CN115694053A - 飞轮储能及惯量传导系统 - Google Patents

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范霁红
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刘赟
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李海鹏
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兰昊
牛明宇
董博
吴智泉
陈义学
刘江
孙金华
沈峰
余慧莺
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Abstract

本发明提供了一种飞轮储能及惯量传导系统，包括电动机、飞轮储能单元、惯量传导装置和发电机。飞轮储能单元包括飞轮转子、飞轮控制器及辅助装置。惯量传导装置用于传导转动惯量和传递飞轮能量，飞轮转子可断开地与惯量传导装置传动连接，惯量传导装置可接受变化的转速输入，然后通过变速，转速能够保持恒定输出，惯量传导装置可断开地与发电机传动连接，发电机用于受惯量传导装置驱动产生并输出稳定电能。将本发明提供的飞轮储能及惯量传导系统与电网连接，能有效缓解目前及将来电网中高比例新能源带来的高电力电子系统的低转动惯量使得电网稳定性及调节能力急剧下降的风险。

Description

飞轮储能及惯量传导系统
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种飞轮储能及惯量传导系统。
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，而电力电子装置不具备类似同步 机的旋转结构，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 种飞轮储能及惯量传导系统。
根据本发明的飞轮储能及惯量传导系统，包括：飞轮储能单元，所述飞轮储能单元包 括飞轮转子和电动机；惯量传导装置，所述惯量传导装置用于传导转动惯量和传递能量， 所述飞轮转子可断开地与所述惯量传导装置传动连接，所述惯量传导装置的输出转速能够 保持恒定；和发电机，所述惯量传导装置可断开地与所述发电机传动连接，所述发电机用 于受所述惯量传导装置驱动产生并输出具有稳定频率的电能。
根据本发明提供的飞轮储能及惯量传导系统具有用于传导转动惯量的惯量传导装置， 且惯量传导装置的输出转速能够保持恒定，发电机能够稳定输出电能。将本发明实施例提 供的飞轮储能及惯量传导系统与电网连接，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大规模使用导致的总的转动惯量比例不断减小的 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，所述飞轮储能及惯量传导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，所述飞轮转子与所述惯量传导装置连接以便释放动能，所述 惯量传导装置与所述发电机传动连接以驱动所述发电机发电，所述发电机能够向电网中输 入稳定电能，在所述储能状态下，所述电动机驱动所述飞轮转子转动以储存动能，所述发 电机能够停止向电网中输入电能。在一些实施例中，所述惯量传导装置包括转动惯量输入 端和转动惯量输出端，所述飞轮转子可断开地与所述转动惯量输入端传动连接，所述转动 惯量输出端可断开地与所述发电机传动连接，所述转动惯量输出端的转速能够保持恒定， 其中在所述释能状态下，所述飞轮转子与所述转动惯量输入端传动连接以便释放动能，所 述转动惯量输出端与所述发电机传动连接以驱动所述发电机发电。
在一些实施例中，在所述储能状态下，所述发电机空转，和/或，所述飞轮储能单元与 所述惯量传导装置之间的传动连接断开，和/或，所述转动惯量输出端的转速为零，和/或， 所述惯量传导装置与所述发电机之间的传动连接断开。
在一些实施例中，所述飞轮储能及惯量传导系统具备待机状态，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，所述惯量传导装置为变速装置且变速比可调以便保持所述转动惯量 输出端的转速。
在一些实施例中，所述惯量传导装置为无级变速装置。
在一些实施例中，所述惯量传导装置为永磁变速装置永磁变速装置、液力变速装置、 磁流变液装置、齿轮传动装置、磁耦合器变速装置、转差异步可调变速装置或双馈异步可 调变速装置。
在一些实施例中，所述惯量传导装置为永磁变速装置，所述永磁变速装置包括：内磁 环、调磁环和外磁环，所述内磁环、所述调磁环和所述外磁环从内向外依次套装且彼此间 隔形成气隙，所述外磁环包括从内向外依次相连的外磁环内永磁体、外磁环铁芯和外磁环 外永磁体；定子，所述定子套设在所述外磁环上并与所述外磁环间隔形成气隙，所述外磁 环能够被所述定子产生的旋转磁场驱动且转速可调；和输入轴和输出轴，所述内磁环与所 述输入轴传动连接，所述调磁环与所述输出轴传动连接，所述飞轮转子可断开地与所述输 入轴传动连接，所述输出轴可断开地与所述发电机传动连接。
在一些实施例中，所述惯量传导装置包括转动惯量输入端和转动惯量输出端，所述飞 轮转子可断开地与所述转动惯量输入端传动连接，所述转动惯量输出端可断开地与所述发 电机传动连接，其中所述转动惯量输出端的转速能够保持恒定。
在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统包括第一传动轴和第二传动轴，所述第一 传动轴连接所述飞轮转子、所述电动机和所述转动惯量输入端，所述第二传动轴连接所述 转动惯量输出端和所述发电机。
在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统还包括飞轮储能控制器，所述飞轮储能控 制器用于控制所述飞轮储能单元的能量输入及输入功率。
在一些实施例中，所述飞轮储能控制器包括：电网检测模块，所述电网检测模块用于 检测电网的当前频率；电动机控制模块，所述电动机控制模块用于根据电网的当前频率控 制所述电动机的启闭及输入功率。
在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统还包括惯量传导控制器，所述惯量传导控 制器用于调控所述惯量传导装置的变速比，其包括：输入转速检测模块，所述输入转速检 测模块用于检测所述惯量传导装置的输入转速；运算模块，用于根据所述惯量传导装置的 输入转速和所述输出转速的预设值运算出所述惯量传导装置的理想变速比；变速比控制模 块，所述变速比控制模块用于根据所述理想变速比调控所述惯量传导装置的变速比。
在一些实施例中，所述惯量传导装置的输出转速恒定在3000rpm。
在一些实施例中，所述发电机输出的电流的频率为50Hz。
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的飞轮储能及惯量传导系统的示意图。
图2是根据本发明实施例的飞轮储能控制器的示意图。
图3是根据本发明实施例的惯量传导控制器示意图。
图4是根据本发明实施例的飞轮储能及惯量传导系统的控制方法的流程图一。
图5是根据本发明实施例的飞轮储能及惯量传导系统的控制方法的流程图二。
图6是根据本发明实施例的飞轮储能及惯量传导系统的控制方法的流程图三。
图7是根据本发明实施例一的飞轮储能及惯量传导系统的示意图。
图8是根据本发明实施例二的飞轮储能及惯量传导系统的示意图。
图9是根据本发明实施例的飞轮储能单元的结构示意图。
图10是根据本发明实施例的永磁变速装置的结构示意图。
图11是根据本发明实施例的永磁变速装置的截面图。
附图标记：
飞轮储能及惯量传导系统1；飞轮储能单元10；飞轮转子111；电动机112；电动机定子1121；电动机转子1122；惯量传导装置20；转动惯量输入端211；转动惯量输出端212； 永磁变速装置210；发电机30；第一传动轴41；第二传动轴42；真空室50；轴向轴承51； 径向轴承52；散热器60；电动机电源70；减振装置80；飞轮储能控制器101；
调磁环001；内磁环002；内磁环永磁体0021；内磁环铁芯0022；内磁环筒体0023；外磁环003；外磁环内永磁体0031；外磁环铁芯0032；外磁环外永磁体0033；调磁环支撑 轴承0041；内支撑轴承0042；第一外磁环支撑轴承0043；第二外磁环支撑轴承0044；内 磁环法兰005；第一调磁环法兰0061；第二调磁环法兰0062；第一外磁环法兰0063；第二 外磁环法兰0064；定子100；定子铁芯110；绕组120；外壳130。
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描述本发明的实施例的飞轮储能及惯量传导系统1的基本结构。如图1 所示，飞轮储能及惯量传导系统1包括飞轮储能单元10、惯量传导装置20和发电机30。
飞轮储能单元10包括飞轮转子111和电动机112。飞轮转子111的加速能够实现能量 的储存，飞轮转子111的减速能够实现能量的释放。其中飞轮转子111与电动机112相连，电动机112用于驱动飞轮转子111旋转。电动机112通过驱动飞轮转子111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。
惯量传导装置20用于传导飞轮转子111由于转动产生的转动惯量，以及驱动发电机30 产生并输出电能。其中，飞轮转子111可断开地与惯量传导装置20传动连接，也就是说， 飞轮转子111可以与惯量传导装置20传动连接，也可以不与惯量传导装置20传动连接。惯量传导装置20可断开地与发电机30传动连接，也就是说，惯量传导装置20可以与发电 机30传动连接以驱动发电机30发电，也可以不与发电机30传动连接，此时惯量传导装置 20无法驱动发电机30产生电能。可选地，发电机30可以将产生的电能输入电网。
惯量传导装置20的输出转速保持恒定，以便惯量传导装置20能够驱动发电机30产生 并输出稳定的电流。也就是说，使惯量传导装置20的输出转速恒定，从而能够稳定地向发 电机30输入动能，发电机30在稳定的驱动下能够稳定发电，产生并输出稳定的电流。
可选地，飞轮储能及惯量传导系统1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111或者从飞轮转子111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及惯量传导系统具有用于传导转动惯量的惯量传导 装置，且惯量传导装置的输出转速能够保持恒定，发电机能够稳定输出电流。将本发明实 施例提供的飞轮储能及惯量传导系统与电网连接，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所示的飞轮储能及惯量传导系统1的示意图为例描述本发明提供的飞轮储 能及惯量传导系统1的组成、连接关系及运作流程。
在图1所示的实施例中，飞轮储能及惯量传导系统1包括飞轮储能单元10、惯量传导 装置20和发电机30。
惯量传导装置20用于传导飞轮转子111由于转动产生的转动惯量。惯量传导装置20 包括转动惯量输入端211和转动惯量输出端212。其中，飞轮转子111可以与转动惯量输入端211传动连接，转动惯量输出端212可以与发电机30传动连接。在该实施例中，惯量 传导装置20的转动惯量传递方向固定，即由飞轮转子111向发电机30方向传递。转动惯 量输出端212的转速能够保持恒定。需要说明的是，在其他实施例中，发电机30也可以通 过惯量响应的形式，用于将电网中的电能转化为动能传递给飞轮转子111。此时，转动惯 量输出端212作为电能输入端，转动惯量输入端211作为转动惯量输出端，电网的电能由 发电机30向飞轮转子111方向传递。
进一步地，惯量传导装置20为变速装置且变速比可调以便使转动惯量输出端212的转 速能够保持恒定。惯量传导装置20的变速比为惯量传导装置20的输入转速与输出转速之 比。惯量传导装置20的输入转速即转动惯量输入端211的转速，惯量传导装置20的输出 转速即转动惯量输出端212的转速。惯量传导装置20的输出转速由惯量传导装置20的变速比决定，也可以说，惯量传导装置20的变速比由惯量传导装置20的输出转速和输入转 速决定。
需要说明的是，在本实施例中，惯量传导装置20的输入转速与飞轮转子111的输出转 速相等，发电机30的转速与惯量传导装置20的输出转速相等。
本领域的技术人员可以理解的是，飞轮转子111的转速通常情况下处于不断变化之中， 通过对惯量传导装置20的变速比进行调节，可以使转动惯量输出端212的转速不受飞轮转 子111的转速的变化的影响而始终保持恒定。也就是说，为了使转动惯量输出端212的转 速保持恒定，对转动惯量输出端212的转速设定预设值，根据飞轮转子111当前的转速， 能够计算得出惯量传导装置20的理想变速比，并根据该理想变速比不断调节惯量传导装置 20的变速比，从而实现使转动惯量输出端212的转速能够保持恒定，发电机30能够稳定 发电。
进一步地，本申请实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统1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，飞轮储能及惯量传导系统1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。 当飞轮储能及惯量传导系统1在储能状态下时，将电能转化为动能储存；当飞轮储能及惯 量传导系统1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。
下面以发电机30能够与电网电连接并向电网中输入电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112运作并驱动飞轮转子111转动，飞轮转子111的转速上升实现储能，且在该状态下发电机30停止向电网中输入电能。
可选地，飞轮转子111在电动机112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111完成储能，而后电动机112停止驱动飞轮转子111。可选地， 额定最高转速为100rpm-1000000rpm。
在一些实施例中，储能状态下飞轮转子111、惯量传导装置20以及发电机30之间保持 传动连接，发电机30空转以实现停止向电网中输入电能。也就是说，在储能阶段，发电机30与电网之间的不进行功率传递，发电机30不发电。
需要说明的是，在其他实施例中，还可以有其他多种方式实现发电机30停止向电网中 输入电能：
例如，在一些可选实施例中，在储能状态下，飞轮储能单元10与惯量传导装置20之间断开传动连接，也就是说，飞轮转子111与转动惯量输入端211之间的连接断开，飞轮 转子111的转动惯量不再能够传递给惯量传导装置20，因此惯量传导装置20也就无法驱 动发电机30运作，即发电机30不发电，从而实现发电机30停止向电网中输入电能。和/ 或，在储能状态下，惯量传导装置20的转动惯量输出端212的转速为零，即惯量传导装置 20的输出转速为零。也可以认为，惯量传导装置20的变速比为零。因此，惯量传导装置 20无法驱动发电机30运作，发电机30停止向电网中输入电能。和/或，在储能状态下， 惯量传导装置20与发电机30之间的传动连接断开，即转动惯量输出端212与发电机30之 间的连接断开，发电机30无法被惯量传导装置20驱动，因此，发电机30停止向电网中输 入电能。
优选储能状态下发电机30空转以实现停止向电网中输入电能的技术方案。
在释能状态下，电动机112待机，飞轮转子111与转动惯量输入端211传动连接，且转动惯量输出端212与发电机30传动连接，飞轮转子111释放动能转速下降，惯量传导装 置20驱动发电机30发电，发电机30将产生的电能输入电网。
其中在释能状态下电动机112待机是指，电动机112没有运作，其没有驱动飞轮转子 111加速。也就是说，当飞轮储能及惯量传导系统1处于释能状态下时，飞轮储能及惯量传导系统1中只有能量输出，没有能量输入。当飞轮储能及惯量传导系统1处于上述储能 状态下时，飞轮储能及惯量传导系统1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，转动惯量输出端212保持预设转速转动以使发电机30 产生稳定电流。也就是说，在释能状态下，惯量传导装置20的输出转速保持恒定，发电机30在恒定转速下能够向电网输入稳定的电流。
可选地，惯量传导装置20的输出转速恒定在3000rpm，也就是说，发电机30能够在3000rpm的恒定转速下运作产生稳定频率的电能。
进一步可选地，发电机30输出的电流的频率为50Hz，发电机30可以直接向电网中输 电。
需要说明的是，国内的电网频率基准线为50Hz，惯量传导装置20的输出转速可以恒定 在3000rpm。国外的电网频率基准线为60Hz，惯量传导装置20的输出转速可以恒定在3600rpm，即可以根据电网的频率基准，调整惯量传导装置20的输出转速。
在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统1还具备待机状态。也可以说，飞轮储能 及惯量传导系统1在运行过程还包括待机阶段。当飞轮储能及惯量传导系统1在待机状态 下时，飞轮储能及惯量传导系统1处于能量保持阶段，即没有能量的输入也没有能量的输 出，飞轮储能及惯量传导系统1以最小的损耗运行。在待机状态下，电动机112待机，发电机30空转，飞轮转子111释放少量的动能以保持发电机30的输入轴以预设转速转动。
例如，当电网中的频率等于预设值时(例如电网频率等于50Hz)，使飞轮储能及惯量 传导系统1进入待机状态，飞轮转子111损耗少量动能以维持发电机30的输入轴以预设转 速(例如3000rpm)待机转动，以保证飞轮储能及惯量传导系统1以最佳状态应对下一次电网频率波动。
在一些实施例中，如图2所示，飞轮储能及惯量传导系统1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112 的启闭，以及电动机112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112 对飞轮储能单元10进行储能时，电动机控制模块向电动机112发送启动信号，使电动机 112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112发动关闭信号，关闭电动机112。
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112的输入功率的大 小，并控制向电动机112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增大电动机112 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。通过增大电动机112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111的转速增加。并且电网的频率偏差越大，飞轮转子111的力矩越大，即电动机112的输入功率越大。可以理解的是， 电动机112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及惯量传导系统1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及惯量传导系统1能够提供更快速且更稳定的 频率控制。
在一些实施例中，如图3所示，飞轮储能及惯量传导系统1还包括惯量传导控制器，惯量传导控制器用于调控惯量传导装置的变速比，惯量传导控制器包括输入转速检测模块、 运算模块以及变速比控制模块。
其中，输入转速检测模块用于检测惯量传导装置20的输入转速。运算模块用于根据惯 量传导装置的输入转速和输出转速的预设值运算出惯量传导装置的理想变速比。变速比控 制模块用于根据理想变速比调控惯量传导装置20的变速比。
可以理解的是，在一些实施例中，惯量传导装置20的输入转速与飞轮转子111的转速 相等，输入转速检测模块可以通过检测飞轮转子111的转速得到惯量传导装置20的输入转 速。
输出转速的预设值可以提前输入运算模块中。例如，输出转速的预设值为3000rpm。运 算模块与输入转速检测模块通讯连接，运算模块能够接收输入转速检测模块发出的转速信 号，并根据该转速信号和预先设定的输出转速的预设值，计算出惯量传导装置的理想变速 比，并将计算出的该理想变速比传递给变速比控制模块。变速比控制模块与惯量传输装置 20连接以便调控惯量传导装置20的变速比至理想变速比，从而实现惯量传导装置20的输 出转速恒定在上述预设值。
在一些实施例中，为了使飞轮储能及惯量传导系统1能够更好地使惯量传导装置20的 输出转速恒定，以使发电机30能够输出稳定的电流，在一些实施例中，惯量传导装置20 为无级变速装置，即惯量传导装置20可以连续获得允许的变速范围内任何变速比。使惯量 传导装置20具有无级变速功能，可以更灵活地对惯量传导装置20的变速比进行调节，提高惯量传导装置20的输出转速的稳定性，使发电机30向电网中持续稳定地输出电流。
进一步可选地，惯量传导装置20为具有无级变速功能的永磁变速装置、液力变速装置 或齿轮传动装置、转差异步可调的变速装置或双馈异步可调的变速装置。
在一些实施例中，如图1所示，飞轮储能及惯量传导系统1包括第一传动轴41和第二 传动轴42。其中，第一传动轴41用于连接飞轮转子111、电动机112和转动惯量输入端111。第二传动轴42用于连接转动惯量输出端212和发电机30。第一传动轴41贯穿飞轮 转子111，一端与电动机112的输出端传动连接，另一端与转动惯量输入端111传动连接。
在储能阶段，电动机112通过驱动第一传动轴41实现驱动飞轮转子111加速转动。在 释能阶段，飞轮转子111的转动带动第一传动轴41旋转，将转动惯量传递给惯量传导装置 20，经过惯量传导装置20变速后，第二传动轴42驱动发电机运作而发电，并且，在该过程中惯量传导装置20的变速比不断调整以使第二传动轴42的转速恒定。在待机阶段，飞 轮转子111带动第一传动轴41旋转，飞轮转子111释放少量动能，能够保持第二传动轴 42的转速恒定。
可以理解的是，图1仅为本发明提供的飞轮储能及惯量传导系统1的一个示例。在其 他实施例中，飞轮储能及惯量传导系统1的传动关系还可以有其他方式，这里不作限制。
可选地，在其他实施例中，飞轮转子111和惯量传导装置20之间设置有连接装置，惯 量传导装置20和发电机30之间设置有连接装置。
可选地，所述连接装置可以包括一个或多个联轴器，法兰盘，齿轮装置等。
本发明实施例还提供了一种飞轮储能及惯量传导系统1的控制方法，飞轮储能及惯量 传导系统1的控制方法包括：
检测所述飞轮转子的当前转速r和/或电网的当前频率f；
根据r和/或f，控制所述飞轮转子储存动能或释放动能；
其中，当所述飞轮转子储存动能时，控制所述电动机从电网中吸收电能以驱动所述飞 轮转子的转速上升，且所述发电机断开与电网的连接，当所述飞轮转子释放动能时，控制 所述电动机待机，所述发电机向电网中输入稳定电能。
也就是说，本发明实施例的飞轮储能及惯量传导系统1的控制方法包括根据飞轮转子 111的当前转速r和电网的当前频率f中的至少一者，判断需要飞轮转子111储存动能还 是释放动能。
若判断出需要飞轮转子111储存动能，则控制电动机112从电网中吸收电能，电动机 112驱动飞轮转子111的转速上升，将电能转化为动能储存在飞轮转子111中。同时在该过程中，发电机30断开与电网的连接，即当飞轮转子111储存动能时，发电机30不向电 网中输送电能。
若判断出需要飞轮转子111释放动能，则控制电动机112待机，即电动机112不运行， 其没有驱动飞轮转子111加速。发电机30在惯量传导装置20的输出端的驱动下运行，并产生具有稳定频率的电能。也就是说，在释能状态下，惯量传导装置20的输出转速保持恒定，发电机30在恒定转速下能够向电网输入稳定的电能。
可选地，惯量传导装置20的输出转速恒定在3000rpm，也就是说，发电机30能够在3000rpm的恒定转速下运作产生稳定频率的电能。
进一步可选地，发电机30输出的电流的频率为50Hz，发电机30可以直接向电网中输 电。
本发明实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统的控制方法通过控制飞轮转子储存动能 及释放动能，可以使飞轮储能及惯量传导系统参与电网调节，将溢出的能量按溢出比例存 于飞轮转子或者从飞轮转子按缺失比例汲取能量补充电网，降低电网的频率波动。
如图4所示，在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统的控制方法包括：
设定飞轮转子111的预设转速阈值r’，根据r控制飞轮转子111储存动能、释放动能或待机；
若r＜r’，控制飞轮转子111储存动能；
若r＞r’，控制飞轮转子111释放动能；
若r＝r’，控制电动机112待机且发电机30断开与电网的连接，即飞轮转子111待机。
也就是说，当飞轮转子111的转速没有达到预设转速值时，应该通过电动机112向飞 轮转子111中储存动能，当飞轮转子111的转速没有高于预设转速值时，应该通过发电机30使向飞轮转子111释放动能，使飞轮转子111的转速保持在预设值，可以使其能够以更 好的状态应对电网的频率波动，也可以使飞轮转子111在良好的工况下运行。可选地，r’ 的取值范围为100rpm-1000000rpm。
如图5所示，在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统的控制方法包括：
设定电网的预设频率阈值f’，判断f的大小，并根据f的大小控制飞轮转子111储存动能或释放动能；
若f＞f’，控制飞轮转子111储存动能；
若f＜f’，控制飞轮转子111释放动能；
若f＝f’，控制飞轮转子111释放或储存动能以使r保持等于预设转速阈值r’。
为了应对电网的频率波动，设定电网的预设频率阈值f’，即电网的理想频率，可选地， f’为50Hz。当电网的频率上升且超过f’时，电动机112从电网中吸收电能，驱动飞轮转子 111的转速上升以储存动能，从而使电网的频率逐渐降低到理想值f’，同时发电机30与电 网断开连接。当电网的频率下降且低于f’时，电动机112待机，飞轮转子111驱动发电机30发电，发电机30向电网中输送具有稳定频率的电能，从而使电网的频率逐渐上升到理 想值f’。
当电网的频率等于预设频率阈值f’时，控制飞轮转子111释放动能或储存动能，也就 是说，通过释放或储存动能，使飞轮转子111的转速下降或上升，以维持在预设转速阈值r’， 从而使飞轮转子111以最好的状态应对下一次的电网的频率波动。
在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统的控制方法包括：
设定电网的预设频率区间和预设频率阈值f’，预设频率区间的最小频率阈值为f1,最大 频率阈值为f2，其中f1＜f’＜f2，判断f是否在预设频率区间内，若是，飞轮储能及惯量传 导系统进1入惯量响应阶段；
进入惯量响应阶段，判断f的大小，并根据f的大小控制飞轮转子储存动能或释放动 能；
若f1≤f＜f’，控制飞轮转子释放动能；
若f’＜f≤f2，控制飞轮转子储存动能；
若f＝f’，控制飞轮转子释放或储存动能以使r保持等于预设转速阈值r’；
若f超出预设频率区间，飞轮储能及惯量传导系统1进入调频阶段；
进入调频阶段，判断f的大小，并根据f的大小控制飞轮转子储存动能或释放动能；
若f＞f2，控制飞轮转子储存动能；
若f＜f1，控制飞轮转子释放动能。
可选地，f1为(50-0.033)Hz,f2为(50+0.033)Hz，即预设频率区间为(50±0.033)Hz。
飞轮储能及惯量传导系统1具有惯量响应阶段和调频阶段，当电网的频率大于等于 (50-0.033)Hz小于等于(50+0.033)Hz时，飞轮储能及惯量传导系统1进入惯量响应阶段。当电网的频率小于(50-0.033)Hz或大于(50+0.033)Hz时，飞轮储能及惯量传导系 统1进入调频阶段。
飞轮储能及惯量传导系统1进入惯量响应阶段后，判断电网的当前频率f的大小，若 (50-0.033)Hz≤f＜50Hz，控制飞轮转子释放动能，若50Hz＜f≤(50+0.033)Hz，控制 飞轮转子储存动能，若f＝50Hz，控制飞轮转子释放或储存动能以使r保持等于预设转速阈 值r’，从而使飞轮转子111以最好的状态应对下一次的电网的频率波动。
飞轮储能及惯量传导系统1进入调频阶段后，判断电网的当前频率f的大小，若f＞(50+0.033)Hz，控制飞轮转子储存动能，若f＜(50-0.033)Hz，控制飞轮转子释放动能。
如图6所示，在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统的控制方法包括：
设定电网的预设频率区间和预设频率阈值f’，预设频率区间的最小频率阈值为f1,最 大频率阈值为f2，其中f1＜f’＜f2，设定预设转速区间和预设转速阈值r’，预设转速区间的 最小转速阈值为r1,最大转速阈值为r2，其中，r1＜r’＜r2，
判断r是否在预设转速区间内；
若是，判断f是否在预设频率区间内；
若是，飞轮储能及惯量传导系统进入惯量响应阶段；
进入惯量响应阶段，判断f的大小，并根据f的大小控制飞轮转子储存动能或释放动 能；
若f1≤f＜f’，控制飞轮转子释放动能；
若f’＜f≤f2，控制飞轮转子储存动能；
若f＝f’，控制飞轮转子释放或储存动能以使r保持等于r’；
若f超出预设频率区间，飞轮储能及惯量传导系统进入调频阶段；
进入调频阶段，判断f的大小，并根据f的大小控制飞轮转子储存动能或释放动能；
若f＞f2，控制飞轮转子储存动能；
若f＜f1，控制飞轮转子释放动能。
在图4-6所示的实施例中，首先判断飞轮转子111的转速是否在预设转速范围内，若 飞轮转子111的转速在预设转速范围内，则认为飞轮转子111的转速在正常范围内，可以参与电网的频率调节，即飞轮储能及惯量传导系统1能够进入惯量响应阶段或调频阶段。若飞轮转子111的转速超出预设转速范围，则判断此时飞轮储能及惯量传导系统1无法进入惯量响应阶段或调频阶段。这是由于，飞轮转子111的转速过大则会造成飞轮转子111 损坏，飞轮转子111的转速过小，则飞轮转子111无法有效的驱动发电机30发电。
进一步地，如图6所示，飞轮储能及惯量传导系统1的控制方法还包括：
若r超出预设转速区间内，根据r和f控制飞轮转子111储存动能、释放动能或待机；
若f＞f’且r＜r1，控制飞轮转子111储存动能，若f＜f’且r＞r2，控制飞轮转子111释放动能，若f＞f’且r＞r2，或者，f＜f’且r＜r1，控制电动机112待机且发电机30断开 与电网的连接。
以f’为50Hz为例，当r＜r1时，飞轮转子111的转速过低，此时不适宜飞轮转子111释放动能。若f＞50Hz，则飞轮转子111可以储存动能，电动机112从电网中吸取溢出的 电能储存在飞轮转子111中，此时即可以使飞轮转子111转速上升，也可以调节电网频率， 使电网频率下降；若f＜50Hz，此时飞轮转子111不适宜释放动能，因此控制飞轮转子111 进入待机阶段，即控制电动机112待机且发电机30断开与电网的连接，可选地，等待电网 的下一次的频率上升，可以为飞轮转子111储存动能。
当r＞r2时，飞轮转子111的转速过高，此时不适宜飞轮转子111吸收动能。若f＜50Hz， 则飞轮转子111可以释放动能驱动发电机30发电并向电网中输电，此时即可以使飞轮转子 111转速下降到正常值，也可以调节电网频率，使电网频率上升；若f＞50Hz，此时飞轮转 子111由于转速过高不适宜储存动能，因此控制飞轮转子111进入待机阶段，即控制电动 机112待机且发电机30断开与电网的连接，可选地，等待电网的下一次的频率下降，飞轮转子111可以释放动能以降低转速到正常范围。
在一些实施例中，飞轮储能及惯量传导系统的控制方法还包括：
设定惯量传导装置20的输出转速预设阈值，检测惯量传导装置20的输入转速；
根据惯量传导装置20的输入转速和输出转速预设阈值，运算出惯量传导装置20的理 想变速比；
根据理想变速比调控惯量传导装置的变速比。
其中，惯量传导装置20的输入转速等于飞轮转子111的转速，惯量传导装置20的理想变速比等于惯量传导装置20的输入转速和输出转速预设阈值之比，可选地，输出转速预设阈值为3000转，即发动机30始终在3000转的转速下被驱动发电。
可以理解的是，由于飞轮转子111的转速的不断变化，即惯量传导装置20的输入转速 不断变化。通过对惯量传导装置20的变速比进行调节，可以使转动惯量输出端212的转速 不受飞轮转子111的转速的变化的影响而始终保持恒定。也就是说，为了使转动惯量输出 端212的转速保持恒定，对转动惯量输出端212的转速设定预设值，根据飞轮转子111当前的转速，能够计算得出惯量传导装置20的理想变速比，并根据该理想变速比不断调节惯量传导装置20的变速比，从而实现使转动惯量输出端212的转速能够保持恒定，发电机 30能够稳定发电。
当飞轮转子111的转速上升时，为了保持转动惯量输出端212的转速恒定，使惯量传 导装置20的变速比上升，当飞轮转子111的转速下降时，为了保持转动惯量输出端212的转速恒定，使惯量传导装置20的变速比下降。
下面以图7-图11中所示的飞轮储能及惯量传导系统1的示意图为例描述本发明提供的 若干实施例中的飞轮储能及惯量传导系统1的组成、连接关系及运行流程。
实施例一：
在图7所示的实施例中，飞轮储能及惯量传导系统1包括飞轮储能单元10、惯量传导 装置20、发电机30、第一传动轴41和第二传动轴42。飞轮储能单元10包括飞轮转子111和电动机112。电动机112、飞轮转子111、惯量传导装置20和发电机30均立式布置并在 竖直方向上从下至上设置。第一传动轴41的旋转中心线、第二传动轴42的旋转中心线以 及飞轮转子111的旋转中心线彼此重合，且均沿竖直方向延伸。竖直方向如图7中的箭头 A表示。
飞轮转子111套设在第一传动轴41上并与其相连，电动机112位于飞轮转子111的远 离惯量传导装置20的一侧，第一传动轴41的一端与电动机112的输出端传动连接，第一传动轴41的另一端与转动惯量输入端211传动连接。也就是说，第一传动轴41贯穿飞轮 转子111，电动机112和惯量传导装置20分别位于飞轮转子111的两侧，或者说，飞轮转 子111在预设方向上位于电动机112和惯量传导装置20之间。电动机112的输入端与第一 传动轴41的一端传动连接，电动机112运行时，其输入端驱动第一传动轴41转动，第一 传动轴41从而带动飞轮转子111转动。
发电机30位于惯量传导装置20的远离飞轮转子111的一侧，第二传动轴42的一端与 转动惯量输出端212传动连接，第二传动轴42的另一端与发电机30的输入端传动连接。也就是说，发电机30和飞轮转子111分别位于惯量传导装置20的两侧，或者说，惯量传 导装置20位于发电机30和飞轮转子111之间，转动惯量输出端212的转动能够驱动第二 传动轴42的转动，从而第二传动轴42能够驱动发电机30运行，发电机30直接接入电网 中，向电网中稳定输出恒频电流。
可以理解的是，在本实施例中，惯量传导装置20的转动惯量传递方向固定，即由飞轮 转子111向发电机30方向传递。需要说明的是，发电机30也可以通过惯量响应的形式，用于将电网中的电能转化为动能传递给飞轮转子111。此时，转动惯量输出端212作为转 动惯量输入段，转动惯量输入端211作为转动惯量输出端，转动惯量由发电机30向飞轮转 子111方向传递。
在储能阶段，电动机112通过驱动第一传动轴41实现驱动飞轮转子111加速转动。在 释能阶段，飞轮转子111的转动带动第一传动轴41旋转，将转动惯量传递给惯量传导装置 20，经过惯量传导装置20变速后，第二传动轴42驱动发电机运行而发电，并且，在该过程中惯量传导装置20的变速比不断调整以使第二传动轴42的转速恒定。在待机阶段，飞 轮转子111带动第一传动轴41旋转，飞轮转子111释放少量动能，能够保持第二传动轴 42的转速恒定。也就是说，第二传动轴42的转速能够保持恒定。
进一步地，如图7所示，飞轮储能及惯量传导系统还包括真空室50，以减小飞轮转子 111的风阻磨损。飞轮转子111和电动机112均位于真空室50内，惯量传导装置20、发电机30和第二传动轴42均位于真空室50外。第一传动轴41从真空室50内穿出，并且，第 一传动轴41与真空室50之间设置有真空动密封结构。
下面以图8为例描述飞轮储能单元10的一个具体实施例。可以理解的是，图3所示的 飞轮储能单元10仅为示例，在其他实施例中，飞轮储能单元10可以为本领域技术人员已知的其他实施方式，这里不作限制。
如图8所示，飞轮储能单元10呈立式布置，飞轮转子111和电动机112均位于真空室50内，电动机112包括电动机定子1121和电动机转子1122。
电动机112的电动机定子1121设置在真空室50的内壁上，电动机转子1122围绕第一 传动轴41设置并与其相连，电动机定子1121与电动机转子1122相对，电动机转子1122的转动能够带动第一传动轴41的转动。
飞轮转子111与真空室50之间配合设置有轴向轴承51。在图8所示的实施例中，第一 传动轴41贯穿飞轮转子111，以增强飞轮储能单元10的结构稳定性。第一传动轴41与真空室50之间配合设置有径向轴承52。并且，第一传动轴41与真空室50之间还设置有动 密封结构，以保证真空密封腔内的高真空状态。
飞轮储能单元10还包括散热器60，散热器60保证飞轮储能单元10各部件温升不超过 限制，以使飞轮储能单元10能够正常稳定地运行。
飞轮储能单元10还包括电动机电源70，电动机电源70用于向电动机112供电，在一些实施例中，电动机电源70与电网相连。
飞轮储能单元10还包括减振装置80，减振装置80与真空室50底部相抵以对真空室50及其内部的零部件进行减振，提高飞轮储能及惯量传导系统的稳定性。
进一步地，飞轮储能及惯量传导系统还包括飞轮储能控制器101。飞轮储能控制器101 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101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101由独立电源供电，以保证其不会受外界电网的波动影响。可选地， 如图9所示，飞轮储能控制器101连接在电动机电源70和电动机112之间。
可选地，飞轮转子111和惯量传导装置20之间设置有连接装置，惯量传导装置20和发电机30之间设置有连接装置。也就是说，第一传动轴41和第二传动轴42均可以为多段轴，段与段之间可以采用连接装置相连。可选地，所述连接装置可以包括一个或多个联轴器，法兰盘，齿轮装置等。
实施例二：
下面如图8为例描述本实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统，本实施例提供的飞轮 储能及惯量传导系统与实施例一的飞轮储能及惯量传导系统的结构基本类似，不同点在于， 本实施例中，飞轮转子111、惯量传导装置20、第一传动轴41和电动机112均位于真空室 50内，发电机30位于真空室50外。第二传动轴42的一部分位于真空密封腔中，另一部分从真空密封腔内穿出，并且，第二传动轴42与真空室50之间设置有真空动密封结构。 使飞轮转子111、惯量传导装置20、第一传动轴41和电动机112位于真空室50内，即可 以减小飞轮转子111的风阻磨损，又可以增加飞轮运行稳定性及效率。
实施例三：
本实施例以图10和图11为例，描述当惯量传导装置20为具有无级变速功能的永磁变 速装置210时的一个具体实施例。
永磁变速装置210包括内磁环002、调磁环001和外磁环003。内磁环002、调磁环001和外磁环003从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙。内磁环002作为永磁变速装置210 的转动惯量输入端211与第一传动轴41传动连接，调磁环001作为永磁变速装置210的转 动惯量输出端212与第二传动轴42传动连接。其中，外磁环003可旋转地设置。外磁环 003的旋转可以改变永磁变速装置210的变速比。
具体地，如图10和图11所示，永磁变速装置210包括内磁环002、调磁环001和外磁环003和定子100。
内磁环002包括内磁环永磁体0021、内磁环铁芯0022和内磁环筒体0023。内磁环永磁体0021设在内磁环铁芯0022的外周面上，内磁环铁芯0022套设在内磁环筒体0023上， 内磁环筒体0023起到了支撑作用。也就是说，内磁环永磁体0021、内磁环铁芯0022和内 磁环筒体0023从外向内依次相连，其中内磁环永磁体0021与内磁环铁芯0022的外周面相 连，内磁环筒体0023与内磁环铁芯0022的内周面相连。
外磁环003包括外磁环内永磁体0031、外磁环铁芯0032和外磁环外永磁体0033。外磁环内永磁体0031设在外磁环铁芯0032的内周面上，外磁环外永磁体0033设在外磁环铁芯0032的外周面上，也可以说，外磁环内永磁体0031、外磁环铁芯0032和外磁环外永磁 体0033从内向外依次相连。
调磁环001包括骨架和嵌设在骨架中的导磁块。内磁环002、调磁环001和外磁环003 从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙。即调磁环001套设在内磁环002上并与内磁环002 之间形成气隙，外磁环003套设在调磁环001上并与调磁环001之间形成气隙。并且，导磁块在内磁环002的径向上与内磁环永磁体0021和外磁环内永磁体0031相对。
内磁环002与第一传动轴41传动连接，调磁环001与第二传动轴42传动连接，即内磁环002作为永磁变速装置210的输入端(转动惯量输入端211)输入转动惯量，调磁环001作为永磁变速装置210的输出端(转动惯量输出端212)输出转动惯量，外磁环003固 定或空转。
例如，飞轮转子111的转动带动第一传动轴41转动，第一传动轴41的转动带动内磁环002的转动，内磁环002和外磁环003之间形成磁场，设在外磁环003和内磁环002之 间的调磁环001在磁场的作用下转动并带动第二传动轴42的转动，调磁环001可切割外磁 环003和内磁环002之间的磁力线从而起到调磁的作用，实现速度和动力的变比功能。
定子100包括定子铁芯110和绕组120，定子铁芯110包括环形的定子轭部和从定子轭 部向内延伸且沿定子轭部的周向间隔分布的多个定子齿部，绕组120绕设在定子齿部上， 定子100套设在外磁环003上并与外磁环003间隔形成气隙。外磁环003能够被定子100产生的旋转磁场驱动且转速可调。
具体地，外磁环外永磁体0033与定子100内周面之间形成气隙，定子100通电产生旋 转磁场，外磁环外永磁体0033在旋转磁场的作用下趋向于围绕外磁环003的中心轴线旋转， 从而表现为整个外磁环003在旋转磁场的带动下围绕外磁环003的中心轴线旋转。
飞轮转子111的转动带动第一传动轴41的转动并带动内磁环002转动，进而内磁环002 的转动使得调磁环001切割外磁环003和内磁环002之间的磁力线，产生旋转的磁场带动 调磁环001转动且该转动通过第二传动轴42输出，使得飞轮转子111输出的动能通过第一 传动轴41传递给第二传动轴42，从而构成无接触的磁齿轮传动。永磁变速装置210具有无级变速功能，转动的外磁环003可以作为调速环改变内磁环002和调磁环001之间的变 速比，通过对定子100产生的旋转磁场的调控可以调控外磁环003的转速和旋转方向。
外磁环003的旋转可以改变永磁变速装置210的变速比。因此，通过对旋转磁场的控 制，能够实现对永磁变速装置210的变速比的调控，使永磁变速装置210的变速比保持在理想变速比，从而使第二传动轴42的转速保持恒定。
永磁变速装置210的变速比受外磁环003旋转的影响而变化，变化规律如下：
当外磁环003静止且内磁环002在第一传动轴41的驱动下正转时，永磁变速装置210 的变速比为第一预设变速比；
当内磁环003在第一传动轴41的驱动下正转，外磁环003反转且其转速小于第一预设 转速时，永磁变速装置210的变速比大于第一预设变速比；
当内磁环003在第一传动轴41的驱动下正转，外磁环003反转且其转速为第一预设转 速时，永磁变速装置210的输出转速等于零；
当内磁环003在第一传动轴41的驱动下正转，外磁环003反转且其转速大于第一预设 转速时，调磁环001反转；
当内磁环003在第一传动轴41的驱动下正转，外磁环003正转时，永磁变速装置210的变速比小于第一预设变速比。
设内磁环002磁极对数为P1，外磁环003磁极对数为P2，调磁环001导磁块数量为P3， 内磁环002、外磁环003和调磁环001满足磁齿轮磁极对数关系，即P3＝P1+P2。
在图10和图11所示的实施例中，内磁环002为输入端，调磁环001为输出端，外磁环003静止或作为调速环(空转)。外磁环003的旋转方向可以与内磁环002相同，也可以 相反。
当外磁环005静止时，永磁变速装置210的变速比为r＝PP13＝P1P+1P2。例如，在一个 具体实施例中，内磁环004磁极对数为2，外磁环005磁极对数为4，调磁环002导磁块数量为6，假设调磁环002的转速(发电机转速)保持恒定3000rpm，则具有以下几种情况：
1、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转且转速保持在9000rpm时，调磁环002正转(转动方向与内磁环004相同)，调磁环002的转速保持在3000rpm,此时外磁环005静 止，永磁变速装置210的变速比为3，即所述第一预设变速比为3；
2、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转，内磁环004的转速大于9000rpm且逐渐升高时，外磁环005旋转且转动方向与内磁环004相反(反转)，设第一预设转速为94.5rpm，外磁环005的转速大于0小于94.5rpm并且随内磁环004的转速的升高而逐渐升高，在这 个过程中永磁变速装置210的变速比由3逐渐增大，调磁环002的转速保持在3000rpm；
3、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转，内磁环004的转速小于9000rpm且逐渐降低时，外磁环005旋转且转动方向与内磁环004相同(正转)，外磁环005的转速大于0 并随内磁环004转速降低而逐渐升高，在这个过程中永磁变速装置210的变速比小于3且 逐渐减小，调磁环002的转速保持在3000rpm。
综上所述，当外磁环003固定，本发明实施例提供的永磁变速装置210的速比固定，等同于传统的永磁变速装置210。当外磁环003空转，外磁环003作为调速环，其转速和 旋转方向影响速比。
可以理解的是，当飞轮转子111在电动机112驱动下转速上升时，根据第一传动轴41 的转速和第二传动轴42的预设转速之比计算出永磁变速装置210的理想变速比也增大，因 此此时应该调控永磁变速装置210的变速比增大以使变速比达到理想变速比。
当飞轮转子111释放动能转速下降时，根据第一传动轴41的转速和第二传动轴42的 预设转速之比计算出永磁变速装置210的理想变速比也降低，因此应该调控永磁变速装置 210的变速比降低以使其变速比达到理想变速比。
综上所述，当飞轮转子111的转速上升，即永磁变速装置210的输入转速升高时，为了使输出转速保持恒定，应该控制永磁变速装置210的变速比增大。当飞轮转子111的转 速下降，即永磁变速装置210的输入转速下降时，为了使输出转速保持恒定，应该使永磁 变速装置210的变速比降低。因此，本发明实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统1能够 实现恒频率的电流的输出，恒频电流可以直接并网，无需电力电子装置。
如图10和图11所示，第一传动轴41、第二传动轴42、内磁环002、外磁环003、调 磁环001的中心轴线均相互重合。永磁变速装置210还包括内磁环法兰005，内磁环法兰 005套设在第一传动轴41上且与内磁环筒体0023相连以便内磁环002与第一传动轴41传 动连接。在本实施例中，内磁环法兰005包括两个，两个内磁环法兰005分别与内磁环筒 体0023的左右两端相连，以便将内磁环002稳固地与第一传动轴41相连。可以理解的是， 本发明不限于此，内磁环002还可经过其他方式与第一传动轴41实现传动连接，这里不作 列举。
永磁变速装置210包括调磁环支撑轴承0041和内支撑轴承0042，其中调磁环支撑轴承 0041套设在第一传动轴41上，用于支撑调磁环001。内支撑轴承0042在内磁环002的径向上配合在第一传动轴41和第二传动轴42之间，用以保持第一传动轴41与第二传动轴 42之间同轴，以及使第一传动轴41和第一传动轴41之间能相互转动。
具体地，如图10所示，本实施例中，第二传动轴42的第一端(左端)设有凹槽，第 一传动轴41的第一端(右端)沿内磁环002的轴向伸入凹槽中，内支撑轴承0042位于凹 槽中并套设在第一传动轴41的第一端上。可以理解的是，本发明不限于此。例如，在其他 实施例中，第一传动轴41的第一端(右端)设有凹槽，第二传动轴42的第一端(左端) 沿内磁环002的轴向伸入凹槽中，内支撑轴承0042位于凹槽中并套设在第二传动轴42的 第一端上。
如图10所示，永磁变速装置210包括第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062均与调磁环001相连并在内磁环002的轴向 上分别位于内磁环002的两侧。其中，第一调磁环法兰0061套设在第二传动轴42上并与 第二传动轴42相连以便调磁环001与第二传动轴42传动连接，第二调磁环法兰0062套设 在调磁环支撑轴承0041上以便第一传动轴41相对第二调磁环法兰0062可转动。
也就是说，调磁环001通过第一调磁环法兰0061与第二传动轴42实现传动连接，此外，第一调磁环法兰0061对调磁环001还起到支撑作用，如图10所示，第一调磁环法兰 0061与调磁环001的右端相连，能对调磁环001的右端进行支撑。第二调磁环法兰0062 支承在了调磁环支撑轴承0041上，由于调磁环支撑轴承0041套设在第一传动轴41上，因 此第二调磁环法兰0062与第一传动轴41之间可相对转动。并且，如图10所示，第二调磁 环法兰0062与调磁环001的左端相连，能对调磁环001的左端进行支撑，即第二调磁环法 兰0062可以在不影响第一传动轴41和调磁环001各自转动的情况下，实现对调磁环001 的支撑。
可以理解的是，由于第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴 向上分别位于内磁环002的两侧，即第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴向上具有一定的间隔，因此，调磁环001在内磁环002的轴向上具有了间隔开 的两个支撑位点，从而可以保证调磁环001的稳定性，避免调磁环001在运行过程中发生 跳动。也可以说，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062共同实现了对调磁环001 的稳定支撑。
如图10所示，两个内磁环法兰005在内磁环002的轴向上均位于第一调磁环法兰0061 和第二调磁环法兰0062之间。
进一步地，永磁变速装置210包括第一外磁环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承 0044，以及第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064。第一外磁环支撑轴承0043套设在第一传动轴41上，第二外磁环支撑轴承0044套设在第二传动轴42上。第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064均与外磁环铁芯0032相连并在内磁环002的轴向上分别位于调磁环001的两侧，第一外磁环法兰0063套设第一外磁环支撑轴承0043上以便第一传动 轴41相对第一外磁环法兰0063可转动，第二外磁环法兰0064套设在第二外磁环支撑轴承0044上以便第二传动轴42相对第二外磁环法兰0064可转动。
也就是说，第一外磁环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承0044以及第一外磁环法 兰0063和第二外磁环法兰0064的设置，使得在不影响第一传动轴41、第二传动轴42和外磁环003各自转动的情况下，实现对外磁环003的稳定支撑。
如图10所示，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴向上均 位于第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064之间。
需要说明的是，本实施例提供的永磁变速装置210对调磁环支撑轴承0041、第一外磁 环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承0044的尺寸要求都不高，因此上述设计尤其适用 于大直径的永磁变速装置210，可以满足百千瓦级永磁变速装置210大扭矩、大尺寸的要求。这是由于，若将调磁环001套设在调磁环001上对调磁环001进行支撑，或者将第一 外磁环支撑轴承0043或第二外磁环支撑轴承0044套设在外磁环003上对外磁环003进行 支撑，则对调磁环支撑轴承0041、第一外磁环支撑轴承0043或第二外磁环支撑轴承0044 的尺寸提出了更高的要求，增加了设备的成本和制作难度。
在上述实施例中，内支撑轴承0042、调磁环支撑轴承0041、第一外磁环支撑轴承0043、 第二外磁环支撑轴承0044、内磁环法兰005、第一调磁环法兰0061、第二调磁环法兰0062、 第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064的设置保证了永磁变速装置210的同轴度， 同时保证了内磁环002与调磁环001之间以及调磁环001与外磁环003之间的气隙的稳定 性，避免内磁环002和调磁环001在转动的时候发生剐蹭，保障了永磁变速装置210的运行性能和运行稳定性。
可选地，第一传动轴41和第二传动轴42上设有台阶结构以便安装轴承。
如图10和图11所示，永磁变速装置210还包括外壳130，外壳130套设在定子100上。
进一步地，如图11所示，外磁环外永磁体0033和外磁环内永磁体0031的磁极对数相 等，以使永磁变速装置210输出最大的扭矩。
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 (16)

1.一种飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，包括：
飞轮储能单元，所述飞轮储能单元包括飞轮转子和电动机；
惯量传导装置，所述惯量传导装置用于传导转动惯量，所述飞轮转子可断开地与所述惯量传导装置传动连接，所述惯量传导装置的输出转速能够保持恒定；
发电机，所述惯量传导装置可断开地与所述发电机传动连接，所述发电机用于受所述惯量传导装置驱动产生并输出具有稳定频率的电能。
2.根据权利要求1所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述飞轮储能及惯量传导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，所述飞轮转子与所述惯量传导装置连接以便释放动能，所述惯量传导装置与所述发电机传动连接以驱动所述发电机发电，所述发电机能够向电网中输入稳定电能，
在所述储能状态下，所述电动机能够吸收电网中的电能以驱动所述飞轮转子转动储存动能，所述发电机能够停止向电网中输入电能。
3.根据权利要求2所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置包括转动惯量输入端和转动惯量输出端，所述飞轮转子可断开地与所述转动惯量输入端传动连接，所述转动惯量输出端可断开地与所述发电机传动连接，所述转动惯量输出端的转速能够保持恒定，其中在所述释能状态下，所述飞轮转子与所述转动惯量输入端传动连接以便释放动能，所述转动惯量输出端与所述发电机传动连接以驱动所述发电机发电。
4.根据权利要求2或3所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，在所述储能状态下，
所述发电机空转，和/或，所述飞轮储能单元与所述惯量传导装置之间的传动连接断开，和/或，所述转动惯量输出端的转速为零，和/或，所述惯量传导装置与所述发电机之间的传动连接断开。
5.根据权利要求1所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述飞轮储能及惯量传导系统具备待机状态，在所述待机状态下，所述电动机待机，所述发电机空转。
6.根据权利要求1所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置为变速装置且变速比可调以便保持输出转速恒定。
7.根据权利要求6所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置为无级变速装置。
8.根据权利要求7所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置为永磁变速装置、液力变速装置、磁流变液装置、齿轮传动装置、磁耦合器变速装置、转差异步可调的变速装置或双馈异步可调的变速装置。
9.根据权利要求8所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置为永磁变速装置，所述永磁变速装置包括：
内磁环、调磁环和外磁环，所述内磁环、所述调磁环和所述外磁环从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙，所述外磁环包括从内向外依次相连的外磁环内永磁体、外磁环铁芯和外磁环外永磁体；
定子，所述定子套设在所述外磁环上并与所述外磁环间隔形成气隙，所述外磁环能够被所述定子产生的旋转磁场驱动且转速可调；和
输入轴和输出轴，所述内磁环与所述输入轴传动连接，所述调磁环与所述输出轴传动连接，所述飞轮转子可断开地与所述输入轴传动连接，所述输出轴可断开地与所述发电机传动连接。
10.根据权利要求1所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置包括转动惯量输入端和转动惯量输出端，所述飞轮转子可断开地与所述转动惯量输入端传动连接，所述转动惯量输出端可断开地与所述发电机传动连接，其中所述转动惯量输出端的转速能够保持恒定。
11.根据权利要求2所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，包括第一传动轴和第二传动轴，所述第一传动轴连接所述飞轮转子、所述电动机和所述转动惯量输入端，所述第二传动轴连接所述转动惯量输出端和所述发电机。
12.根据权利要求1所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，还包括飞轮储能控制器，所述飞轮储能控制器用于控制所述飞轮储能单元的能量输入及输入频率。
13.根据权利要求12所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述飞轮储能控制器包括：
电网检测模块，所述电网检测模块用于检测电网的当前频率和状态；
电动机控制模块，所述电动机控制模块用于根据电网的当前频率和状态控制所述电动机的启闭及输入输出功率。
14.根据权利要求6所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，还包括惯量传导控制器，所述惯量传导控制器用于调控所述惯量传导装置的变速比，其包括：
输入转速检测模块，所述输入转速检测模块用于检测所述惯量传导装置的输入转速；
运算模块，所述运算模块用于根据所述惯量传导装置的输入转速和所述输出转速的预设值运算出所述惯量传导装置的理想变速比；
变速比控制模块，所述变速比控制模块用于根据所述理想变速比调控所述惯量传导装置的变速比。
15.根据权利要求1所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置的输出转速恒定在3000rpm，所述发电机输出的电流的频率为50Hz。
16.根据权利要求15所述的飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置的输出转速恒定在3600rpm，所述发电机输出的电流的频率为60Hz。
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