CN114257028B - 具有电磁耦合器的飞轮储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有电磁耦合器的飞轮储能系统，包括电动机、飞轮转子、电磁耦合器、变频器和发电机，电动机与飞轮转子相连以驱动飞轮转子旋转，电磁耦合器包括外转子和内转子，外转子套设内转子并与内转子之间间隔，飞轮转子与外转子传动连接，外转子产生旋转磁场带动内转子转动，变频器与外转子相连以便使旋转磁场的转速保持恒定，从而使内转子的转速能够保持恒定，内转子与发电机的输入端相连，发电机发电接入电网并向电网中输入具有稳定频率的电能，满足向电网输电的要求，无需采用电力电子装置，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，提高了电网高效接纳新能源的能力。

Description

具有电磁耦合器的飞轮储能系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种具有电磁耦合器的飞轮储能系统。

背景技术

随着以清洁能源为主的新一轮能源变革的发展，新能源在我国电网中的占比将越来越高。但是，新能源技术中多采用电力电子装置接入电网，而电力电子装置没有转动惯量，无法主动为电网提供必要的电压和频率支撑，也无法提供必要的阻尼作用。尤其是随着通过电力电子装置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。高比例电力电子装置的接入会导致电网长期处于低惯量水平中，增加系统不平衡功率冲击，这给电力系统安全稳定的运行带来了越来越大的压力。为改善缓解电网运行压力及新能源消纳压力，亟需具备一定的支撑电网动态调整能力的储能系统来提高电网高效接纳新能源的能力。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

飞轮储能技术是一种以动能形式存储能量的储能技术，通过电动机/发电机带动转子加速/减速的方式来实现能量的存储/释放。飞轮储能的主要优点是具有快速的爬坡能力、能量转换效率高和使用寿命长等，在提供辅助服务，例如惯量和频率调节等方面具有得天独厚的优势。且飞轮没有任何地理限制，可以轻松安装，具有可推广及可大规模复制的优点。

目前已有的飞轮储能技术均通过电力电子装置辅助电动/发电机进行动能和电能之间的相互转换过程。当系统需要储存电能时，其会将外部输送来的交流电通过AC/DC的方式供给电动机，进而驱动飞轮转子旋转储能；当需要放电时，电力电子装置对飞轮转子的转子转动惯量进行解耦，起到整流、调频、稳压的作用，以满足负载用电需求。但是电力电子装置没有转动惯量，难以参与电网惯量响应，因此，飞轮储能技术无法解决当前电网中由电力电子装置的大规模使用导致的总的转动惯量比例不断减小的问题。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有电磁耦合器的飞轮储能系统。

根据本发明的具有电磁耦合器的飞轮储能系统，包括电动机、飞轮转子、电磁耦合器、变频器和发电机，所述电动机与所述飞轮转子相连以驱动所述飞轮转子旋转，所述电磁耦合器包括外转子和内转子，所述外转子套设所述内转子并与所述内转子之间间隔，所述飞轮转子与所述外转子传动连接，所述外转子产生旋转磁场带动所述内转子转动，所述变频器与所述外转子相连用于使所述旋转磁场的转速保持恒定，从而使所述内转子的转速保持恒定，所述内转子与所述发电机的输入端相连，所述发电机发电接入电网并向电网中输入具有稳定频率的电能。

根据本发明实施例提供的飞轮储能系统的飞轮转子与具有变速功能的电磁耦合器相连，电磁耦合器的输出转速能够保持不变，因此能够驱动发电机产生恒频电流，满足向电网输电的要求。由于电磁耦合器具有变速功能，飞轮转子的转速变化不会影响发电机向电网中输入恒频电流，因此将本发明实施例提供的飞轮储能系统与电网连接，无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，解决了目前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。

在一些实施例中，所述内转子包括内转子铁芯和内转子绕组，所述外转子包括外转子铁芯和外转子绕组，所述变频器与所述外转子绕组相连。

在一些实施例中，所述发电机为同步发电机。

在一些实施例中，所述电动机与电网相连并用于从电网取电，所述飞轮储能系统具备释能状态和储能状态，

在所述释能状态下，所述电动机待机，所述飞轮转子释放动能驱动所述发电机发电，所述发电机向电网中输入具有稳定频率的电能，

在所述储能状态下，所述电动机从电网取电以驱动所述飞轮转子旋转，所述发电机空转。

在一些实施例中，所述飞轮储能系统具备待机状态，在所述待机状态下，所述电动机待机，所述发电机空转。

在一些实施例中，飞轮储能系统还包括变速装置，所述飞轮转子与所述变速装置的输入端传动连接，所述变速装置的输出端与所述外转子传动连接，所述变速装置用于传导所述飞轮转子的转动惯量。

在一些实施例中，所述变速装置为具有固定变速比的变速装置，或者，所述变速装置为变速比可调的变速装置。

在一些实施例中，所述变速装置为齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器或永磁变速器。

在一些实施例中，所述飞轮转子的转速为100rpm-1000000rpm，所述变速装置的变速比为0.03-333。

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

图1是根据本发明实施例一的飞轮储能系统的示意图。

图2是图1的局部示意图。

图3是根据本发明实施例二的飞轮储能系统的示意图。

图4是根据本发明实施例三的飞轮储能系统的示意图。

图5是根据本发明实施例的飞轮储能控制器的示意图。

附图标记：

飞轮储能系统、电动机10、飞轮转子20、电磁耦合器30、外转子31、内转子32、变频器40、发电机50、定变速比变速装置61、变速比可调装置62、第一传动轴71、第二传动轴72、第三传动轴73。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1-图4描述本发明的实施例的飞轮储能系统的基本结构。如图1所示，飞轮储能系统包括电动机10、飞轮转子20、电磁耦合器30、变频器40和发电机50。

飞轮转子20的加速能够实现能量的储存，飞轮转子20的减速能够实现能量的释放。其中飞轮转子20与电动机10相连，电动机10用于驱动飞轮转子20旋转。电动机10通过驱动飞轮转子20加速旋转，最终实现电能以动能的形式储存在飞轮储能单元10中。可选地，电动机10与电网相连用于从电网中取电，电动机10从电网中取电驱动飞轮转子20旋转，飞轮转子20的转速上升以储存动能。

电磁耦合器30包括外转子31和内转子32，外转子31套设内转子32，外转子31与内转子32之间间隔。飞轮转子20与外转子31传动连接，外转子31产生旋转磁场带动内转子32转动，变频器40与外转子31相连以便使所述旋转磁场的转速保持恒定，从而使内转子32的转速能够保持恒定。

内转子32与发电机50的输入端相连，由于内转子32的转速能够保持恒定，发电机50发电接入电网并向电网中输入具有稳定频率的电能。外转子31的机械转速与内转子32的机械转速之比可以看做电磁耦合器30的传动比，因此电磁耦合器30可以看做是一种变传动比的变速装置。

当本发明实施例提供的飞轮储能系统发电时，飞轮转子20的转动能够带动外转子31旋转，并且变频器40能够向外转子31通入交流电。

当变频器40向外转子31输入交流电，能够使外转子31产生旋转磁场，此外由于外转子31旋转，外转子31实际产生的旋转磁场的转速为变频器40通入的电流匹配的旋转磁场转速与外转子31的机械转速的叠加，内转子32在旋转磁场的作用下转动，内转子32的转速等于外转子31的磁场转速，从而实现转动惯量的传递。

需要说明的是，根据外转子31的机械转速和内转子32的预设转速的差值，通过变频器40改变通向外转子31的电流，可以改变电流匹配的磁场转速，使外转子31的磁场转速恒定，从而使内转子32的转速保持恒定，内转子32驱动发电机50向电网输入具有稳定频率的电流。

也就是说，电磁耦合器30具有变速的作用，通过电磁耦合器30的作用，发电机50能够向电网输入恒频电流。发电机50向电网稳定输入电能不受飞轮转子20的转速的变化的影响，即使飞轮转子20转速发生改变，发电机50也能够向电网稳定输入电能。

可选地，内转子32的转速为3000rpm，发电机50能够稳定向电网中输入频率为50Hz的电流。

可选地，飞轮储能系统可以与电网相连以便参与电网惯量响应，将溢出的能量按溢出比例存于飞轮转子20或者从飞轮转子20按缺失比例汲取能量补充电网，降低电网频率波动。

根据本发明实施例提供的飞轮储能系统的飞轮转子与具有变速功能的电磁耦合器相连，电磁耦合器的输出转速能够保持不变，因此能够驱动发电机产生恒频电流，满足向电网输电的要求。由于电磁耦合器具有变速功能，飞轮转子的转速变化不会影响发电机向电网中输入恒频电流，因此将本发明实施例提供的飞轮储能系统与电网连接，无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，解决了目前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。

下面以图1所示的飞轮储能系统的示意图为例描述本发明提供的飞轮储能系统的组成、连接关系及运作流程。

在图1所示的实施例中，飞轮储能系统包括电动机10、飞轮转子20、电磁耦合器30、变频器40、发电机50和传动轴。电动机10与飞轮转子20相连，电动机10能够通过传动轴驱动飞轮转子20的转速上升以储存动能。飞轮转子20能够通过传动轴驱动电磁耦合器30的外转子31转动。外转子31产生旋转磁场驱动内转子32恒速转速，内转子32转动驱动发电机50发电，发电机50通过变压器(图中未示出)与电网相连，向电网供电。在本实施例中，发电机50为同步发电机。

在本实施例中，外转子31的机械转速与飞轮转子20的输出转速相等，内转子32的机械转速与发电机50的输入转速相等。内转子32的机械转速恒定在3000rpm。发电机50的输出频率稳定在50Hz。

需要说明的是，国内的电网频率基准线为50Hz，内转子32的转速可以恒定在3000rpm。国外的电网频率基准线为60Hz，内转子32的转速可以恒定在3600rpm，即可以根据电网的频率基准，调整内转子32的额定转速。

本领域的技术人员可以理解的是，飞轮转子20的转速是在不断变化中的，导致外转子31的机械转速会断变化。因此，若要使内转子32的转速保持不变，可以通过改变通入外转子31的电流实现。

具体地，根据公式：外转子31的旋转磁场转速r₀＝外转子31的机械转速r₁+外转子31电流匹配的磁场转速r₂；外转子31的旋转磁场转速r₀＝内转子32的机械转速r₃。根据飞轮转子20的转速(外转子31的机械转速r₁)与内转子32的理想机械转速之间的差值，改变变频器40向外转子31传输的电流频率，使外转子31电流匹配的磁场转速r₂调整，最终使外转子31的旋转磁场转速r₀等于内转子32的理想机械转速。

若保持外转子31的磁场转速r₀(电网转速)为3000rpm，则：

1)当飞轮转子20的转速小于3000rpm，外转子31电流匹配正的磁场转速，即r₂为正值；

2)当飞轮转子20的转速等于3000rpm，外转子31电流匹配的磁场转速为零，即r₂为0；

3)当飞轮转子20的转速大于3000rpm，外转子31电流匹配负的磁场转速，即r₂为负值。

需要说明的是，外转子31电流匹配的磁场转速r₂不是机械转速。r₂为正值是指，外转子31电流匹配的旋转磁场的转动方向与外转子31的机械转动方向相同。r₂为负值是指，外转子31电流匹配的旋转磁场的转动方向与外转子31的机械转动方向相反。通过外转子31旋转产生的机械转速与外转子31电流产生的磁场转速相叠加达到内转子32的理想转速值，实现内转子32的机械转速不受飞轮转子20的转速的变化的影响而始终保持恒定，使发电机50能够向电网恒频输电，实现同步发电。

也就是说，为了使内转子32的机械转速保持恒定，对其设定预设值，根据飞轮转子20当前的转速，调节变频器40向外转子31输入的电流频率，从而实现使外转子31的磁场转速保持恒定，发电机50能够稳定发电。

在本实施例中，外转子31包括外转子铁芯和外转子绕组，变频器40与外转子绕组相连。

可选地，内转子32包括内转子铁芯和内转子绕组。

进一步地，本申请实施例提供的飞轮储能系统具备储能状态和释能状态，且能够在储能状态和释能状态之间切换。也可以说，飞轮储能系统在运行过程包括储能阶段和释能阶段，储能阶段对应上述储能状态，释能阶段对应上述释能状态。当飞轮储能系统在储能状态下时，将电能转化为动能储存；当飞轮储能系统在释能状态下时，释放其储存的动能，并将动能转化为电能输出。

下面以电动机10与电网相连且可从电网中取电，发电机50能够向电网中输能为例描述本申请的技术方案，具体如下：

在储能状态下，电动机10运作从电网取电并通过传动轴驱动飞轮转子20转动，飞轮转子20的转速上升实现储能，且在该状态下发电机50空转以停止向电网中输入电能。也就是说，在储能阶段，发电机50与电网之间的不进行功率传递，发电机50不发电。

可选地，飞轮转子20在电动机10的驱动下转速上升到额定最高转速，当到达额定最高转速后，飞轮转子20完成储能，而后电动机10停止驱动飞轮转子20。可选地，额定最高转速为100rpm-1000000rpm。

在释能状态下，电动机10待机，飞轮转子20通过传动轴驱动外转子31转动，外转子31转动带动内转子32旋转，内转子32驱动发电机50发电，发电机50通过变压器连接电网。飞轮转子20释放动能转速下降。

其中在释能状态下电动机10待机是指，电动机10没有运作，其没有驱动飞轮转子20加速。也就是说，当飞轮储能系统处于释能状态下时，飞轮储能系统中只有能量输出，没有能量输入。当飞轮储能系统处于上述储能状态下时，飞轮储能系统中只有能量输入，没有能量输出。

需要说明的是，在释能状态下，根据飞轮转子20的转速(外转子31的机械转速)与内转子32的预定机械转速之差改变外转子31电流频率，使内转子32保持预设磁场转速转动，发电机50产生稳定电流。并且，还可以通过改变外转子31的电流频率、幅值，调节外转子31和内转子32的电磁力矩，使外转子31侧和内转子32侧的电磁力矩平衡。

在一些实施例中，飞轮储能系统还具备待机状态。也可以说，飞轮储能系统在运行过程还包括待机阶段。当飞轮储能系统在待机状态下时，飞轮储能系统处于能量保持阶段，即没有能量的输入也没有能量的输出，飞轮储能系统以最小的损耗运行。在待机状态下，电动机10待机，发电机50空转，飞轮转子20释放少量的动能以保持外转子31转动。

例如，当电网中的频率等于预设值时(例如电网频率等于50Hz)，使飞轮储能系统进入待机状态，飞轮转子20损耗少量动能以维持外转子31转动，保证飞轮储能系统以最佳状态应对下一次电网频率波动。

在一些实施例中，飞轮储能系统接入电网能够对电网进行惯量响应或调频。当电网的频率上升时，电动机10从电网中吸取溢出的电能，驱动飞轮转子20转速上升，使电能转化为动能储存在飞轮转子20中，从而使得电网的频率降低。当电网的频率下降时，飞轮转子20驱动发电机50发电，飞轮转子20转速下降，使动能转化为电能输入电网，从而使得电网的频率提升。

在一些实施例中，如图5所示，飞轮储能系统还包括飞轮储能控制器。飞轮储能控制器用于控制飞轮储能单元10的能量输入及输入功率，即飞轮储能控制器用于控制是否向飞轮储能单元10中输入电能，还用于控制向飞轮储能单元10中输入的电能的功率。可选地，飞轮储能控制器由独立电源供电，以保证其不会受外界电网的波动影响。

飞轮储能控制器包括电网检测模块和电动机控制模块。电网检测模块用于检测电网的当前频率。可选地，电网检测模块能够对电网的频率进行实时监控，以便更好地对电网的频率进行响应、调控。

电动机控制模块与电网检测模块之间通讯连接，电网检测模块将检测到的电网的频率传递给电动机控制模块，电动机控制模块接收到频率信号，并根据频率信号控制电动机10的启闭，以及电动机10的输入功率。

也就是说，当电动机控制模块接收到电网的当前频率信号，并判断需要启动电动机10对飞轮储能单元10进行储能时，电动机控制模块向电动机10发送启动信号，使电动机10开启，并从电网中吸收电能。

当电动机控制模块根据电网的当前频率判断出，不需要向飞轮储能单元10储能时，向电动机10发动关闭信号，关闭电动机10。

并且，电动机控制模块还可以根据电网的当前频率判断出电动机10的输入功率的大小，并控制向电动机10输入的功率。

例如，当电网的当前频率上升至大于预设值时，电动机控制模块判断改变电动机10的输入功率以对电网进行调频，抑制电网频率的进一步抬升。通过改变电动机10的输入功率，能够使飞轮储能单元10吸收更多的电能，飞轮转子20的转速增加。并且电网的频率偏差越大，飞轮转子20的力矩越大，即电动机10的输入功率越大。可以理解的是，电动机10的输入功率不会超过其能承受的最大功率。

因此，本申请实施例提供的飞轮储能系统能够实现对电网的扰动功率分配、惯量响应、一次调频等辅助服务，提高电力系统一次调频及惯量支撑能力。相比于传统机械惯量，本申请实施例提供的飞轮储能系统能够提供更快速且更稳定的频率控制。

为了使发电机50更好地通过转子补偿输出稳定的电流，在一些实施例中，飞轮储能系统还包括变速装置，变速装置连接在飞轮转子20与电磁耦合器30之间，变速装置具有输入端和输出端，飞轮转子20与变速装置的输入端传动连接，变速装置的输出端与电磁耦合器30的外转子31传动连接，变速装置用于变速。变速装置还用于传导所述飞轮转子的转动惯量。

也就是说，变速装置用于对飞轮转子20输入电磁耦合器30的转速进行调速，变速装置的变速比为输入端(飞轮转子20的转速)与输出端(外转子31的转速)之比。通过变速装置变速，能够使飞轮转子20的输出转速更好地适应电磁耦合器30的转速适用范围，减轻电磁耦合器30的负担，即变速装置的设置可以使飞轮转子20的输出转速变化到电磁耦合器30的输入转速(外转子31的机械转速)的理想区间内。

例如，电磁耦合器30的输入转速的理想区间为(3000±1000)rpm，当电磁耦合器30的输入转速(外转子31的转速)在(3000±1000)rpm范围内时，电磁耦合器30能够对外转子31的转速变化进行更快速地响应，以保持外转子31的磁场转速恒定。通过设置具有合适变速比的变速装置，可以使飞轮转子20的输出转速变化到电磁耦合器30的输入转速的该理想区间内。

可选地，变速装置为具有固定变速比的变速装置(定变速比变速装置61)，或者，变速装置为变速比可调的变速装置(变速比可调装置62)。变速装置为变速比可调的变速装置是指，变速装置可以为多级变速装置或无级变速装置。变速装置为多级变速装置，其具有多个变速比，且可根据飞轮转子20的转速情况调节其变速比，变速装置为级变速装置，其可在一定范围内连续调节其变速比。

可选地，变速装置的变速比为0.03-333。

可选地，变速装置为具有一级或多级变速功能的齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器、永磁变速器或磁耦合器变速装置。

下面根据图1-图4描述本发明的若干具体实施例。

实施例一：

如图1和图2所示，本实施例的飞轮储能系统包括电动机10、飞轮转子20、电磁耦合器30、变频器40、发电机50、第一传动轴71、第二传动轴72。电磁耦合器30包括外转子31和内转子32，外转子31为电磁耦合器30的输入端，内转子32与发电机50的输入端传动连接。

电动机10位于飞轮转子20的远离电磁耦合器30的一侧，第一传动轴71穿过飞轮转子20并与飞轮转子20传动连接，传动轴30第一传动轴71一端与电动机10的输出端传动连接，第一传动轴71的另一端与外转子31相连。第二传动轴72的一端与内转子32传动连接，第二传动轴72的另一端与发电机50的输入端传动连接。

本实施例的飞轮储能系统具有储能状态、释能状态和待机状态，即飞轮储能系统的工作过程具有储能阶段、释能阶段和待机阶段。

在储能阶段，发电机50空转，电动机10从电网中吸取电能，电动机10的输出端通过第一传动轴71驱动飞轮转子20的转速上升，飞轮转子20的转速上升储存动能，即电能转化为动能储存在飞轮转子20中。飞轮转子20的转速上升直至达到设定转速。可以理解的是，在储能阶段飞轮储能系统只有能量输入没有能量输出。

在释能阶段，电动机10待机，即电动机10不向飞轮转子20输入能量，飞轮转子20释放动能，飞轮转子20通过第一传动轴71驱动外转子31转动，内转子32转动并通过第二传动轴72驱动发电机50发电，发电机50通过变压器向电网中输入具有稳定频率的电能，无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，提高了电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。

作为示例，在释能阶段，发电机50并网，其输出电流的频率为50Hz。根据飞轮转子20的转速(外转子31的机械转速r₁)与内转子32的理想机械转速之间的差值，改变变频器40向外转子31传输的电流频率，调整外转子31电流匹配的磁场转速，最终使外转子31的旋转磁场转速r₀等于内转子32的理想机械转速。实现内转子32的机械转速不受飞轮转子20的转速的变化的影响而始终保持恒定，使发电机50能够向电网恒频输电，实现同步发电。

在待机阶段，电动机10待机，发电机50空转。飞轮转子20损耗少量机械能维持系统空载消耗。

实施例二：

下面以图3为例描述本实施例的飞轮储能系统，本实施例的飞轮储能系统包括电动机10、飞轮转子20、电磁耦合器30、变频器40、发电机50、定变速比变速装置61、第一传动轴71、第二传动轴72和第三传动轴73。飞轮转子20、电动机10、电磁耦合器30同实施例一类似，这里不作赘述，只描述区别部分。

如图3所示，第一传动轴31穿过飞轮转子20并与飞轮转子20传动连接，第一传动轴31的一端与电动机10的输出端传动连接，第一传动轴31的另一端与定变速比变速装置61的输入端传动连接。第二传动轴32的一端与定变速比变速装置61的输出端传动连接，另一端与外转子31相连。第三传动轴73一端与内转子32相连，另一端与发电机50的输入段相连。定变速比变速装置61的变速比固定，为输入端转速与输出端转速之比。

在本实施例中，飞轮转子20的转速等于定变速比变速装置61的输入端的转速，定变速比变速装置61的输出端的转速等于外转子31的转速。

在储能阶段，发电机定子与电网断开，电磁耦合器30空转，电动机10从电网中吸取电能，电动机10的输出端通过第一传动轴31驱动飞轮转子20的转速上升，飞轮转子20的转速上升储存动能，即电能转化为动能储存在飞轮转子20中。飞轮转子20的转速上升直至达到设定转速。可以理解的是，在储能阶段飞轮储能系统只有能量输入没有能量输出。

在释能阶段，电动机10待机，即电动机10不向飞轮转子20输入能量，飞轮转子20释放动能，飞轮转子20通过第一传动轴31驱动定变速比变速装置61的输入端旋转，转动惯量从定变速比变速装置61的输出端输出，且定变速比变速装置61的输出端的转速与定变速比变速装置61的输入端转速和定变速比变速装置61的变速比有关，定变速比变速装置61的输出端通过第二传动轴32带动外转子31转动，外转子31转动带动内转子32转动，内转子32通过第三传动轴72驱动发电机50发电。

在飞轮转子20与电磁耦合器30之间设置定变速比变速装置61，可以使发电机转子的转速更好地适应电磁耦合器30的转速适用范围，减轻电磁耦合器30的负担，即变速装置的设置可以使飞轮转子20的输出转速变化到电磁耦合器30的输入转速(外转子31的机械转速)的理想区间内，从而使电磁耦合器30更好地通过转子补偿输出稳定的电流。

可选地，电磁耦合器30的输入转速的理想区间为(3000±1000)rpm，通过设置具有合适变速比的变速装置，可以使飞轮转子20的输出转速变化到电磁耦合器30的输入转速的该理想区间内。当电磁耦合器30的输入转速(发电机转子的转速)在(3000±1000)rpm范围内时，电磁耦合器30能够对外转子31的机械转速变化进行更快速地响应，以保持外转子31的磁场转速恒定。

可选地，定变速比变速装置61的变速比为0.03-333。

可选地，定变速比变速装置61为具有变速功能的齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器、永磁变速器或磁耦合器变速装置。

实施例三：

下面以图4为例描述本实施例的飞轮储能系统，本实施例的飞轮储能系统包括电动机10、飞轮转子20、电磁耦合器30、变频器40、发电机50、变速比可调装置62、第一传动轴71、第二传动轴72和第三传动轴73。飞轮转子20、电动机10、电磁耦合器30同实施例一类似，这里不作赘述，只描述区别部分。

如图4所示，第一传动轴31穿过飞轮转子20并与飞轮转子20传动连接，第一传动轴31的一端与电动机10的输出端传动连接，第一传动轴31的另一端与变速比可调装置62的输入端传动连接。第二传动轴32的一端与变速比可调装置62的输出端传动连接，另一端与外转子31相连。第三传动轴73一端与内转子32相连，另一端与发电机50的输入段相连。变速比可调装置62的变速比可调，变速比可调装置62的变速比为输入端转速与输出端转速之比。

可选地，变速比可调装置62可以为多级变速装置，即变速比可调装置62具有多个变速比，且可根据飞轮转子20的转速情况进行切换。或者，变速比可调装置62可以为无级变速装置，即变速比可调装置62可在一定范围内连续调节其变速比。

可选地，变速比可调装置62为具有多级或无级变速功能的齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器、永磁变速器或磁耦合器变速装置。

通过在飞轮转子20与电磁耦合器30之间设置变速比可调装置62，并根据飞轮转子20的当前转速适应性地调整变速比可调装置62的变速比，可以使飞轮转子20的输出转速更好地转变到电磁耦合器30的输入转速的理想区间内，进一步减轻电磁耦合器30的电流调节负担，提高电磁耦合器30的适用性，还可以扩大飞轮转子20的转速区间。

当飞轮转子20的转速上升时，可以使变速比可调装置62的变速比增大，当飞轮转子20的转速下降时，可以使变速比可调装置62的变速比减小，以使变速比可调装置62的输出端保持在电磁耦合器30的输入转速的理想区间内，使电磁耦合器30快速响应进行调节，向电网输出恒频电流。

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。

此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种具有电磁耦合器的飞轮储能系统，其特征在于，包括电动机、飞轮转子、电磁耦合器、变频器、发电机、变速比可调装置、第一传动轴、第二传动轴和第三传动轴，

所述电动机与所述飞轮转子相连以驱动所述飞轮转子旋转，所述电磁耦合器包括外转子和内转子，所述外转子套设所述内转子并与所述内转子之间间隔，所述飞轮转子与所述外转子传动连接，所述外转子产生旋转磁场带动所述内转子转动，所述变频器与所述外转子相连用于使所述旋转磁场的转速保持恒定，从而使所述内转子的转速保持恒定，所述内转子与所述发电机的输入端相连，所述发电机发电接入电网并向电网中输入具有稳定频率的电能；

所述电动机与电网相连并用于从电网取电，所述飞轮储能系统具备释能状态和储能状态，在所述释能状态下，所述电动机待机，所述飞轮转子释放动能驱动所述发电机发电，所述发电机向电网中输入具有稳定频率的电能，在所述储能状态下，所述电动机从电网取电以驱动所述飞轮转子旋转，所述发电机空转；

所述飞轮转子与所述变速比可调装置的输入端传动连接，所述变速比可调装置的输出端与所述外转子传动连接，所述变速比可调装置用于传导所述飞轮转子的转动惯量；

当所述飞轮储能系统发电时，所述飞轮转子的转动能够带动所述外转子旋转，并且所述变频器能够向所述外转子通入交流电；

当所述变频器向所述外转子输入交流电，能够使所述外转子产生旋转磁场，此外由于所述外转子旋转，所述外转子实际产生的旋转磁场的转速为所述变频器通入的电流匹配的旋转磁场转速与所述外转子的机械转速的叠加，所述内转子在旋转磁场的作用下转动，所述内转子的转速等于所述外转子的磁场转速，从而实现转动惯量的传递；

根据所述外转子的机械转速和所述内转子的预设转速的差值，通过所述变频器改变通向所述外转子的电流，可以改变电流匹配的磁场转速，使所述外转子的磁场转速恒定，从而使所述内转子的转速保持恒定，所述内转子驱动所述发电机向电网输入具有稳定频率的电流；

所述第一传动轴穿过所述飞轮转子并与所述飞轮转子传动连接，所述第一传动轴的一端与所述电动机的输出端传动连接，所述第一传动轴的另一端与所述变速比可调装置的输入端传动连接；所述第二传动轴的一端与所述变速比可调装置的输出端传动连接，所述第二传动轴的另一端与所述外转子相连；所述第三传动轴的一端与所述内转子相连，所述第三传动轴的另一端与所述发电机的输入段相连；所述变速比可调装置的变速比可调，所述变速比可调装置的变速比为输入端转速与输出端转速之比。

2.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮储能系统，其特征在于，所述内转子包括内转子铁芯和内转子绕组，所述外转子包括外转子铁芯和外转子绕组，所述变频器与所述外转子绕组相连。

3.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮储能系统，其特征在于，所述发电机为同步发电机。

4.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮储能系统具备待机状态，在所述待机状态下，所述电动机待机，所述发电机空转。

5.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮储能系统，其特征在于，所述变速比可调装置为齿轮变速器、液力变矩器、磁力变液器或永磁变速器。

6.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮转子的转速为100rpm-1000000rpm，所述变速比可调装置的变速比为0.03-333。