CN116937609A - 具有电磁耦合器的飞轮调相系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种具有电磁耦合器的飞轮调相系统，包括飞轮、电磁耦合器、变频器和调相机，电磁耦合器的输出转速恒定并与调相机转子传动连接，调相机的定子接入电网，飞轮调相系统具有调相工况和惯量响应工况，在调相工况，调相机用于向电网提供或从电网吸收无功功率以维持电网电压，当电网电压下降，调相机向电网输出无功功率，当电网电压上升，调相机从电网吸收无功功率；在惯量响应工况，飞轮的转速上升以储存动能或者转速下降以释放动能，并通过调相机向电网提供或从电网吸收有功功率以抑制电网频率的波动。

Description

具有电磁耦合器的飞轮调相系统

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其是涉及一种具有电磁耦合器的飞轮调相系统。

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还会导致电力系统的电压支撑能力持续减弱，这给电力系统安全稳定的运行带来了越来越大的压力。为了保障电网和用电设备的正常运行，使电网能够抵抗大规模有功、无功冲击，亟需具备一定的支撑电网动态调整能力的调节设备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：

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。

根据以往研究成果和国标要求，利用小型分布式调相机对新能源地区进行就地无功补偿是当前解决新能源电网电压稳定水平问题主要技术方案之一。但是，调相机转动惯量较小，对电网惯性支撑能力相对匮乏。因此，如何同时解决新能源电网电压和频率稳定问题，提高电网抵御大规模有功、无功冲击的能力，是本发明旨在解决的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种具有电磁耦合器的飞轮调相系统。

本发明实施例的具有电磁耦合器的飞轮调相系统包括飞轮、电磁耦合器、变频器和调相机，所述电磁耦合器包括外转子和内转子，所述飞轮与所述外转子和所述内转子中的一者传动连接以驱动其旋转，所述一者产生旋转磁场带动另一者转动，所述变频器用于改变接入所述外转子的电流频率从而改变电流匹配的磁场转速，以便所述另一者的机械转速保持恒定，所述另一者与所述调相机转子传动连接，所述调相机的定子接入电网，所述飞轮调相系统具有调相工况和惯量响应工况，在所述调相工况，所述调相机用于向电网提供或从电网吸收无功功率以维持电网电压，当电网电压下降，所述调相机向电网输出无功功率，当电网电压上升，所述调相机从电网吸收无功功率；在所述惯量响应工况，所述飞轮的转速上升以储存动能或者转速下降以释放动能，并通过所述调相机向电网提供或从电网吸收有功功率以抑制电网频率的波动。

本申请实施例的具有电磁耦合器的飞轮调相系统兼具无功功率补偿能力(调相功能)以及惯量响应能力，能够稳定电网的电压和频率。在调相工况，飞轮调相系统通过调相机维持电网电压，提高电力系统的稳定性，改善功率因数；在惯量响应工况，飞轮调相机利用转动的飞轮的转动惯量对电网进行惯量支撑作用，维持电网频率，补充了调相机惯量支撑能力的不足。此外，本申请实施例的飞轮调相系统具有电磁耦合器，电磁耦合器的输出转速能够保持恒定，调相机能够实现同步运行。

将本发明实施例提供的飞轮调相系统与电网连接，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电力系统的电压支撑和惯量支撑能力减弱的问题，提高了电网抵御大规模有功、无功冲击的能力，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，所述飞轮与所述外转子传动连接，所述外转子驱动所述内转子旋转。

在一些实施例中，飞轮调相系统还包括第一传动轴和第二传动轴，所述第一传动轴连接在所述飞轮与所述电磁耦合器之间，所述第二传动轴连接在所述电磁耦合器与所述调相机之间。

在一些实施例中，所述调相机还用于驱动所述飞轮转速上升直至额定转速。

在一些实施例中，飞轮调相系统还包括电动机，所述电动机与所述飞轮传动连接，所述电动机用于驱动所述飞轮转速上升直至额定转速。

在一些实施例中，所述电动机位于所述飞轮的远离所述电磁耦合器的一侧。

在一些实施例中，飞轮调相系统还包括变速装置，所述变速装置传动连接在所述飞轮与所述电磁耦合器之间。

在一些实施例中，所述变速装置为无级变速装置或具有固定变速比的变速装置。

在一些实施例中，所述惯量传导装置为齿轮变速器、液力变矩器、永磁变速器、电磁耦合器或磁力变液器。

在一些实施例中，所述调相机的输入转速恒定在3000rpm。

附图说明

图1是本发明实施例一的飞轮调相系统的示意图。

图2是本发明实施例二的飞轮调相系统的示意图。

图3是本发明实施例三的飞轮调相系统的示意图。

图4是本发明实施例四的飞轮调相系统的示意图。

图5是本发明实施例的调相机的励磁调节曲线。

附图标记：

飞轮1、调相机2、电磁耦合器3、外转子31、内转子32、变频器33、第一传动轴41、第二传动轴42、电动机5。

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描述本发明实施例提供的飞轮调相系统的基本结构。飞轮调相系统包括飞轮1、调相机2、电磁耦合器3和变频器33。

电磁耦合器3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之间间隔以形成气隙。飞轮1与外转子31和内转子32中的一者传动连接以驱动其旋转，所述一者产生旋转磁场带动另一者转动，变频器33用于改变接入外转子31电流频率从而改变电流匹配的磁场转速，以便另一者的机械转速保持恒定，另一者与调相机2转子传动连接，驱动调相机2的转子旋转，调相机2的定子接入电网，飞轮调相系统具有调相工况和惯量响应工况。

在调相工况，调相机2用于向电网中提供或吸收无功功率以维持所述电网电压。具体地，当电网电压下降时，调相机2向电网输出无功功率，当电网电压上升时，调相机2从电网吸收无功功率。

在惯量响应工况，飞轮1的转速上升以储存动能或者转速下降以释放动能，并通过调相机2向电网提供或从电网吸收有功功率，从而控制电网的频率波动，对电网起到惯量支撑作用。具体地，当电网频率下降，飞轮1转速下降释放动能，飞轮1的转动惯量通过电磁耦合器3恒速输出，电磁耦合器3驱动调相机2的转子转动，调相机2向电网输入恒频电流。通过设置电磁耦合器3，可以使调相机2的转子转速不受飞轮1的转速影响而保持恒定，从而使调相机2能够实现与电网同步运行。

本申请实施例的具有电磁耦合器的飞轮调相系统兼具无功功率补偿能力(调相功能)以及惯量响应能力，能够稳定电网的电压和频率。在调相工况，飞轮调相系统通过调相机维持电网电压，提高电力系统的稳定性，改善功率因数；在惯量响应工况，飞轮调相机利用转动的飞轮的转动惯量对电网进行惯量支撑作用，维持电网频率，补充了调相机惯量支撑能力的不足。此外，本申请实施例的飞轮调相系统具有电磁耦合器，电磁耦合器的输出转速能够保持恒定，调相机能够实现同步运行。

将本发明实施例提供的飞轮调相系统与电网连接，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电力系统的电压支撑和惯量支撑能力减弱的问题，提高了电网抵御大规模有功、无功冲击的能力，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。

下面根据图1描述本发明提供的具体实施例一。

如图1所示，飞轮调相系统包括飞轮1、调相机2、电磁耦合器3、变频器33、第一传动轴41和第二传动轴42。电磁耦合器3连接在飞轮1和调相机2之间，用于传导转动惯量。

电磁耦合器3包括外转子31和内转子32，外转子31套设内转子32。第一传动轴41连接在飞轮1与外转子31之间，第二传动轴42连接在内转子32与调相机2之间。换言之，外转子31通过第一传动轴41与飞轮1传动连接，内转子32通过第二传动轴42与调相机2的转子传动连接。调相机2的定子连入电网，向电网补偿或吸取有功功率或无功功率。在本实施例中，外转子31转速等于飞轮1转速，内转子32转速等于调相机2的转子转速。

调相机2可以在调相、发电机、电动机模式之间切换，也就是说，在飞轮调相系统的调相工况下，调相机2可以切换至调相模式进行调相，向电网补偿或吸取无功功率。在飞轮调相系统的惯量响应工况下，调相机2可以切换至发电机模式用于向电网输电，将飞轮1储存的动能转化为电能输入电网，也可以切换至电动机模式用于使飞轮1储能，即从电网吸收电能并转化为动能储存在飞轮1中。

下面介绍调相机2在调相模式下的工作原理：

调相机2的工作原理是通过调节电压和电流之间的相位角，调整其输出的无功功率的大小。调相机2可以看作是一种特殊运行状态下的同步电机，通过调节励磁电流可以方便地改变调相机2的无功功率。在本实施例中，调相机2通过励磁系统(图中未示出)控制励磁电流。

如图3所示，调相机2具有过励和欠励两种运行状态，调相机2的运行状态根据系统的需要来调节，例如在电网电压过低时使其过励运行，调相机2向电网补充无功功率，可以减小压降，在电网电压过高时使其欠励运行，调相机2从电网吸收无功功率，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平。

调相机2调相的具体过程如下，当电网电压过低时，负载感性阻抗增多，由于调相机2定子连接大电网，定子电流对应的电枢磁场方向滞后并与转子的励磁磁场方向相反，调相机2的气隙磁通量降低，即发生去磁电枢反应，感应电动势降低，电机电子电压降低(此情景为微电网容量小系统只有一台同步电机，不考虑大电网无限大反拉电压)。此时励磁系统加大调相机2的励磁电流，使调相机2由正常励磁状态变为过励。励磁电流大小正比于励磁磁场大小，因此励磁磁场增大，气隙磁通增大，感应电动势增大，调相机2定子端输出电压增大，从而拉动电网电压提升。当容性负载增多，定子电流超前，对应电枢磁场方向超前，则在励磁磁场方向的磁通增多，感应电动势增大，调相机2定子端输出电压也增大。当电网电压升高时，励磁系统减小励磁电流，将调相机2调节至欠励磁状态，励磁磁场减小，气隙磁通减小，感应电动势减小，定子端输出电压降低，拉动微网电压降低。

本领域的技术人员可以理解的是，飞轮1的转速是在不断变化中的，通过电磁耦合器3的作用，可以使调相机2的转子转速不受飞轮1转速的变化的影响而始终保持恒定。也就是说，即使飞轮1的转速发生改变，调相机2也可以与电网同步运行。

具体地，当本发明实施例提供的飞轮调相系统发电时，飞轮1的转动能够带动外转子31旋转，并且变频器33能够向外转子31通入交流电。当变频器33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33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。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33与外转子绕组相连。

内转子32通过调相机2连接电网。设定内转子32的预设转速值，根据外转子31的机械转速与该预设转速值的差值，通过变频器33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，调相机2转子能够以固定转速转动，调相机2达到同步运行状态，无需采用电力电子装置解耦，提高了电网的同步特征。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，调相机2能够与电网保持同步状态，而不受飞轮1的转速的变化的影响。

由于国内的电网频率基准线为50Hz，在本实施例中，使内转子32的机械转速恒定在3000rpm，调相机2在惯量响应工况下的输出频率能够稳定在50Hz。也就是说，调相机2能够在3000rpm的恒定转速下与电网达到同步运行状态，并在惯量响应工况下向电网输出频率为50Hz的有功功率或者从电网取电转换为动能存入飞轮中。

需要说明的是，由于国外的电网频率基准线为60Hz，还可以适应性地使内转子32的转速恒定在3600rpm，即可以根据电网的频率基准，调整内转子32的额定转速。

电磁耦合器3的具体调节原理如下：

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1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。

若保持内转子32的机械转速为3000rpm，则：

1)当飞轮1的转速(外转子31的机械转速r₁)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1的转速(外转子31的机械转速r₁)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1的转速(外转子31的机械转速r₁)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1的转速的变化的影响而始终保持恒定。

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1当前的转速，调节外转子31的电流，从而实现使外转子31的磁场转速保持恒定。

下面介绍本实施例提供的飞轮调相系统的运行过程，分别有充电过程、调相过程、惯量响应过程和待机过程。

飞轮调相系统的充电过程即电能转化为机械能储存在飞轮1中的过程，具体指通过电动机驱动飞轮1的转速上升至预设转速，实现能量的储存。本实施例提供的飞轮调相系统通过调相机2实现飞轮1的充电，调相机2的开机过程通过其他辅助设备实现。具体地，当飞轮1的转速低于预设转速时，调相机2切换到电动机模式，驱动飞轮1转动储能。当飞轮1的转速达到预设转速时，调相机2停止向飞轮1输电，调相机2切换到调相模式。可选地，飞轮1的预设转速为100rpm-1000000rpm中的任一数值。

在其他实施例中，为了使飞轮1的转速调节更加灵活。将飞轮1的理想转速设定为预设转速范围，预设转速范围具有转速下限和转速上限，当飞轮1的转速在该预设转速范围内时，即视为飞轮1的转速理想。具体地，当飞轮1的转速低于转速下限时，调相机2切换到电动机模式，驱动飞轮1转动储能。当飞轮1的转速高于转速上限时，调相机2停止向飞轮1输电，调相机2切换到调相模式。

飞轮调相系统的待机过程是指当电网的功率因数、电压和频率均在理想状态，且飞轮1的转速也在理想状态时，飞轮调相系统既不需要为电网提供惯量支撑也不需要提供无功功率补偿，飞轮调相系统进入待机状态。在待机状态，飞轮1损耗少量的机械能维持系统空载损耗，电磁耦合器3调解传动比使调相机2的转子以固定转速转动，达到同步运行状态。

飞轮调相系统的调相过程是指当电网的电压发生变化(上升或下降)时，飞轮调相系统进入调相工况，飞轮1随动，电磁耦合器3维持输出转速恒定，调相机2并网同步运行。调节调相机2的励磁电流，使调相机2输出无功功率或吸收无功功率。

飞轮调相系统的惯量响应过程是指当电网的频率波动时，飞轮调相系统进入惯量响应工况，飞轮1随动，电磁耦合器3维持内转子32转速恒定，调相机2并网同步运行。电网频率f降低时((50-0.033)Hz≤f＜50Hz)，调相机2的转速跟随电网频率的降低而降低，第二传动轴42的通过电磁耦合器3带动飞轮1同步减速，飞轮1减速释放动能，并且飞轮1的转动惯量引起的惯性矩阻碍调相机2进一步降速，从而阻止电网频率进一步降低，起到惯量支撑作用。需要说明的是，在该过程中，飞轮1释放的动能通过调相机2转化为电能输入电网，即调相机2向电网输入有功功率，并且由于电磁耦合器3的作用，调相机2向电网输入恒频电能。

反之，当电网频率f上升时(例如当50Hz＜f≤(50+0.033)Hz)，调相机2的转速跟随电网频率的升高而提升，第二传动轴42的通过电磁耦合器3带动飞轮1同步增速，飞轮1升速储存动能，并且飞轮1的转动惯量引起的惯性矩阻碍调相机2进一步升速，从而阻止电网频率进一步提高，起到惯量支撑作用。在该过程中，电能通过调相机2转化为动能储存在飞轮1中。

换言之，在惯量响应工况，将电网溢出的能量按溢出比例存于飞轮1或者从飞轮1按缺失比例汲取能量补充电网，降低电网频率波动。

本实施例提供的飞轮调相系统的具体控制逻辑如下：

当电网电压(或功率因数)在允许范围之内，调相机2转速维持在理想转速(如3000rpm)时，飞轮调相系统进入待机状态；

当电网电压(或功率因数)在允许范围之内，调相机2转速偏离理想转速(如3000rpm)时，飞轮调相系统进行惯量响应状态；

当电网电压(或功率因数)超出允许范围，调相机2转速维持在理想转速(如3000rpm)时，飞轮调相系统进行调相状态；

当电网电压(或功率因数)超出允许范围，调相机2转速偏离理想转速(如3000rpm)时，飞轮调相系统进入调相和惯量响应状态。

因此，本实施例提供的飞轮调相系统兼具无功功率补偿能力(调相功能)以及惯量响应能力，能够稳定电网的电压和频率，提高电力系统的稳定性和惯量支撑能力。相比于传统机械惯量装置，本申请实施例提供的飞轮调相系统采用的电磁耦合器具有更快速且更稳定的调节能力。

进一步地，飞轮调相系统还包括变速装置(图中未示出)，变速装置连接在飞轮1与电磁耦合器3之间。变速装置用于对飞轮1输入电磁耦合器3的转速进行调速，变速装置的变速比为输入端转速(等于飞轮1的转速)与输出端转速(等于外转子31的转速)之比。通过变速装置变速，能够使飞轮1的输出转速更好地适应电磁耦合器3的转速适用范围，减轻电磁耦合器3的负担，即变速装置的设置可以使飞轮1的输出转速变化到电磁耦合器3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3的输入转速的理想区间为(3000±1000)rpm，当外转子31在(3000±1000)rpm范围内时，电磁耦合器3能够对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1的输出转速变化到电磁耦合器3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，或者，变速装置为变速比可调的变速装置。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1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，变速装置为齿轮变速器、液力变矩器、永磁变速器、电磁耦合器或磁力变液器。

下面根据图2描述本发明实施例二中的飞轮调相系统。本实施例中，飞轮调相系统包括电动机5、飞轮1、电磁耦合器3和调相机2。电磁耦合器3与实施例一中的电磁耦合器3相同，此处不作赘述。

如图2所示，在实施例二中，第一传动轴41传动连接电动机5、飞轮1和电磁耦合器3的外转子31。电动机5位于飞轮1的远离电磁耦合器3的一侧。在其他可替代实施例中，电动机5可以位于飞轮1与电磁耦合器3之间。

在本实施例中，飞轮1的充电过程由电动机5实现。这是由于为了降低损耗，调相机2的转子轴通常比较细，无法输出大扭矩/大力矩，因此当飞轮1的额定转速较大、转动惯量较大的情况下，飞轮1的充电过程采用额外的电动机更有效率。此外，电动机5可以辅助调相机2开机，为调相机2开机的时候提供转子转动的动能。

具体地，在充电过程中，通过电动机5对飞轮1进行充电(本质为电能转化为机械能储存在飞轮1中)，电源为电动机5提供电能，电动机5通过第一传动轴41带动飞轮1转动，直至飞轮1达到额定转速。

本实施例中的飞轮调相系统的其他工况运行过程可参考实施例一，此处不作赘述。

下面根据图3描述本发明的实施例三中的飞轮调相系统。

如图3所示，飞轮调相系统包括飞轮1、调相机2、电磁耦合器3、变频器33、第一传动轴41和第二传动轴42。电磁耦合器3连接在飞轮1和调相机2之间。第一传动轴41连接在飞轮1与电磁耦合器3的内转子32之间，第二传动轴42连接在电磁耦合器3的外转子31与调相机2之间。变频器33与外转子31相连。

换言之，内转子32通过第一传动轴41与飞轮1传动连接，外转子31通过第二传动轴42与调相机2的转子传动连接。调相机2的定子连入电网，向电网补偿或吸取有功功率或无功功率。在本实施例中，内转子32的转速等于飞轮1转速，外转子31的转速等于调相机2的转子转速。

调相机2的工作原理与实施例一相同，此处不作赘述。

飞轮1的转动能够带动内转子32旋转，内转子32旋转产生旋转磁场，内转子32旋转磁场的转速等于内转子32的机械转速。外转子31在旋转磁场的作用下转动，从而实现了转动惯量的传递。变频器33向外转子31通入交流电，使外转子31产生旋转磁场，外转子31实际产生的旋转磁场的转速为变频器33通入的电流匹配的旋转磁场转速与外转子32的机械转速的叠加。根据内转子32的转速和外转子31的预设机械转速的差值，通过改变变频器33通入外转子31的电流频率，从而改变电流匹配的旋转磁场转速，能够实现外转子31的机械转速保持恒定，调相机2转子能够以固定转速转动，调相机2达到同步运行状态，无需采用电力电子装置解耦，提高了电网的同步特征。

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/旋转磁场转速r₃。根据飞轮1的转速(内转子32的机械转速r₁)与外转子31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的机械转速r₁等于外转子31的理想机械转速，即保持恒定。

若保持外转子31的机械转速r₁为3000rpm，则：

1)当飞轮1的转速(内转子32的机械转速r₁)小于3000rpm，外转子31电流匹配负的磁场转速，即r₂为负值；

2)当飞轮1的转速(内转子32的机械转速r₁)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1的转速(内转子32的机械转速r₁)大于3000rpm，外转子31电流匹配正的磁场转速，即r₂为正值。

本实施例中的飞轮调相系统的运行工况可参考实施例一，此处不作赘述。

图4示出本发明的实施例四的飞轮调相系统。

在实施例四中，飞轮调相系统包括电动机5、飞轮1、电磁耦合器3、变频器33和调相机2。电磁耦合器3与实施例三中的电磁耦合器3相同，此处不作赘述。

第一传动轴41传动连接电动机5、飞轮1和电磁耦合器3的内转子32。电动机5位于飞轮1的远离电磁耦合器3的一侧。在其他可替代实施例中，电动机5可以位于飞轮1与电磁耦合器3之间。

在本实施例中，飞轮1的充电过程由电动机5实现。具体地，在充电过程中，通过电动机5对飞轮1进行充电，电源为电动机5提供电能，电动机5通过第一传动轴41带动飞轮1转动，直至飞轮1达到额定转速。

本实施例中的飞轮调相系统的其他工况运行过程可参考实施例一，此处不作赘述。

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 (10)

1.一种具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，包括：

飞轮、电磁耦合器、变频器和调相机，所述电磁耦合器包括外转子和内转子，所述飞轮与所述外转子和所述内转子中的一者传动连接以驱动其旋转，所述一者产生旋转磁场带动另一者转动，所述变频器用于改变接入所述外转子的电流频率从而改变电流匹配的磁场转速，以便所述另一者的机械转速保持恒定，所述另一者与所述调相机转子传动连接，所述调相机的定子接入电网，所述飞轮调相系统具有调相工况和惯量响应工况，

在所述调相工况，所述调相机用于向电网提供或从电网吸收无功功率以维持电网电压，当电网电压下降，所述调相机向电网输出无功功率，当电网电压上升，所述调相机从电网吸收无功功率；

在所述惯量响应工况，所述飞轮的转速上升以储存动能或者转速下降以释放动能，并通过所述调相机向电网提供或从电网吸收有功功率以抑制电网频率的波动。

2.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，所述飞轮与所述外转子传动连接，所述外转子驱动所述内转子旋转。

3.根据权利要求1或2所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，还包括第一传动轴和第二传动轴，所述第一传动轴连接在所述飞轮与所述电磁耦合器之间，所述第二传动轴连接在所述电磁耦合器与所述调相机之间。

4.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，所述调相机还用于驱动所述飞轮转速上升直至额定转速。

5.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在，还包括电动机，所述电动机与所述飞轮传动连接，所述电动机用于驱动所述飞轮转速上升直至额定转速。

6.根据权利要求5所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，所述电动机位于所述飞轮的远离所述电磁耦合器的一侧。

7.根据权利要求1、4-6中任一项所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，还包括变速装置，所述变速装置传动连接在所述飞轮与所述电磁耦合器之间。

8.根据权利要求7所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，所述变速装置为无级变速装置或具有固定变速比的变速装置。

9.根据权利要求7所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，所述惯量传导装置为齿轮变速器、液力变矩器、永磁变速器、电磁耦合器或磁力变液器。

10.根据权利要求1所述的具有电磁耦合器的飞轮调相系统，其特征在于，所述调相机的输入转速恒定在3000rpm。