CN115954911B - 飞轮储能系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种飞轮储能系统，包括能量转换装置、飞轮储能装置和驱动控制装置，能量转换装置包括交‑直流变换电路、电压维持电路和直‑交流变换电路，交‑直流变换电路以及直‑交流变换电路均包括多个形成桥臂结构的功率单元，电压维持电路能够维持由飞轮储能装置输出给电网的电压等级，使得飞轮储能系统能够直挂电网进行能量双向转换。本申请旨在通过提升飞轮储能系统的工作电压等级从而提高能量转换效率。

Description

飞轮储能系统

技术领域

本申请涉及飞轮储能的技术领域，尤其涉及一种飞轮储能系统。

背景技术

飞轮储能技术具备充放电速度快、能量转换效率高、使用寿命长、安全环保等优点，在电力调频、储能设备等领域具备绝佳的应用前景。现有的飞轮储能系统采用电压等级特殊的电压工作，如750V、1500V等，与电网电压等级不匹配；因此，现有的飞轮储能系统需要采用工频变压器来接入电网，导致整体结构复杂庞大且电路损耗大，因此能量转换效率低。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种飞轮储能系统，旨在通过提升飞轮储能系统的工作电压等级从而提高能量转换效率。

本申请提供一种飞轮储能系统，所述飞轮储能系统包括能量转换装置、飞轮储能装置和驱动控制装置；所述能量转换装置用于连接电网，所述飞轮储能装置与所述能量转换装置连接，所述驱动控制装置与所述飞轮储能装置、所述能量转换装置连接；

所述能量转换装置用于在所述电网与所述飞轮储能装置之间进行能量双向转换；所述飞轮储能装置用于将所述电网释放的电能转化为机械能进行存储，还用于将存储的机械能转化为电能后输出；所述驱动控制装置用于对所述飞轮储能装置、所述能量转换装置进行控制；

其中，所述能量转换装置包括交-直流变换电路、电压维持电路和直-交流变换电路；所述交-直流变换电路用于连接所述电网，所述电压维持电路与所述交-直流变换电路连接，所述直-交流变换电路与所述电压维持电路连接；所述直-交流变换电路还与所述飞轮储能装置连接；

所述交-直流变换电路包括多个第一上桥臂单元和多个第一下桥臂单元，每个所述第一上桥臂单元和第一下桥臂单元均包括串联的多个第一功率单元，各所述第一功率单元用于调节所述交-直流变换电路的输出功率；

所述电压维持电路包括开关直流升压单元和储能单元，所述储能单元与所述开关直流升压单元连接；所述开关直流升压单元包括直流升压单元和开关单元；所述直流升压单元包括串联的多个第一开关管，所述第一开关管包括三极管以及与所述三极管并联的二极管；所述开关单元包括串联的多个第二开关管，所述开关单元的控制端与所述驱动控制装置连接；

所述驱动控制装置用于在所述电网释放电能时向所述开关单元输出关断信号，所述开关单元在接收到所述关断信号时关断，以使所述储能单元吸收第一预设容量电能；所述开关直流升压单元在所述电网释放电能时无电压维持作用；

所述驱动控制装置还用于在所述飞轮储能装置输出电能时对所述开关单元进行控制，以使所述直流升压单元利用所述储能单元吸收的第二预设容量电能，维持输出给所述电网的电压；

所述直-交流变换电路包括多个第二上桥臂单元和多个第二下桥臂单元，每个所述第二上桥臂单元和第二下桥臂单元均包括串联的多个第二功率单元，各所述第二功率单元用于调节所述直-交流变换电路的输出功率；

所述飞轮储能装置包括高压电机和飞轮本体；所述高压电机与所述直-交流变换电路连接，所述高压电机用于将所述直-交流变换电路传输的电能转化为所述飞轮本体的机械能进行储能；所述高压电机还用于将所述飞轮本体的机械能转化为电能后输出给所述直-交流变换电路；所述高压电机的工作电压与所述电网的电压等级一致。

本申请提供的飞轮储能系统，通过能量转换装置中形成桥臂结构的多个功率单元进行电能转换，能够提高飞轮储能系统的耐压性及稳定性，并能够提升飞轮储能系统的工作电压等级。通过电压维持电路维持输出给电网的电压，避免飞轮储能装置输出给电网的电压出现衰退。飞轮储能系统的电压能够与电网的电压等级保持一致，使得飞轮储能系统能够直挂电网进行能量双向转换，从而能够取消传统的工频变压器、降低电路损耗，并极大的提升飞轮储能系统的能量转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的飞轮储能系统的一实施方式的电路示意图；

图2为本申请实施例提供的能量转换装置的第一实施方式的电路示意图；

图3为本申请实施例提供的能量转换装置的第二实施方式的电路示意图；

图4为本申请实施例提供的第一功率单元的一实施方式的电路示意图；

图5为本申请实施例提供的能量转换装置的第三实施方式的电路示意图；

图6为本申请实施例提供的第二功率单元的一实施方式的电路示意图；

图7为本申请实施例提供的能量转换装置的第四实施方式的电路示意图；

图8为本申请实施例提供的能量转换装置的第五实施方式的电路示意图；

图9为本申请实施例提供的电压维持电路的一实施方式的电路示意图；

图10为本申请实施例提供的能量转换装置的第六实施方式的电路示意图；

图11为本申请实施例提供的能量转换装置的第七实施方式的电路示意图；

图12为本申请实施例提供的飞轮储能系统的另一实施方式的电路示意图；

图13为本申请实施例提供的飞轮储能系统的又一实施方式的电路示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

当前，电网的电压等级通常为几千伏甚至几百千伏，而飞轮储能系统的电压等级比较低，通常为几百伏或者上千伏。由于电网与飞轮储能系统之间的工作电压等级差距较大，因此需要在飞轮储能系统中设置工频变压器将电网输出的高压交流电经多级变换为低压交流电，然后低压交流电经电力电子转换电路转换为飞轮储能系统所需的低压直流电进行充放电。该飞轮储能系统复杂且庞大，需要额外增加变压器、整流器，能量转换过程存在功率模块耐压不足、电路损耗大、转换效率低、维护成本高等缺陷。

基于此，本申请实施例对飞轮储能系统进行改进，将组成桥臂结构的多个功率单元作为能量转换模块进行电能转换，能够有效解决单个功率模块耐压不足的问题，并提高飞轮储能系统的稳定性和工作电压等级。同时，通过增加电压维持电路来维持输出给电网的电压，使得飞轮储能系统的电压能够与电网的电压等级保持一致，使得飞轮储能系统能够直接高压并网，不需要额外增设变压器或换流器，因此能够减少飞轮储能系统的电路损耗、体积和成本，从而极大的提高飞轮储能系统的能量转换效率。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1，图1为本申请的实施例提供的飞轮储能系统的一实施方式的电路示意图。

如图1所示，所示飞轮储能系统10包括能量转换装置100、飞轮储能装置200和驱动控制装置300。能量转换装置100用于连接电网20，飞轮储能装置200与能量转换装置100连接，驱动控制装置300与飞轮储能装置200、能量转换装置100连接。

其中，能量转换装置100用于在电网20与飞轮储能装置200之间进行能量双向转换。飞轮储能装置200用于将电网20释放的电能转化为机械能进行存储，还用于将存储的机械能转化为电能后输出。驱动控制装置300用于对飞轮储能装置200、能量转换装置100进行控制。

需要说明的是，电网20例如包括6kV、10kV、35kV等多种电压等级的交流电网，电网20能够吸收或释放电能。能量转换装置100连接于电网20飞轮储能装置200之间，能够在电网20与飞轮储能装置200之间实现双向能量转换。飞轮储能装置200是一种机电能量转换的储能装置，能够实现电能与机械能之间的双向转换。驱动控制装置300能够根据实际需求，对能量转换装置100、飞轮储能装置200进行控制，从而控制电网20与飞轮储能装置200的双向能量转换过程。

示例性的，当电网20向飞轮储能系统10释放电能时，驱动控制装置300控制能量转换装置100对电网20释放的电能进行能量转换，并将经过转换后的电能输出给飞轮储能装置200。由驱动控制装置300控制飞轮储能装置200进行电动模式，电动模式下飞轮储能装置200能够将接收能量转换装置100输出的经过转换后电能，并将该经过转换后的电能转化成机械能，从而实现物理方式的储能。

示例性的，当电网20接收飞轮储能系统10释放的电能时，由驱动控制装置300控制飞轮储能装置200进行发电模式，电动模式下飞轮储能装置200能够将存储的机械能转化成电能，并将电能输出给能量转换装置100。再由驱动控制装置300控制能量转换装置100对飞轮储能装置200产生的电能进行能量转换，并将经过能量转换后的电能提供给电网20。

以下，请参照图2至图11，对本申请实施例提供的能量转换装置100的多个实施方式进行示例说明。在不冲突的情况下，图2至图11所示的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在一实施例中，如图2所示，能量转换装置100包括交-直流变换电路110、电压维持电路120和直-交流变换电路130。其中，交-直流变换电路110用于连接电网20，电压维持电路120与交-直流变换电路110连接，直-交流变换电路130与电压维持电路120连接，直-交流变换电路130还与飞轮储能装置200连接。

需要说明的是，电网20向飞轮储能系统10释放电能时，交-直流变换电路110用于将电网20输出的第一交流电转换为第一直流电。电压维持电路120用于吸收第一直流电的预设容量电能。直-交流变换电路130用于将该第一直流电转换为第二交流电，并将该第二交流电输出至飞轮储能装置200。其中，该第一交流电、第一直流电以及第二交流电的电压等级可以是一致的，且第一交流电、第一直流电以及第二交流电的频率也可以是一致的，即电网20释放的电能与能量转换装置100输出电能的电压等级以及频率可以是一致的。例如第一交流电、第一直流电以及第二交流电的电压等级以及频率均可以为10kV/50Hz。

需要说明的是，电网20接收电能时，直-交流变换电路130用于将飞轮储能装置200输出的第三交流电转换第二直流电，电压维持电路120用于维持第二直流电的电压等级，避免第二直流电因飞轮储能装置200的机械能消耗而导致电压降低。交-直流变换电路110用于将该第二直流电转换为第四交流电，并将第四交流电输出至电网20。其中，该第三交流电、第二直流电以及第四交流电的电压等级可以是一致的，且第三交流电、第二直流电以及第四交流电的频率也可以是一致的，即能量转换装置100输出给电网20的电能与电网20自身的电能的电压等级以及频率可以是一致的。例如第三交流电、第二直流电以及第四交流电的电压等级以及频率也可以均为10kV/50Hz。

通过提升飞轮储能系统10的工作电压等级，使得飞轮储能系统10的电压能够与电网20的电压等级保持一致，如此飞轮储能系统10能够直接高压并网，不需要采用工频变压器来接入电网20，因此能够减少飞轮储能系统10的电路损耗，节省了设备成本，减小建设场地，还能够提高飞轮储能系统10的功率体积密度，从而能够极大的提高飞轮储能系统10的能量转换效率。

在一实施例中，交-直流变换电路110包括多个第一上桥臂单元和多个第一下桥臂单元，每个第一上桥臂单元和第一下桥臂单元均包括串联的多个第一功率单元，各第一功率单元用于调节交-直流变换电路110的输出功率。

需要说明的是，第一功率单元可以为H桥、半桥、或者H桥与半桥的混合电路。通过多个第一功率单元的模块化设计，能够解决单个功率模块耐压不足的问题，组成上下桥臂结构的交-直流变换电路110的输出功率能够更加稳定，从而极大提高飞轮储能系统10的耐压性和稳定性。通过多个第一功率单元的模块化设计，还能够增强交-直流变换电路110的耐压能力，从而提升交-直流变换电路110的工作电压等级，使得交-直流变换电路110的电压能够与电网20的电压等级保持一致。

示例性的，如图3所示，交-直流变换电路110的每个第一上桥臂单元和第一下桥臂单元均包括串联的多个第一功率单元111，其中，第一上桥臂单元与第一下桥臂单元的连接端用于连接电网20，第一上桥臂单元、第一下桥臂单元的另一端与电压维持电路120并联。

示例性的，如图3所示，飞轮储能系统10还包括三相的第一电力路线，三相的第一电力路线连接于电网20与能量转换装置100之间。交-直流变换电路110可以为三路，各路交-直流变换电路110通过一相第一电力路线连接至电网20。例如，各路交-直流变换电路110中的第一上桥臂单元、第一下桥臂单元的连接端通过一相第一电力路线与电网20连接。

在一实施例中，第一功率单元111包括第一H桥单元，第一H桥单元包括第一上半桥臂、第一下半桥臂和第一电容，第一上半桥臂、第一下半桥臂均包括串联的两个开关管。第一上半桥臂的第一端与第一下半桥臂的第一端连接，第一上半桥臂的第二端与第一下半桥臂的第二端连接。其中，第一电容连接于第一上半桥臂中点与第一下半桥臂中点之间，第一上半桥臂中点为第一上半桥臂的两个开关管的中点，第一下半桥臂中点为第一下半桥臂的两个开关管的中点。

需要说明的是，第一功率单元111中的每个开关管都可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。第一电容可以为储能电容。串联的两个开关管形成一个第一上半桥臂或第一下半桥臂，以用于进行功率转换。第一上桥臂单元与第一下桥臂单元中的多个第一功率单元的数量可以相同，从而提高功率转换的稳定性。

示例性的，如图4所示，第一功率单元111包括第一H桥单元，第一H桥单元包括第一电容C1、串联的两个开关管Q1和Q2，以及串联的两个开关管Q3和Q4。串联的两个开关管Q1和Q2形成第一上半桥臂，串联的两个开关管Q3和Q4形成第一下半桥臂。第一电容C1的一端连接于开关管Q1和Q2的中点，第一电容C1的另一端连接于开关管Q3和Q4的中点。

在一实施例中，直-交流变换电路130包括多个第二上桥臂单元和多个第二下桥臂单元，每个第二上桥臂单元和第二下桥臂单元均包括串联的多个第二功率单元，各第二功率单元用于调节直-交流变换电路130的输出功率。第二上桥臂单元与第二下桥臂单元的连接端连接飞轮储能装置200，第二上桥臂单元、第二下桥臂单元的另一端与电压维持电路120并联。

其中，多个第二功率单元可以为H桥单元、半桥单元、或者H桥单元以及半桥单元的混合。通过多个第二功率单元的模块化设计，能够解决单个功率模块耐压不足的问题，组成上下桥臂结构的直-交流变换电路130的输出功率能够更加稳定，从而极大提高飞轮储能系统10的耐压性和稳定性。通过多个第二功率单元的模块化设计，还能够增强直-交流变换电路130的耐压能力，从而提升直-交流变换电路130的工作电压等级，使得直-交流变换电路130的电压也能够与电网20的电压等级保持一致。

示例性的，如图5所示，直-交流变换电路130的每个第二上桥臂单元和第二下桥臂单元均包括串联的多个第二功率单元131，其中，第二上桥臂单元与第二下桥臂单元的连接端连接飞轮储能装置200，第二上桥臂单元、第二下桥臂单元的另一端与电压维持电路120并联，第二下桥臂单元的另一端还与第一下桥臂单元的另一端连接。

示例性的，如图5所示，飞轮储能系统10还包括三相的第二电力路线，三相的第二电力路线连接于直-交流变换电路130与飞轮储能装置200之间。直-交流变换电路130可以为三路，各路直-交流变换电路130通过一相第二电力路线连接至飞轮储能装置200。例如，各路直-交流变换电路130中的第二上桥臂单元、第二下桥臂单元的连接端通过一相第二电力路线与飞轮储能装置200连接。

在一实施例中，第二功率单元131包括第二H桥单元，该第二H桥单元包括第二上半桥臂、第二下半桥臂和第二电容，第二上半桥臂、第二下半桥臂均包括串联的两个开关管。第二上半桥臂的第一端与第二下半桥臂的第一端连接，第二上半桥臂的第二端与第一二下半桥臂的第二端连接。其中，第二电容连接于第二上半桥臂中点与第二下半桥臂中点之间，第二上半桥臂中点为第二上半桥臂的两个开关管的中点，第二下半桥臂中点为第二下半桥臂的两个开关管的中点。

需要说明的是，第二功率单元131中的每个开关管都可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。第二电容可以为储能电容。串联的两个开关管形成一个第二上半桥臂或第二下半桥臂，以用于进行功率转换。第二上桥臂单元与第二下桥臂单元中的多个第二功率单元的数量可以相同，从而维持功率转换的稳定性。

示例性的，如图6所示，第二功率单元131包括第二H桥单元，第二H桥单元包括第二电容C2、串联的两个开关管Q5和Q6，以及串联的两个开关管Q7和Q8。串联的两个开关管Q5和Q6形成第二上半桥臂，串联的两个开关管Q7和Q8形成第二下半桥臂。第二电容C2的一端连接于开关管Q5和Q6的中点，第二电容C2的另一端连接于开关管Q7和Q8的中点。

在一实施例中，多个第二功率单元131与多个第一功率单元111对称设置且第二功率单元131与第一功率单元111的电路结构相同。如图6所示，多个第二功率单元131与多个第一功率单元111可以是对称设置的，并且第二功率单元131与第一功率单元111的电路结构相同，从而能够极大提高功率转换的稳定性，且器件互换性强，能够便于更换和维修，节省设备成本。

需要说明的是，飞轮储能系统10输入输出的电压与电网20的电压等级可以是保持一致的，通过提升飞轮储能系统10的工作电压等级，在接入电网20时能够省去工频变压器，能够节省设备成本并减小建设场地。飞轮储能系统10的功率体积密度提高，同等功率规模下比现有飞轮储能系统节省材料、缩小了安装空间。且同等功率规模下比现有飞轮储能系统所需要的辅助系统数量要少，总体工作效率更高。因此，极大的提高飞轮储能系统10的能量转换效率。

在一实施例中，如图7所示，电压维持电路120包括开关直流升压单元121和储能单元122，储能单元122与开关直流升压单元121连接。储能单元122用于在电网20释放电能时吸收第一预设容量电能，开关直流升压单元121用于在飞轮储能装置200输出电能时，利用储能单元122吸收的第二预设容量电能，维持输出给电网20的电压。

需要说明的是，在电网20向飞轮储能系统10释放电能时，储能单元122吸收第一预设容量电能，开关直流升压单元121无电压维持作用。在飞轮储能装置200向电网20释放电能时，开关直流升压单元121利用储能单元122吸收的第二预设容量电能，维持输出给电网20的电压，避免飞轮储能装置200输出的电压出现衰退，从而保证飞轮储能系统10能够直挂电网20，提高向电网20释放电能的安全性和稳定性。

如图8所示，开关直流升压单元121包括直流升压单元1221和开关单元1222。直流升压单元1221的第一端与交-直流变换电路110连接，直流升压单元1221的第二端与储能单元122的一端连接；储能单元122的另一端连接直-交流变换电路130；开关单元1222的第一端与直流升压单元1221的第二端连接，开关单元1222的第二端与交-直流变换电路110中的第一下桥臂单元、直-交流变换电路130中的第二下桥臂单元连接。

示例性的，如图9所示，直流升压单元1221包括串联的多个第一开关管D1，第一开关管D1包括三极管以及与三极管并联的二极管。开关单元1222包括串联的多个第二开关管D2。

在一实施例中，开关单元1222的控制端与驱动控制装置300连接。驱动控制装置300用于在电网20释放电能时向开关单元1222输出关断信号，开关单元1222在接收到关断信号时关断，以使储能单元122吸收第一预设容量电能。驱动控制装置300还用于在飞轮储能装置200输出电能时对开关单元1222进行控制，以使直流升压单元1221利用储能单元122吸收的第二预设容量电能，维持输出给电网20的电压。

需要说明的是，在飞轮储能装置200输出电能时，控制开关单元1222导通，直流升压单元1221能够利用储能单元122维持输出给电网的电压。如此，飞轮储能系统10的工作电压等级得到极大提升，飞轮储能系统10输入输出的电能与电网20的电压等级可以是保持一致的，使得飞轮储能系统10能够直接高压并网，不需要额外增设变压器或换流器，因此能够减少飞轮储能系统10的电路损耗、体积和成本，极大的提高飞轮储能系统10的能量转换效率。

在一实施例中，如图10所示，能量转换装置100还包括滤波电路140，滤波电路140包括多个滤波电容和多个均压电阻，多个滤波电容串联连接于交-直流变换电路110与电压维持电路120之间，各均压电阻与各滤波电容一一对应并联。通过多个滤波电容和均压电阻连接于交-直流变换电路110与电压维持电路120之间，能够对流经的直流电进行滤波，使得能量转换过程的电能更加平稳，从而避免因电流波动引起的风险，提高系统安全性。

在一实施例中，如图11所示，能量转换装置100还包括目标器件150，目标器件150连接于电网20与交-直流变换电路110之间，其中，目标器件150包括断路器、电抗器、滤波器和熔断器中的至少一种。

需要说明的是，目标器件150可以根据实际需求设置在电网20与能量转换装置100之间。例如，通过该断路器控制电网20与能量转换装置100之间的回路通断，从而对能量转换装置100起到保护作用，或者起到电能分配的作用。通过该电抗器串联在电网20与能量转换装置100之间，能够起到限制短路电流或者无功补偿的作用。通过滤波器可以起到滤波和稳压作用。通过熔断器可以在电网20与能量转换装置100之间的电流超过一定数值时断开电流，起到保护作用。

示例性的，目标器件150包括断路器、电抗器、滤波器和熔断器，断路器、电抗器、滤波器和熔断器一一按顺序串联。当电网20向飞轮储能系统10释放电能时，断路器吸合，电网20输出的电流经过电抗器、滤波器进行滤波，再经过熔断器，进入能量转换装置100。当飞轮储能系统10向电网20释放电能时，电流流过的路径相反。

在一实施例中，如图12所示，图12为本申请实施例提供的飞轮储能系统的另一实施方式的电路示意图。飞轮储能装置200包括高压电机210和飞轮本体220。高压电机210与能量转换装置100中的直-交流变换电路130连接，高压电机210用于将直-交流变换电路130传输的电能转化为飞轮本体220的机械能进行储能。高压电机210还用于将飞轮本体220的机械能转化为电能后输出给直-交流变换电路130。

需要说明的是，高压电机210的工作电压可以是与电网20的电压等级一致，例如电网20的电压等级为10kV，高压电机210采用10kV高压交流电机。高压电机210可以作为发电机进行发电，也可以作为电动机耗电，高压电机210可以包括永磁同步电机、异步感应电机等。飞轮本体220作为储能元件，能够具有较大的转动惯量，通过高速旋转的形式存储机械能。高压电机210和飞轮本体220密封在真空装置内，可以利用磁悬浮轴承支撑。

示例性的，能量转换装置100用于对电网20释放的电能进行能量转换后输出给高压电机210，且高压电机210用于消耗能量转换装置100传输的电能以带动飞轮本体220旋转进行储能。需要说明的是，当电网20向飞轮储能系统10释放电能时，由能量转换装置100对电网20释放的电能进行能量转换，并将经过转换后的电能输出给高压电机210。此时飞轮储能系统10工作在充电状态，由高压电机210带动飞轮本体220旋转，消耗电能使飞轮本体220转速增加，将电能转化成机械能存储起来。

示例性的，高压电机210还用于消耗飞轮本体220的储能以产生电能，且能量转换装置100还用于对高压电机210产生的电能进行能量转换后输出给电网20。需要说明的是，当电网20需要接收电能时，由高压电机210消耗飞轮本体220的机械能，将飞轮本体220的机械能转化成电能。此时飞轮本体220的转速减小，飞轮储能系统10工作在发电状态。再由能量转换装置100对高压电机210产生的电能进行能量转换，并将经过能量转换后的电能提供给电网20。

如图12所示，驱动控制装置300还与能量转换装置100中交-直流变换电路110、电压维持电路120和直-交流变换电路130的受控端连接。驱动控制装置300可以根据实际需求向交-直流变换电路110、电压维持电路120和直-交流变换电路130发送控制指令，控制指令用于对交-直流变换电路110、电压维持电路120和直-交流变换电路130进行控制，从而实现电网20与飞轮储能装置200的双向能量转换过程。

在一实施例中，如图13所示，图13为本申请实施例提供的飞轮储能系统的又一实施方式的电路示意图。驱动控制装置300包括滤波整流电路310、电压转换电路320、主控制电路330和磁轴承功放电路340。其中，滤波整流电路310用于连接市电，以对市电提供的交流电进行滤波整流；电压转换电路320与滤波整流电路310连接，用于将交流电转化为目标工作电流。主控制电路330的供电端与电压转换电路320连接，主控制电路330的控制端与能量转换装置100连接，主控制电路330用于对交-直流变换电路110、电压维持电路120和直-交流变换电路130进行控制。磁轴承功放电路340的第一端与滤波整流电路310连接，磁轴承功放电路340的第二端与飞轮储能装置200连接，磁轴承功放电路340的受控端与主控制电路330连接，磁轴承功放电路340用于对飞轮储能装置200中的磁轴承进行控制。

其中，目标工作电流可以为主控制电路330所需的供电电流，主控制电路330的控制端可以分别与交-直流变换电路110、电压维持电路120和直-交流变换电路130的受控端连接，以在电网20与飞轮储能装置200的双向能量转换过程中，实现对交-直流变换电路110、电压维持电路120和直-交流变换电路130的控制。主控制电路330的控制端还可以与磁轴承功放电路340的受控端连接，从而能够通过磁轴承功放电路340对飞轮储能装置200中的磁轴承进行控制。

需要说明的是，传统的驱动控制装置需要从换流器（PCS）取直流供电，本申请实施例提供的飞轮储能系统10取消了换流器，因此可以通过接入如“220V”的交流市电，再经过滤波整流电路310的滤波整流作用取直流供电，从而改变了驱动控制装置300中主控制电路330的供电来源。

在一实施例中，飞轮储能系统10还包括辅助装置，辅助装置可以包括冷水机、真空泵、照明系统等，冷水机用于提供散热作用，冷水机可以包括风冷式冷水机和水冷式冷水机两种。真空泵用于保持飞轮储能装置200内部的真空环境，照明系统用于提供照明。其中，辅助装置的供电也可以采用如“220V”的交流市电。

上述实施例的飞轮储能系统10，包括能量转换装置100、飞轮储能装置200和驱动控制装置300，能量转换装置100包括交-直流变换电路110、电压维持电路120和直-交流变换电路130。其中，交-直流变换电路110包括多个第一上桥臂单元和多个第一下桥臂单元，每个第一上桥臂单元和第一下桥臂单元均包括串联的多个第一功率单元111，各第一功率单元111用于调节交-直流变换电路110的输出功率。电压维持电路120包括开关直流升压单元121和储能单元122，储能单元122与开关直流升压单元121连接；储能单元122用于在电网20释放电能时吸收第一预设容量电能，开关直流升压单元121用于在飞轮储能装置200输出电能时，利用储能单元122吸收的第二预设容量电能，维持输出给电网20的电压；直-交流变换电路130包括多个第二上桥臂单元和多个第二下桥臂单元，每个第二上桥臂单元和第二下桥臂单元均包括串联的多个第二功率单元131，各第二功率单元131用于调节直-交流变换电路的输出功率。

上述飞轮储能系统10，通过能量转换装置100中形成桥臂结构的多个功率单元进行电能转换，能够提高飞轮储能系统10的耐压性及稳定性，并能够提升飞轮储能系统10的工作电压等级。通过电压维持电路120维持输出给电网20的电压，避免飞轮储能装置200输出的电压出现衰退。飞轮储能系统10的电压能够与电网的电压等级保持一致，使得飞轮储能系统10能够直挂电网20进行能量双向转换，取消了传统的工频变压器且不再需要换流器，从而能够极大的提升飞轮储能系统10的能量转换效率。

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。可以是机械连接，也可以是电连接。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或两个元件的相互作用关系。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

上述实施方式仅为本申请的优选实施方式，不能以此来限定本申请保护的范围，本领域的技术人员在本申请的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本申请所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮储能系统包括能量转换装置、飞轮储能装置和驱动控制装置；所述能量转换装置用于连接电网，所述飞轮储能装置与所述能量转换装置连接，所述驱动控制装置与所述飞轮储能装置、所述能量转换装置连接；

所述能量转换装置用于在所述电网与所述飞轮储能装置之间进行能量双向转换；所述飞轮储能装置用于将所述电网释放的电能转化为机械能进行存储，还用于将存储的机械能转化为电能后输出；所述驱动控制装置用于对所述飞轮储能装置、所述能量转换装置进行控制；

其中，所述能量转换装置包括交-直流变换电路、电压维持电路和直-交流变换电路；所述交-直流变换电路用于连接所述电网，所述电压维持电路与所述交-直流变换电路连接，所述直-交流变换电路与所述电压维持电路连接；所述直-交流变换电路还与所述飞轮储能装置连接；

所述交-直流变换电路包括多个第一上桥臂单元和多个第一下桥臂单元，每个所述第一上桥臂单元和第一下桥臂单元均包括串联的多个第一功率单元，各所述第一功率单元用于调节所述交-直流变换电路的输出功率；

所述电压维持电路包括开关直流升压单元和储能单元，所述储能单元与所述开关直流升压单元连接；所述开关直流升压单元包括直流升压单元和开关单元；所述直流升压单元包括串联的多个第一开关管，所述第一开关管包括三极管以及与所述三极管并联的二极管；所述开关单元包括串联的多个第二开关管，所述开关单元的控制端与所述驱动控制装置连接；

所述驱动控制装置用于在所述电网释放电能时向所述开关单元输出关断信号，所述开关单元在接收到所述关断信号时关断，以使所述储能单元吸收第一预设容量电能；所述开关直流升压单元在所述电网释放电能时无电压维持作用；

所述驱动控制装置还用于在所述飞轮储能装置输出电能时对所述开关单元进行控制，以使所述直流升压单元利用所述储能单元吸收的第二预设容量电能，维持输出给所述电网的电压；

所述直-交流变换电路包括多个第二上桥臂单元和多个第二下桥臂单元，每个所述第二上桥臂单元和第二下桥臂单元均包括串联的多个第二功率单元，各所述第二功率单元用于调节所述直-交流变换电路的输出功率；

所述飞轮储能装置包括高压电机和飞轮本体；所述高压电机与所述直-交流变换电路连接，所述高压电机用于将所述直-交流变换电路传输的电能转化为所述飞轮本体的机械能进行储能；所述高压电机还用于将所述飞轮本体的机械能转化为电能后输出给所述直-交流变换电路；所述高压电机的工作电压与所述电网的电压等级一致。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述第一功率单元包括第一H桥单元，所述第一H桥单元包括第一上半桥臂、第一下半桥臂和第一电容；

所述第一上半桥臂、第一下半桥臂均包括串联的两个开关管；

所述第一上半桥臂的第一端与所述第一下半桥臂的第一端连接，所述第一上半桥臂的第二端与所述第一下半桥臂的第二端连接；

所述第一电容连接于第一上半桥臂中点与第一下半桥臂中点之间，所述第一上半桥臂中点为所述第一上半桥臂的两个开关管的中点，所述第一下半桥臂中点为所述第一下半桥臂的两个开关管的中点。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述第一上桥臂单元与所述第一下桥臂单元中的多个所述第一功率单元的数量相同；所述第二上桥臂单元与所述第二下桥臂单元中的多个所述第二功率单元的数量相同。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能系统，其特征在于，多个所述第二功率单元与多个所述第一功率单元对称设置且所述第二功率单元与所述第一功率单元的电路结构相同。

5.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述第一上桥臂单元与所述第一下桥臂单元的连接端用于连接所述电网，所述第一上桥臂单元、所述第一下桥臂单元的另一端与所述开关直流升压单元并联；

所述第二上桥臂单元与所述第二下桥臂单元的连接端连接所述飞轮储能装置，所述第二上桥臂单元的另一端与所述储能单元连接，所述第二下桥臂单元的另一端与所述第一下桥臂单元的另一端连接。

6.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮储能系统还包括三相的第一电力路线和三相的第二电力路线，所述交-直流变换电路、直-交流变换电路均为三路；各路所述交-直流变换电路通过一相所述第一电力路线连接至所述电网，各路所述直-交流变换电路通过一相所述第二电力路线连接至所述飞轮储能装置。

7.如权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述直流升压单元的第一端与所述交-直流变换电路连接，所述直流升压单元的第二端与所述储能单元的一端连接；所述储能单元的另一端连接所述直-交流变换电路；

所述开关单元的第一端与所述直流升压单元的第二端连接，所述开关单元的第二端与所述第一下桥臂单元、第二下桥臂单元连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述能量转换装置还包括滤波电路，所述滤波电路包括多个滤波电容和多个均压电阻，多个所述滤波电容串联连接于所述交-直流变换电路与所述电压维持电路之间，各所述均压电阻与各所述滤波电容一一对应并联。

9.根据权利要求1-7任一项所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述能量转换装置还包括目标器件，所述目标器件连接于所述电网与所述交-直流变换电路之间，其中，所述目标器件包括断路器、电抗器、滤波器和熔断器中的至少一种。

10.根据权利要求1-7任一项所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述驱动控制装置包括滤波整流电路、电压转换电路、主控制电路和磁轴承功放电路；

所述滤波整流电路用于连接市电，以对所述市电提供的交流电进行滤波整流；所述电压转换电路与所述滤波整流电路连接，用于将所述交流电转化为目标工作电流；

所述主控制电路的供电端与所述电压转换电路连接，所述主控制电路的控制端与所述能量转换装置连接，所述主控制电路用于对所述交-直流变换电路、所述电压维持电路和所述直-交流变换电路进行控制；

所述磁轴承功放电路的第一端与所述滤波整流电路连接，所述磁轴承功放电路的第二端与飞轮储能装置连接，所述磁轴承功放电路的受控端与所述主控制电路连接，磁轴承功放电路用于对所述飞轮储能装置中的磁轴承进行控制。

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