CN114665612B - 一种基于永磁直线电机的重力储能装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于重力储能技术领域，提供了基于永磁直线电机的重力储能装置及控制方法。其中当装置运行在发电状态时，控制器根据接收到动子的速度和位置及永磁直线电机的电枢电压信号进行三闭环控制，经过加速下降、匀速下降和减速制动三个过程，重力势能经过永磁直线电机变成电能，然后经电力电子变换器输送到电网或其他储能设备；当装置运行在储能状态时，控制器根据接收到的动子的速度和位置及永磁直线电机的电枢电流信号进行三闭环控制，经过加速上升、匀速上升和减速制动三个过程，使得电能通过电力电子变换器从电网或其他储能设备输送到永磁直线电机，然后经永磁直线电机转化为重力势能进行储存。

Description

一种基于永磁直线电机的重力储能装置及控制方法

技术领域

本发明属于重力储能技术领域，尤其涉及一种基于永磁直线电机的重力储能装置及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

太阳能、风能等新能源发电系统发电功率受自然条件所限，具有随机、不稳定性。为了能够尽可能充分利用这些新能源发电量，解决高比例可再生能源电网安全稳定运行的问题，发展各种储能技术愈发重要。电池储能虽然具有效率高、调节性能好等优点，但受制于电池高昂的成本、较短的运行寿命、随着运行时间增加而不断衰减的储能量、电池制造中会带来污染、运行中偏低的安全性等问题，不适合大规模储能。此外淡水抽水蓄能电站受自然环境、气候条件、地形地貌等限制，选址日益困难。而海水抽水蓄能电站工程复杂，海水腐蚀、海洋生物附着会破坏设备，影响电站性能，海水还会污染陆地土壤和地下水，因此需要严格的工程防护和评估检查。

基于构筑物高度差的重力储能装置选址灵活、环保、易于集成化和规模化，储能容量不会衰减，越发受到青睐。目前利用重力储能的结构方案包括：利用起重机将混凝土块堆叠成塔的结构，利用混凝土块的吊起和吊落进行储能和发电；利用行吊和承重墙堆叠重物的方案等。但是发明人发现，目前这些重力储能方案都使用旋转电机，配合滑轮组，导致整个储能系统结构复杂、效率不高、控制精度低，同时对于储能系统的电机部分介绍简略，没有说明电机的具体控制方法。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于永磁直线电机的重力储能装置及控制方法，其能够提高储能效率，降低结构复杂度，提高控制精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一个方面提供了一种基于永磁直线电机的重力储能装置，其包括重物块、永磁直线电机、框架机构和控制器，其中：

永磁直线电机的定子排列在用来支撑重力储能装置的框架机构上，永磁直线电机的永磁体和电枢绕组均安装在动子上，动子空载或动子下方挂载一个或多个重物块，永磁直线电机的动子空载或所述控制器用于控制永磁直线电机的动子挂载在框架机构内竖直上下运动，以实现储能和发电。

作为一种实施方式，永磁直线电机的动子上还安装有制动器和测量及通信模块；

制动器用于对动子和重物块进行制动和位置固定；

测量及通信模块用于检测动子的位置和速度、永磁直线电机的电枢电流和电压以及蓄电池的剩余电能信号并传递至控制器，并接受控制器对制动器的控制信号。

作为一种实施方式，所述测量及通信模块包括蓄电池、无线通讯器、速度传感器、位置传感器、电流传感器和电压传感器；所述位置传感器和速度传感器分别用来检测动子的位置和速度，电流传感器和电压传感器分别用来检测永磁直线电机的电枢电流和电压；所述无线通讯器用于将速度传感器、位置传感器、电流传感器和电压传感器的检测信号和蓄电池的剩余电能信号传递给控制器，并接受控制器对制动器的控制信号。

作为一种实施方式，所述永磁直线电机外侧竖直安装有竖直线缆，所述竖直线缆与框架机构等高，竖直线缆底部和电力电子变换器相连，永磁直线电机电枢绕组通过电刷和竖直线缆相连，电枢绕组经电刷、竖直线缆、电力电子变换器和电网或其他储能设备形成通路。

作为一种实施方式，控制器和电力电子变换器均安装在框架机构底部，控制器通过控制电力电子变换器开断实现电能变换，同时控制永磁直线电机运动状态。

作为一种实施方式，多个重力储能装置组合在一起，一字排开或者排成棋盘状。

作为一种实施方式，相邻储能装置共用部分框架结构。

本发明的第二个方面提供了一种如上述所述的基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其包括：

正常运行时分为发电状态和储能状态，即永磁直线电机分别运行在发电状态和电动状态，其中：

当永磁直线电机运行在发电状态时，控制器根据接收到动子的速度和位置及永磁直线电机的电枢电压信号进行三闭环控制，使得重力势能经过永磁直线电机变成电能，然后经电力电子变换器输送到电网或其他储能设备；

当永磁直线电机运行在电动状态时，控制器根据接收到的动子的速度和位置及永磁直线电机的电枢电流信号进行三闭环控制，使得电能通过电力电子变换器从电网或其他储能设备输送到永磁直线电机，然后经永磁直线电机转化为重力势能进行储存。

作为一种实施方式，当永磁直线电机运行在发电状态时，永磁直线电机向下运行，分为加速下降、匀速下降和减速制动三个过程，其中：

加速下降过程为起始阶段，当速度传感器检测到永磁直线电机的动子加速运行至指定速度，控制器控制永磁直线电机进入匀速下降运动过程；

匀速下降过程为第二阶段，当位置传感器检测到永磁直线电机的动子匀速运行至指定位置时，控制器和制动器控制永磁直线电机进入减速制动过程；

减速制动过程为最终阶段，控制器和制动器控制永磁直线电机下降至最终位置时速度降至零。

作为一种实施方式，当永磁直线电机运行在电动状态时，永磁直线电机向上运行，分为加速上升、匀速上升和减速制动三个过程，其中：

加速上升过程为起始阶段，当速度传感器检测到永磁直线电机的动子加速运行至指定速度，控制器控制永磁直线电机进入匀速上升运动过程；

匀速上升过程为第二阶段，当位置传感器检测到永磁直线电机的动子匀速运行至指定位置时，控制器控制永磁直线电机进入减速制动过程；

减速制动过程为最终阶段，控制器控制永磁直线电机上升至最终位置时速度降至零。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于永磁直线电机的重力储能装置及控制方法，其根据永磁直线电机运行状态的不同，根据接收到的动子的速度和位置及永磁直线电机的电枢电压信号和电流信号进行对应闭环控制，使得电能从永磁直线电机经电力电子变换器输送到电网或其他储能设备，或者电能通过电力电子变换器从电网或其他储能设备输送到永磁直线电机，提高了储能效率，降低了重力储能装置的结构复杂度，提高了重力储能装置的控制精度。

本发明附加方面的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

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的基于永磁直线电机的重力储能装置整体结构示意图。

图2是重力储能装置电机结构示意图。

其中，1-重物块、2-永磁直线电机、3-框架机构、4-竖直线缆、5-制动器、6-控制器、7-电力电子变换器、8-电网或其他储能设备、9-测量及通信模块，11-刚性连接件、21-动子、22-定子、23-永磁体、24-电枢绕组、25-电刷。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

参照图1和图2，本实施例提供了一种基于永磁直线电机的重力储能装置，其包括重物块1、永磁直线电机2、框架机构3、竖直线缆4、制动器5、控制器6、电力电子变换器7、电网或其他储能设备8以及测量及通信模块9。

参照图2，永磁直线电机2为双边永磁直线电机，定子22排列在用来支撑重力储能装置的框架机构3上，永磁体23和电枢绕组24均在动子21上，以减少永磁体和绕线成本；动子21空载，或者下方通过刚性连接件11挂载一个或多个重物块1，以实现动子21和重物块1在运行时相对静止；动子21空载或挂载在框架机构3内竖直上下运动，以实现储能和发电。

参照图2，制动器5和测量及通信模块9均安装在永磁直线电机2的动子21上；所述制动器5用于对动子21和重物块1进行制动和位置固定；所述测量及通信模块9包括蓄电池、无线通讯器、速度传感器、位置传感器、电流传感器和电压传感器；所述蓄电池为制动器5、无线通讯器、速度传感器、位置传感器、电流传感器和电压传感器供电；所述位置传感器和速度传感器分别用来检测动子21的位置和速度，电流传感器和电压传感器分别用来检测永磁直线电机2的电枢电流和电压；所述无线通讯器把速度传感器、位置传感器、电流传感器和电压传感器的检测信号和蓄电池的剩余电能信号传递给控制器6，并接受控制器6对制动器5的控制信号。

参照图1和图2，竖直线缆4竖直安装于永磁直线电机2外侧，和框架机构3等高，底部和电力电子变换器7相连，永磁直线电机电枢绕组24通过电刷25和竖直线缆4相连，电枢绕组24经电刷25、竖直线缆6、电力电子变换器7和电网或其他储能设备8形成通路；所述控制器6和电力电子变换器7均安装在框架机构3底部，控制器6通过控制电力电子变换器7开断实现电能变换，同时控制永磁直线电机2运动状态。

在一个或多个实施例中，还提供了基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，系统正常运行时分为发电状态和储能状态，也即永磁直线电机2分别运行在发电状态和电动状态，具体为：

(1)当永磁直线电机2运行在发电状态，永磁直线电机2向下运行，控制器6根据接收到速度、位置和电压信号进行三闭环控制，永磁直线电机2经过加速下降、匀速下降和减速制动三个过程，使得重力势能经过永磁直线电机2变成电能，然后经电力电子变换器7输送到电网或其他储能设备8，其中：

(1.1)加速下降过程为起始阶段，当永磁直线电机2的动子21在加速下降过程中，速度传感器实时检测动子21的速度，并把速度信号传递到控制器6中，电压传感器实时检测永磁直线电机2的电枢电压，并把电压信号传递控制器6中，控制器6根据速度和电压信号控制电力电子变换器7的关断频率，通过速度和电压闭环控制动子21的速度，电能从永磁直线电机2经电力电子变换器7输送到电网或其他储能设备8，重力势能转化为电能和动能，当速度传感器检测到动子21加速运行至指定速度，控制器6控制永磁直线电机2进入匀速下降运动过程；

(1.2)匀速下降过程为第二阶段，当永磁直线电机2的动子21在匀速下降过程中，控制器6根据速度和电流信号控制电力电子变换器7的关断频率，通过速度和电压闭环控制永磁直线电机2匀速下降，电力电子变换器7的关断频率恒定，电能从永磁直线电机2经电力电子变换器7输送到电网或其他储能设备8，重力势能转化为电能，在位置传感器检测到永磁直线电机2运行至指定位置，永磁直线电机2进入减速制动过程；

(1.3)减速制动过程为最终阶段，当永磁直线电机2的动子21在减速制动过程中，永磁直线电机2受制动器5作用减速，同时控制器6根据速度、位置和电压信号控制电力电子变换器7的关断频率，通过速度、位置和电流闭环控制永磁直线电机2减速制动，电能从永磁直线电机2经电力电子变换器7输送到电网或其他储能设备8，重力势能和动能转化为电能及内能，使永磁直线电机2的动子21到达最终位置速度降至零。

(2)当永磁直线电机2运行在电动状态，永磁直线电机向上运行，控制器6用于根据接收到的速度、位置及电流信号进行三闭环控制，永磁直线电机2经过加速上升、匀速上升和减速制动三个过程，使得电能通过电力电子变换器7从电网或其他储能设备8输送到永磁直线电机2，然后经永磁直线电机2转化为重力势能进行储存，其中：

(2.1)加速上升过程为起始阶段，当永磁直线电机2的动子21在加速上升过程中，速度传感器实时检测动子21的速度，并把速度信号传递到控制器6中，电流传感器实时检测永磁直线电机2电枢电流，并把电流信号传递控制器6中，控制器6根据速度和电流信号控制电力电子变换器7的关断频率，通过速度和电流闭环控制动子21的速度，电能从电网或其他储能设备8经电力电子变换器7输送到永磁直线电机2，电能转化为重力势能和动能，当速度传感器检测到动子21加速运行至指定速度，控制器6控制永磁直线电机2进入匀速上升运动过程；

(2.2)匀速上升过程为第二阶段，当永磁直线电机2的动子21在匀速上升过程中，控制器6根据速度和电流信号控制电力电子变换器7的关断频率，通过速度和电流闭环控制动子21的匀速上升，电力电子变换器7的关断频率恒定，电能从电网或其他储能设备8经电力电子变换器7输送到永磁直线电机2，电能通过永磁直线发电机2转化为重力势能，在位置传感器检测动子21运行至指定位置，永磁直线电机2进入减速上升过程；

(2.3)减速制动过程为最终阶段，当永磁直线电机2的动子21在减速制动过程中，控制器6根据速度、位置和电流信号控制电力电子变换器7的关断频率，通过速度、位置和电流闭环控制动子21的减速制动，电能从电网或其他储能设备8经电力电子变换器7输送到永磁直线电机2，使永磁直线电机2到达最终位置速度降至零，电能和动能完全转化为重力势能。在整个储能过程中电能转化成重力势能储存起来。

在具体实施例中，在具体实施例中，多个重力储能装置组合在一起，一字排开或者排成棋盘状，以提供足够的系统功率，相邻储能装置共用部分框架结构，降低单位功率的建设成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其特征在于，正常运行时分为发电状态和储能状态，即永磁直线电机分别运行在发电状态和电动状态，其中：

当永磁直线电机运行在发电状态时，控制器根据接收到动子的速度和位置及永磁直线电机的电枢电压信号进行三闭环控制，使得重力势能经过永磁直线电机变成电能，然后经电力电子变换器输送到电网或其他储能设备；

当永磁直线电机运行在电动状态时，控制器根据接收到的动子的速度和位置及永磁直线电机的电枢电流信号进行三闭环控制，使得电能通过电力电子变换器从电网或其他储能设备输送到永磁直线电机，然后经永磁直线电机转化为重力势能进行储存；

当永磁直线电机运行在发电状态时，永磁直线电机向下运行，分为加速下降、匀速下降和减速制动三个过程，其中：

加速下降过程为起始阶段，当速度传感器检测到永磁直线电机的动子加速运行至指定速度，控制器控制永磁直线电机进入匀速下降运动过程；

匀速下降过程为第二阶段，当位置传感器检测到永磁直线电机的动子匀速运行至指定位置时，控制器和制动器控制永磁直线电机进入减速制动过程；

减速制动过程为最终阶段，控制器和制动器控制永磁直线电机下降至最终位置时速度降至零；

所采用的基于永磁直线电机的重力储能装置，包括重物块、永磁直线电机、框架机构和控制器，其中：

永磁直线电机的定子排列在用来支撑重力储能装置的框架机构上，永磁直线电机的永磁体和电枢绕组均安装在动子上，动子空载或动子下方挂载一个或多个重物块，永磁直线电机的动子空载或所述控制器用于控制永磁直线电机的动子挂载在框架机构内竖直上下运动，以实现储能和发电。

2.如权利要求1所述的基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其特征在于，永磁直线电机的动子上还安装有制动器和测量及通信模块；

制动器用于对动子和重物块进行制动和位置固定；

测量及通信模块用于检测动子的位置和速度、永磁直线电机的电枢电流和电压以及蓄电池的剩余电能信号并传递至控制器，并接受控制器对制动器的控制信号。

3.如权利要求2所述的基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其特征在于，所述测量及通信模块包括蓄电池、无线通讯器、速度传感器、位置传感器、电流传感器和电压传感器；所述位置传感器和速度传感器分别用来检测动子的位置和速度，电流传感器和电压传感器分别用来检测永磁直线电机的电枢电流和电压；所述无线通讯器用于将速度传感器、位置传感器、电流传感器和电压传感器的检测信号和蓄电池的剩余电能信号传递给控制器，并接受控制器对制动器的控制信号。

4.如权利要求1所述的基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其特征在于，所述永磁直线电机外侧竖直安装有竖直线缆，所述竖直线缆与框架机构等高，竖直线缆底部和电力电子变换器相连，永磁直线电机电枢绕组通过电刷和竖直线缆相连，电枢绕组经电刷、竖直线缆、电力电子变换器和电网或其他储能设备形成通路。

5.如权利要求4所述的基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其特征在于，控制器和电力电子变换器均安装在框架机构底部，控制器通过控制电力电子变换器开断实现电能变换，同时控制永磁直线电机运动状态。

6.如权利要求1所述的基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其特征在于，多个重力储能装置组合在一起，一字排开或者排成棋盘状。

7.如权利要求1所述的基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其特征在于，相邻储能装置共用部分框架结构。

8.如权利要求1所述的基于永磁直线电机的重力储能装置的控制方法，其特征在于，当永磁直线电机运行在电动状态时，永磁直线电机向上运行，分为加速上升、匀速上升和减速制动三个过程，其中：

加速上升过程为起始阶段，当速度传感器检测到永磁直线电机的动子加速运行至指定速度，控制器控制永磁直线电机进入匀速上升运动过程；

匀速上升过程为第二阶段，当位置传感器检测到永磁直线电机的动子匀速运行至指定位置时，控制器控制永磁直线电机进入减速制动过程；

减速制动过程为最终阶段，控制器控制永磁直线电机上升至最终位置时速度降至零。