一种同步电机接口并网的飞轮储能系统

本发明属于新型储能装备领域，具体涉及一种同步电机接口并网的飞轮储能系统。

背景技术：

1、新型电力系统中的大量同步发电机组被采用电力电子接口的新能源发电取代，形成了高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”发展趋势。电力电子设备接口的新能源发电无法像同步发电机组一样提供机械惯量和一次调频等频率支撑，且暂态过载能力较弱，配置储能设备是解决新能源的并网难题的有效手段。作为解决新能源并网难题的关键，新型储能技术近年来获得了飞速的发展。在众多新型储能技术中，飞轮储能技术因拥有高频次、高效率和快速响应优势，且具备较大的机械惯量，愈发得到了电力系统的重视和应用。目前常规飞轮储能系统并网采用的是“高速飞轮+电机+机侧变流器+耦合电容+网侧变流器+电网”的技术路线，该技术方案依赖于背靠背的变流器装置，其在电力系统故障下的短路容量和惯量响应特性难以满足电力系统的调节需求。电力电子变流器接口仍然阻碍了常规飞轮的惯量响应和暂态支撑性能。

技术实现思路

1、为解决解决现有飞轮储能系统暂态支撑能力差和响应速度慢的难题，本发明提出一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，本发明的飞轮储能链路结构为“飞轮转子-双转子无刷电机-同步电机-电网”。控制器可对系统输出的有功、无功、惯量、飞轮转速、双转子电机转速、同步电机转速及励磁电流等电气与转速参数进行监测与控制，并通过上位机实时显示监测信号与控制动作。当电网电压受到扰动时，控制器控制同步电机的励磁调节装置，稳定电网电压；当电网频率波动时，控制器控制双转子电机调速器实现飞轮转子加减速，完成飞轮储能系统的充放电，参与电网的一次调频。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，包括飞轮、真空腔体、双转子无刷电机、同步电机、控制器；飞轮的转子与双转子无刷电机高速转子连接，并位于真空腔体的内部；同步电机与双转子无刷电机低速转子连接，处于大气环境；所述双转子无刷电机高速转子与双转子无刷电机低速转子之间非接触，完全跨环境隔离，并穿过所述真空腔体的非金属窗口实现磁耦合驱动；所述控制器实时监测和控制飞轮的转子、双转子无刷电机及同步电机的电气信号与转速信号；采用同步电机作为并网接口，当电网电压扰动时，控制器控制同步电机的励磁调节装置，稳定电网电压；当电网频率波动时，控制器控制双转子无刷电机实现飞轮的转子的加速或减速，同时控制同步电机的转速恒定，完成飞轮储能系统的充电和放电，响应电网的调频需求。

4、优选地，所述双转子无刷电机采用轴向磁场调制结构，由两个不同转速的转子（即双转子无刷电机高速转子和双转子无刷电机低速转子）、定子绕组与永磁块组成。

5、优选地，所述双转子无刷电机高速转子与飞轮的转子处在真空腔体内，双转子无刷电机低速转子、定子绕组及同步电机处在大气环境内，飞轮的转子与同步电机跨大气和真空环境差速连接。

6、优选地，所述非金属窗口采用蓝宝石玻璃制作。

7、优选地，所述控制器实时采集飞轮的转子、双转子无刷电机、同步电机的电气信号与转速信号，并将采集结果通过上位机实时显示。

8、优选地，所述控制器的控制策略是在响应电网调频调压过程中，解耦飞轮的转子与同步电机的转速，控制同步电机的转速与电网频率同步，调整飞轮的转子的转速或同步电机的励磁电流。

9、优选地，所述控制器的芯片采用dsp或者fpga。

10、优选地，所述飞轮转子的最高转速与最低转速的比值大于2。

11、优选地，所述同步电机选用永磁同步电机。

12、优选地，所述飞轮的转子与双转子无刷电机高速转子之间的轴承、同步电机与双转子无刷电机低速转子之间的轴承均为磁悬浮轴承。

13、优选地，所述飞轮储能系统还包括支撑底座，用于支撑所述飞轮的转子、双转子无刷电机低速转子、双转子无刷电机高速转子与同步电机的主轴。

14、有益效果：

15、本发明提出采用同步电机作为并网接口，大大提高了现有飞轮储能系统的暂态支撑特性；引入双转子无刷电机实现飞轮储能系统的跨大气和真空环境融合设计，突破了动密封与高速电机真空散热难题，使得飞轮储能系统具有很好的暂态支撑、惯量响应和快速调频调压优势。

技术特征：

1.一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，包括飞轮、真空腔体、双转子无刷电机、同步电机、控制器；飞轮的转子与双转子无刷电机高速转子连接，并位于真空腔体的内部；同步电机与双转子无刷电机低速转子连接，处于大气环境；所述双转子无刷电机高速转子与双转子无刷电机低速转子之间非接触，完全跨环境隔离，并穿过所述真空腔体的非金属窗口实现磁耦合驱动；所述控制器实时监测和控制飞轮的转子、双转子无刷电机及同步电机的电气信号与转速信号；采用同步电机作为并网接口，当电网电压扰动时，控制器控制同步电机的励磁调节装置，稳定电网电压；当电网频率波动时，控制器控制双转子无刷电机实现飞轮的转子的加速或减速，同时控制同步电机的转速恒定，完成飞轮储能系统的充电和放电，响应电网的调频需求。

2.根据权利要求1所述的一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，所述双转子无刷电机为轴向磁场调制型。

3.根据权利要求1所述的一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮的转子的最高转速是最低转速的2~3倍，所述飞轮的转子的调速比大于2。

4.根据权利要求1所述的一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮的转子采用磁悬浮轴承完成固定和支撑。

5.根据权利要求1所述的一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮的转速、双转子无刷电机的转速、双转子无刷电机定子的电流频率及幅值、同步电机的转速、同步电机的并网电压、同步电机的励磁电流、磁悬浮轴承电流的实时采集与控制均由控制器完成。

6.根据权利要求1所述的一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，所述控制器用于维持同步电机的转速与电网同步，同时根据电力系统调节需求，实时控制飞轮储能系统的有功输出、无功输出与惯量响应。

7.根据权利要求1所述的一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，所述真空腔体的主体采用不锈钢、q235碳素结构钢、陶瓷基复合材料、石英玻璃或硼硅酸玻璃制作。

8.根据权利要求1所述的一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，所述真空腔体开设有非金属窗口，所述非金属窗口的一侧是大气环境，另一侧是真空环境。

9.根据权利要求8所述的一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，其特征在于，所述非金属窗口是双层结构，双层结构之间为真空环境。

技术总结本发明公开了一种同步电机接口并网的飞轮储能系统，属于新型储能装备领域，包括飞轮转子、真空腔体及非金属窗口、双转子无刷电机、同步电机、控制器等。飞轮转子与双转子无刷电机的高速转子连接，并位于真空腔体内部。同步电机与双转子无刷电机的低速转子连接，处于大气环境。双转子电机的高速飞轮转子与低速飞轮转子之间非接触，两个转子穿过真空腔体的非金属窗口实现磁耦合驱动。本发明可跨大气和真空环境融合，并在大调速区间内实现飞轮的充放电。技术研发人员：唐西胜,刘冠杰,汪泰安,毕永健受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/25