据权利要求1所述的基于飞轮储能技术的新型调频系统，其特征在于，所述飞轮储能控制器包括电源系统和控制器，所述电源系统的电能获取自电网系统、新能源系统或独立电源；所述控制器与所述电源系统电连接，所述控制器还与所述飞轮储能装置电连接。

7.根据权利要求1所述的基于飞轮储能技术的新型调频系统，其特征在于，还包括多个联轴器；所述发电机通过所述联轴器与所述永磁无级变速器连接，所述永磁无级变速器通过所述联轴器与所述飞轮储能装置连接。

8.根据权利要求1所述的基于飞轮储能技术的新型调频系统，其特征在于，还包括冷却机构，所述冷却机构与所述飞轮储能装置连接。

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