CN114498694A - 一种模块化储能飞轮及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化储能飞轮及系统，储能飞轮包括壳体、上模块组件、电机组件、轮体和下模块组件；所述上模块组件包括上端盖和上径向轴承组件；所述下模块组件包括下径向轴承组件、下轴向轴承组件和下端盖；所述上模块组件和所述下模块组件能作为整体安装于所述壳体上。本发明提供的模块化高功率磁悬浮储能飞轮系统，单体电压高、输出功率大，状态可全监控，采用磁悬浮支承方案、工作转速高，具有功率密度高、允许短时间大电流充放电、寿命长、温度适应性好等优点；与现有产品相比，组合磁轴承组件的引入使整机更紧凑、功率密度更高；优化的大功率高速电机和真空磁悬浮技术，提高了工作转速。

Description

一种模块化储能飞轮及系统

技术领域

本发明涉及储能装置，具体涉及一种模块化储能飞轮及系统。

背景技术

近些年储能技术与应用发展迅速，其中飞轮储能系统利用飞轮转子的升、降速实现电能-机械能的双向流动，单体容量大、状态可全监控，具有功率密度高、允许短时间大电流充放电、寿命长、温度适应性好等优点。其中，大惯量飞轮轮体是能量载体，在轴承支承下由电机驱动高速旋转充电、拖动发电机释放电能，因此，实现储能飞轮高比能/高比功率设计的关键在于降低轴承支承损耗、提高飞轮转子临界转速和能量转换效率，同时提高储能飞轮的运行寿命和安全性。

从当前储能电源产品研究水平来看，储能系统主要分为化学储能、电磁和机械储能方式。传统化学电池的比功率约为25～100W/kg、比能量约为20～35Wh/kg，其储能密度适中、功率密度较低，较飞轮储能相差一个数量级以上。超级电容拥有较高的比功率(达到4000W/kg)，与飞轮储能在功能上有较大的相似性，但与飞轮储能相比，其储能密度仅为30Wh/kg、而飞轮储能则能达到150Wh/kg，另外超级电容单体电压低、储能量小，需要大量的串并联以应用，导致系统可靠性低、能源管理复杂，而飞轮储能则可以实现单体的高电压、大能量，有效提高储能系统的功率密度及系统可靠性。通过对新材料、电力电子、磁轴承技术等的持续研究，磁悬浮飞轮储能具有更高比功率(10000W/kg)、更大比能量300Wh/kg，同时具有较长使用寿命(20年)、低的自耗散率(≤3％)、深度充放电的能力，并且性能无衰减，同样容量下结构更紧凑、空间尺寸更小，特别适合短时、高功率充放电的应用领域。

在国家相关专项的牵引下很多机构开展了飞轮储能基础理论和关键技术的研究与原理验证，所研制的储能装置为了降低功耗、提高支承效率，大多采用了特殊设计的机械轴承和轴向永磁卸载的方案，刚度和阻尼特性难以调整；受制于轴承支承，大功率电机速度低(通常为几千转)，系统体积和质量庞大，降低了能量密度；受限于电机功率水平和临界转速，所公开的磁悬浮装置输出功率小、运转速度低，并联扩展能力差。随着材料的发展和技术的进步，采用磁悬浮轴承支承技术，刚度、阻尼特性主动可控，无机械接触特性有利于大功率电机转速的提高和快速充放电条件下的稳定控制，对于降低系统自耗散率、提高功率密度和能量转换效率具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于全主动永磁电磁混合磁悬浮支承和低功耗高速大功率永磁同步电机的高功率磁悬浮储能飞轮。本发明面向高性能飞轮UPS、智能电网快速调峰与调频、轨道交通制动能量回收等应用需求，在当前研制的样机系统，结合高比功率/高比、模块化、集成可扩展等约束条件提出。

为了达到上述目的，本发明提供了一种模块化储能飞轮，包括壳体、上模块组件、电机组件、轮体和下模块组件；

所述上模块组件包括上端盖和上径向轴承组件；

所述下模块组件包括下径向轴承组件、下轴向轴承组件和下端盖；

所述上模块组件和所述下模块组件能作为整体安装于所述壳体上。

可选地，所述壳体的外侧设置周向分布的竖直散热片。

可选地，所述上径向轴承组件包括上径向X和上径向Y两通道电磁永磁混合磁轴承，及上径向X、上径向Y和上轴向三通道电感位移传感器；

所述下径向轴承组件包括下径向X、下径向Y和下轴向三通道电磁永磁混合磁轴承，及下径向X、下径向Y和下轴向三通道电感位移传感器；

所述下轴向轴承组件与所述下径向轴承组件共用结构和磁路。

可选地，所述上径向轴承组件和下径向轴承组件上设有螺栓，通过所述螺栓，将所述上模块组件和下模块组件连接在所述壳体上。

可选地，所述电机组件的电机定子与所述壳体过盈连接；所述电机组件的电机转子为磁钢轴式结构，与所述轮体过盈连接。

可选地，所述电机转子以整体平行充磁的方式对磁钢充磁。

可选地，还包括连接于所述壳体上的真空组件，所述真空组件包括真空计、真空泵和电磁阀。

本发明还提供了一种储能飞轮系统，包括上述储能飞轮，所述储能飞轮通过双向电力变换器与外界完成机械能与电能的能量存储与转换。

可选地，通过控制电路模块驱动所述上径向轴承组件、所述下径向轴承组件和所述下轴向轴承组件。

可选地，包括能量管理与传输控制模块，所述电机组件在所述能量管理与传输控制模块的控制下驱动所述储能飞轮。

本发明的有益效果为：

本发明提供的储能飞轮充电时，采用540V直流输入电能，在高速大功率变频器控制下驱动电机组件工作于电动状态，使磁悬浮飞轮转子加速旋转，将电能转化为机械能储存能量；放电时，大惯量磁浮飞轮转子降速，带动电动/发电机工作于发电状态，在电力电子装置的控制下输出稳定可调节的直流电压，具有功率大(300kW)、寿命长、可靠性高、扩展性强等特点。

为了降低系统装调难度、提高其应用性，储能飞轮采用模块化设计；同时，电力电子单元采用一体式双向大功率DC/DC单元，为飞轮储能系统的模块化集成、并联扩展应用提供了有力的技术和应用支撑。

本发明所采用的全主动磁悬浮混合磁轴承支承技术没有机械接触、不需润滑，具有无机械摩擦、功耗低、寿命长、效率高、振动与噪声小等特点。基于真空磁轴悬浮支承技术研制的高功率磁悬浮储能飞轮系统，不仅具有单体电压高、输出功率大，功率密度高、可靠性高，寿命长、绿色高效等特点，与现有产品相比，占地面积小，易于实现基于直流母线的并联拓展应用。

附图说明

图1为本发明的储能飞轮系统结构示意图。

图2为本发明的储能飞轮剖面图。

图3为本发明的储能飞轮俯视图。

图4为本发明的电机转子剖面图。

图5为本发明的电机转子充磁方向示意图。

图6为本发明的控制电路模块的电路结构框图。

图7为本发明的能量管理与传输控制模块电路结构拓扑图。

图8为本发明用于放置储能飞轮的电器柜正面示意图。

图9为本发明用于放置储能飞轮的电器柜背面示意图。

图中，1-上端盖，2-上径向轴承组件，3-电机组件，31-磁钢保护套，32-隔磁板，33-磁钢轴，4-壳体，5-轮体，6-下径向轴承组件，7-下轴向轴承组件，8-下端盖，9-散热片，10-接线端子，11-模块化储能飞轮，12-冷却风扇，13-真空组件，14-能量控制与管理单元，141-第一能量控制与管理单元，142-第二能量控制与管理单元，143-第三能量控制与管理单元，15-磁轴承控制器，16-电气柜监控管理模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“垂直”“水平”“内”“外”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”“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，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；可以是机械连接；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发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种储能飞轮系统，包含模块化储能飞轮、双向电力变换器、能量管理与传输控制模块和辅助系统(包括用于真空、散热、监控等功能的组件)。储能飞轮通过双向电力变换器与外界完成机械能与电能的能量存储与转换，储能飞轮的电机组件能在能量管理与传输控制模块的控制下驱动储能飞轮。系统最高工作转速30000rpm、储能量1.3kWh，输入540VDC、输入功率10kW～50kW，输出400～520VDC可调直流电压、输出最大功率300kW。

如图2-图5所示，储能飞轮采用双端支承的立式结构，包括上端盖1、上径向轴承组件2、电机组件3、壳体4、轮体5、下径向轴承组件6、下轴向轴承组件7、下端盖8、散热片9和接线端子10。

上端盖1的端盖中间安装红外测温传感器用以监测上轴端温度。上径向轴承组件2由上径向X和上径向Y两通道电磁永磁混合磁轴承，及上径向X、上径向Y和上轴向三通道电感位移传感器组成。上端盖1和上径向轴承组件2作为上模块组件，通过上径向轴承组件2上的螺栓，使上模块组件能整体安装在壳体4上，连接处采用双密封圈进行真空密封。

下径向轴承组件6由下径向X、下径向Y和下轴向三通道电磁永磁混合磁轴承，及下径向X、下径向Y和下轴向三通道电感位移传感器组成。下轴向轴承组件7与下径向轴承组件6共用结构和磁路。下端盖8、下径向轴承组件6和下轴向轴承组件7作为下模块组件，通过下径向轴承组件6上的螺栓，使下模块组件能整体安装在壳体4上，连接处采用双密封圈进行真空密封。

上径向X和径向Y两个方向电磁永磁混合磁轴承、下径向X和下径向Y两个方向电磁永磁混合磁轴承、轴向电磁永磁混合磁轴承三部分组成五轴主动磁悬浮轴承。上径向轴承组件2和下径向轴承组件6，采用高精度一体式电感传感器同时测量径向和轴向位移，共用两个电感传感器实现上径向X和Y、下径向X和Y、上轴向Z1和下轴向Z2六个方向的位移测量，测量精度优于1μm，探头驱动信号频率5～100KHz。上径向轴承组件2和下径向轴承组件6的径向和轴向一体化设计，结构更紧凑。

轴承线圈和和传感器均通过位于上径向轴承组件2和下径向轴承组件6上的接线端子10引出，与轮体5不交叉、无电气连接，在装调过程中无需频繁拆、装接线端子10，因而提高了储能飞轮的模块化水平，降低了装配难度。三相功率接线端子10采用陶瓷绝缘技术和密封圈真空密封技术，可有效提高接线端子10的绝缘能力以及真空腔体的真空保持能力。

电机组件3为高速大功率永磁同步电机组件，由高速电机定子、轴式电机转子等部分组成。电机定子与壳体4采用热装过盈方式连接。电机转子采用轴式磁钢结构，磁钢保护套31采用Inconel 718材料制作，隔磁板32由TA2材料制作。磁钢轴33由3块Ф120mm、高32mm的钐钴材料磁钢采用胶水粘接而成，钐钴材料牌号为30H。隔磁板32、磁钢轴33通过高强度耐热胶水与芯轴粘接为一体，然后套入磁钢保护套31后，整体套入飞轮轴过盈连接，热装温度500℃。电机转子输出最大功率300kW、工作转速30000rpm、效率99％。磁钢结构安装后整体充磁，充磁方向为平行充磁。

壳体4内部为真空腔体，采用双密封圈和真空系统保持真空腔体的真空度维持在预定值。优选地，储能飞轮还设有真空组件，由真空计、真空泵、电磁阀等组件组成，实时监测储能壳体4真空腔体的真空度，真空度高于设定阈值开启真空泵，否则关闭真空泵；在上下阈值间保持真空压力。此外，在保证散热的同时，轮体5上增加了吊装和轮体锁紧螺母，提高了实用性。

轮体5由40CrNi₂MoAb金属轮毂、高强度复合材料轮缘两部分组成，强度高，工作转速可超过500m/s的线速度。电机组件、上径向磁轴承组件、下径向磁轴承组件、下轴向磁轴承组件和轮体共转子轴。

散热片9与壳体4一体加工成形，在壳体4的外侧沿周向呈竖直状分布，通过被动散热和外部强制风冷的散热方式，能显著增大散热面积、提高散热能力。

如图6所示，控制电路模块用于驱动五轴主动磁悬浮轴承。其与磁轴承组件连接并处理所述磁轴承组件位移信号，经闭环控制驱动所述磁轴承组件的线圈实时调节转子位移。接收6路位置信号经过信号解算与调理后，由AD采集入处理器TMS320C28335高速处理实时产生位置控制信号经隔离与驱动电路后驱动五通道数字功放驱动磁轴承线圈产生合适的电磁控制力，实现飞轮轴稳定悬浮。控制电路模块为多通道数字功放采用模块化电路结构，单通道采用基于2D空间矢量调制技术的3桥臂开关功放模块，主芯片采用通用IPM集成芯片、直流母线电压可达300V，各通道开关功放拓扑结构相同，可互换使用。采用基于多相交错并联双向BUCK-BOOST电力变换电路调节直流电压，外加三相全桥电路进行电机驱动控制的主电路拓扑结构。

如图7所示，电机组件在能量管理与传输控制模块的控制下驱动储能飞轮。能量管理与传输控制模块与电机组件和外部供电主电路连接，实现电能的双向流动。能量管理与传输控制模块采用基于多相交错并联双向BUCK-BOOST电力变换电路调节直流电压，外加三相全桥电路进行电机驱动控制的主电路拓扑结构，不仅可以得到比较宽的调速范围，而且根据功能划分有利于实现模块化，降低系统电路复杂度和实现难度。充电回路采用基于滑模变结构的PMSM无位置传感器的矢量控制技术，提高系统抗负载扰动性能和提高系统动态响应能力。放电回路采用基于电流前馈解耦的放电控制技术，改善系统动静态特性。

本发明提供的模块化储能飞轮系统的产品组成和布局如图8和图9所示。采用集成箱柜固定与支撑模块化储能飞轮11、真空组件13、能量控制与管理单元14、磁轴承控制器15和人机接口，实现电能的双向管理与传输、并提供良好的直流扩展接口。采用紧固连接和弹性连接相结合的方式固定和支撑各组件模块，以电气柜的形式实现集成化、模块化，通过直流并联易于容量扩展应用，并采用屏蔽网、可靠接地等措施降低产品柜的电磁辐射。模块化储能飞轮11采用紧固连接和弹性连接相结合的方式固定在柜体的左下，顶部安装冷却风扇12进行对流散热。真空组件13安装在模块化储能飞轮11左下角，连接在壳体上，实时监测并保持真空腔体气压。能量控制与管理单元14包含分别独立设置的第一能量控制与管理单元141、第二能量控制与管理单元142和第三能量控制与管理单元143，分别控制电机组件的三相电枢A、B、C。第一能量控制与管理单元141、第二能量控制与管理单元142和第三能量控制与管理单元143分别安装在柜体中间上部和左右两侧，通过该单元背部的风扇以及冷却风扇12进行风冷散热。磁轴承控制器15安装在柜体背部右侧上部，电气柜监控管理模块16安装在柜体背部左侧上部，人机界面安装在柜体前面板上，提供整机状态监控和人机操控接口。储能飞轮系统的散热窗口采用电磁屏蔽网进行防护，并可靠接地降低产品的电磁辐射。采用风冷和优化的对流布局提高产品柜的散热能力。

综上所述，本发明提供的模块化高功率磁悬浮储能飞轮系统，单体电压高、输出功率大，状态可全监控，采用磁悬浮支承方案、工作转速高，具有功率密度高、允许短时间大电流充放电、寿命长、温度适应性好等优点；与现有产品相比，组合磁轴承组件的引入使整机更紧凑、功率密度更高；优化的大功率高速电机和真空磁悬浮技术，提高了工作转速，因而整机能量密度更高、占地面积更小。储能飞轮系统以标准电气柜的形式实现系统层级的集成化、模块化，通过直流并联易于容量扩展应用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种模块化储能飞轮，其特征在于，包括壳体、上模块组件、电机组件、轮体和下模块组件；

所述上模块组件包括上端盖和上径向轴承组件；

所述下模块组件包括下径向轴承组件、下轴向轴承组件和下端盖；

所述上模块组件和所述下模块组件能作为整体安装于所述壳体上。

2.如权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述壳体的外侧设置周向分布的竖直散热片。

3.如权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，

所述上径向轴承组件包括上径向X和上径向Y两通道电磁永磁混合磁轴承，及上径向X、上径向Y和上轴向三通道电感位移传感器；

所述下径向轴承组件包括下径向X、下径向Y和下轴向三通道电磁永磁混合磁轴承，及下径向X、下径向Y和下轴向三通道电感位移传感器；所述下轴向轴承组件与所述下径向轴承组件共用结构和磁路。

4.如权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述上径向轴承组件和下径向轴承组件上设有螺栓，通过所述螺栓，将所述上模块组件和下模块组件连接在所述壳体上。

5.如权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述电机组件的电机定子与所述壳体过盈连接；所述电机组件的电机转子为磁钢轴式结构，与所述轮体过盈连接。

6.如权利要求5所述的储能飞轮，其特征在于，所述电机转子以整体平行充磁的方式对磁钢充磁。

7.如权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，还包括连接于所述壳体上的真空组件，所述真空组件包括真空计、真空泵和电磁阀。

8.一种储能飞轮系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的储能飞轮，所述储能飞轮通过双向电力变换器与外界完成机械能与电能的能量存储与转换。

9.如权利要求8所述的储能飞轮系统，其特征在于，通过控制电路模块驱动所述上径向轴承组件、所述下径向轴承组件和所述下轴向轴承组件。

10.如权利要求9所述的储能飞轮系统，其特征在于，包括能量管理与传输控制模块，所述电机组件在所述能量管理与传输控制模块的控制下驱动所述储能飞轮。

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