一种高效运行的重力储能系统及其控制方法与流程

本发明涉及重力储能，具体是涉及一种高效运行的重力储能系统及其控制方法。

背景技术：

1、在双碳背景下，具有随机性和波动特性的可再生能源装机占比将逐渐增加，为应对未来新型电力系统中可再生能源发电和负荷的功率波动，国内外各电网公司对于储能容量的需求在未来十年将增加10倍。虽然储能需求持续增长，但当前可规模化应用的储能技术中，抽水蓄能和化学电池都面临着可扩展性、平准化经济性、安全性和环境风险方面的重大挑战。重力储能作为一种新型机械储能，原理与抽水蓄能类似，其储能介质为固体物质，基于高度落差对储能介质进行升降来实现储能系统的充放电过程，其最大的优势在于不受水资源的限制，环境适应性强。相对于抽水蓄能，不用开挖水库和输水涵洞，大幅减小工程量，从而降低了成本。重力储能属于“能量型”的储能方式，采用发电/电动机完成系统充放电，具有削峰填谷、调相功能，启停便捷且储能介质无衰减，相比于其它不使用电机的储能系统，重力储能可为电力系统提供一定的惯性支撑，改善电力系统运行特性，并有效提升新能源消纳能力。因此，重力储能成为最具发展潜力的一种储能技术。

2、重力储能系统运行过程中，其充放电工况一般基于1台电机完成，电机在重力储能系统充电时作为电动机使用，在发电时作为发电机使用。由于电机在设计制造过程中，普遍默认工作于单一工况，即如果电机按照发电机设计制造，则其在发电工况效率较高，在电动工况效率将无法达到与发电工况一样的基准，因此如何使得重力储能系统在充放电工况均具有较高效率是在该储能技术重点解决的问题。

技术实现思路

1、一、要解决的技术问题

2、本发明是针对现有技术所存在的上述缺陷，特提出一种高效运行的重力储能系统及其控制方法，通过同步发电机与绕线式异步电动机的组合，使得重力储能系统在充放电工况均可高效运行，解决了现有的重量储能系统的充放电工况效率较低的问题。

3、二、技术方案

4、为解决上述技术问题，本发明提供一种高效运行的重力储能系统，包括同步电机、绕线式异步电机、提升轴件，同步电机和绕线式异步电机均能够与提升轴件传动连接，在发电工况系统使用同步电机作为主电机带动提升轴件释放重物，在电动工况系统使用绕线式异步电机作为主电机带动提升轴件提升重物。

5、优选地，储能系统还包括传动连接同步电机和提升轴件的同步齿轮箱，以及传动连接绕线式异步电机和提升轴件的异步齿轮箱。

6、优选地，提升轴件包括双连提升轴，同步齿轮箱和双连提升轴之间设置有同步直连离合器，异步齿轮箱和双连提升轴之间设置有异步直连离合器。

7、优选地，提升轴件包括同步提升轴、异步提升轴、传动轴、同步离合连轴和异步离合连轴，同步齿轮箱与同步提升轴之间设置有同步近端离合器和同步远端离合器，同步近端离合器与同步齿轮箱传动连接，同步远端离合器与同步提升轴传动连接，同步近端离合器和同步远端离合器之间通过同步离合连轴传动连接，异步齿轮箱与异步提升轴之间设置有异步近端离合器和异步远端离合器，异步近端离合器与异步齿轮箱传动连接，异步远端离合器与异步提升轴传动连接，异步近端离合器和异步远端离合器之间通过异步离合连轴传动连接，传动轴的两端分别与同步离合连轴和异步离合连轴传动连接。

8、本申请还提供一种高效运行的重力储能系统的控制方法，应用于一种高效运行的重力储能系统，系统发电与电动的最大容量为两类电机的发电与电动最大容量之和。

9、优选地，在系统工作于发电状态，优先使用同步电机，同步电机不自起动，使用绕线式异步电机拖动同步电机起动并网；系统工作于电动状态，优先使用绕线式异步电机。

10、优选地，当重力储能系统需要运行于发电工况，首先控制闭合同步直连离合器和异步直连离合器，同步电机经同步齿轮箱、同步直连离合器、双连提升轴、异步直连离合器和异步齿轮箱与绕线式异步电机连接，绕线式异步电机的动力由异步齿轮箱、异步直连离合器、双连提升轴、同步直连离合器和同步齿轮箱传递给同步电机，同步电机作为负载由绕线式异步电机拖动加速，待同步电机转速达到同步速，满足并网条件后，手动并网或者使用自动准同期装置并网。

11、优选地，在发电工况下运行时，当所需发电功率小于等于同步电机的最大发电功率时，此时仅需同步电机发电，绕线式异步电机仅承担同步电机的起动任务，同步电机并网后，异步直连离合器断开，绕线式异步电机停机，重力储能系统发电工况起动完成，随后重物经重物通道下行，通过双连提升轴、同步直连离合器和同步齿轮箱带动同步电机发电；

12、在发电工况下运行时，当同步电机发电功率不足时，异步直连离合器不断开，绕线式异步电机励磁由交流励磁切换为直流励磁，绕线式异步电机同步运行，向重物通道中加载重物，此时绕线式异步电机工作处于发电状态，与同步电机共同向外输出功率。

13、优选地，当重力储能系统需要运行于充电工况，首先控制闭合异步直连离合器，绕线式异步电机与重物通道连接，由电网提供能量使绕线式异步机旋转，拖动重物块上升，将电能存储为重物的重力势能。

14、优选地，在充电工况下运行时，当充电功率小于等于绕线式异步电机的最大充电功率时，此时仅需绕线式异步电机运行；

15、在充电工况下运行时，若充电功率大于绕线式异步电机的最大充电功率，此时首先控制闭合同步直连离合器和异步直连离合器，同步电机经同步齿轮箱、同步直连离合器、双连提升轴、异步直连离合器和异步齿轮箱与绕线式异步电机连接，绕线式异步电机的动力由异步齿轮箱、异步直连离合器、双连提升轴、同步直连离合器和同步齿轮箱传递给同步电机，同步电机首先作为负载由绕线式异步电机拖动加速，待同步电机转速达到同步速，满足并网条件后，手动并网或者使用自动准同期装置并网，随后将绕线式异步电机的交流励磁切换为直流励磁，绕线式异步电机同步运行，同步电机与绕线式异步电机共同运行于充电工况。

16、三、有益效果

17、与现有技术相比，本发明通过同步电机与绕线式异步电机的组合，重力储能系统在充放电工况均可高效运行，同时还使得同步电机的起动并网过程更加平稳。

技术特征：

1.一种高效运行的重力储能系统，其特征在于，所述高效运行的重力储能系统包括同步电机(1)、绕线式异步电机(2)、提升轴件，同步电机(1)和绕线式异步电机(2)均能够与提升轴件传动连接，在发电工况系统使用同步电机(1)作为主电机带动提升轴件释放重物，在电动工况系统使用绕线式异步电机(2)作为主电机带动提升轴件提升重物。

2.根据权利要求1所述的一种高效运行的重力储能系统，其特征在于，储能系统还包括传动连接同步电机(1)和提升轴件的同步齿轮箱(41)，以及传动连接绕线式异步电机(2)和提升轴件的异步齿轮箱(42)。

3.根据权利要求2所述的一种高效运行的重力储能系统，其特征在于，提升轴件包括双连提升轴(31)，同步齿轮箱(41)和双连提升轴(31)之间设置有同步直连离合器(51)，异步齿轮箱(42)和双连提升轴(31)之间设置有异步直连离合器(52)。

4.根据权利要求3所述的一种高效运行的重力储能系统，其特征在于，提升轴件包括同步提升轴(32)、异步提升轴(33)、传动轴(34)、同步离合连轴(35)和异步离合连轴(36)，同步齿轮箱(41)与同步提升轴(32)之间设置有同步近端离合器(53)和同步远端离合器(54)，同步近端离合器(53)与同步齿轮箱(41)传动连接，同步远端离合器(54)与同步提升轴(32)传动连接，同步近端离合器(53)和同步远端离合器(54)之间通过同步离合连轴(35)传动连接，异步齿轮箱(42)与异步提升轴(33)之间设置有异步近端离合器(55)和异步远端离合器(56)，异步近端离合器(55)与异步齿轮箱(42)传动连接，异步远端离合器(56)与异步提升轴(33)传动连接，异步近端离合器(55)和异步远端离合器(56)之间通过异步离合连轴(36)传动连接，传动轴(34)的两端分别与同步离合连轴(35)和异步离合连轴(36)传动连接。

5.一种高效运行的重力储能系统的控制方法，应用于如权利要求3所述的一种高效运行的重力储能系统，其特征在于，系统发电与电动的最大容量为两类电机的发电与电动最大容量之和。

6.根据权利要求5所述的一种高效运行的重力储能系统的控制方法，其特征在于，在系统工作于发电状态，优先使用同步电机(1)，同步电机(1)不自起动，使用绕线式异步电机(2)拖动同步电机(1)起动并网；系统工作于电动状态，优先使用绕线式异步电机(2)。

7.根据权利要求5所述的一种高效运行的重力储能系统的控制方法，其特征在于，当重力储能系统需要运行于发电工况，首先控制闭合同步直连离合器(51)和异步直连离合器(52)，同步电机(1)经同步齿轮箱(41)、同步直连离合器(51)、双连提升轴(31)、异步直连离合器(52)和异步齿轮箱(42)与绕线式异步电机(2)连接，绕线式异步电机(2)的动力由异步齿轮箱(42)、异步直连离合器(52)、双连提升轴(31)、同步直连离合器(51)和同步齿轮箱(41)传递给同步电机(1)，同步电机(1)作为负载由绕线式异步电机(2)拖动加速，待同步电机(1)转速达到同步速，满足并网条件后，手动并网或者使用自动准同期装置并网。

8.根据权利要求7所述的一种高效运行的重力储能系统的控制方法，其特征在于，在发电工况下运行时，当所需发电功率小于等于同步电机(1)的最大发电功率时，此时仅需同步电机(1)发电，绕线式异步电机(2)仅承担同步电机(1)的起动任务，同步电机(1)并网后，异步直连离合器(52)断开，绕线式异步电机(2)停机，重力储能系统发电工况起动完成，随后重物经重物通道下行，通过双连提升轴(31)、同步直连离合器(51)和同步齿轮箱(41)带动同步电机(1)发电；

9.根据权利要求5所述的一种高效运行的重力储能系统的控制方法，其特征在于，当重力储能系统需要运行于充电工况，首先控制闭合异步直连离合器(52)，绕线式异步电机(2)与重物通道连接，由电网提供能量使绕线式异步机旋转，拖动重物块上升，将电能存储为重物的重力势能。

10.根据权利要求9所述的一种高效运行的重力储能系统的控制方法，其特征在于，在充电工况下运行时，当充电功率小于等于绕线式异步电机(2)的最大充电功率时，此时仅需绕线式异步电机(2)运行；

技术总结本发明涉及重力储能技术领域，具体是涉及一种高效运行的重力储能系统及其控制方法，包括同步电机、绕线式异步电机、提升轴件，同步电机和绕线式异步电机均能够与提升轴件传动连接，在发电工况系统使用同步电机作为主电机带动提升轴件释放重物，在电动工况系统使用绕线式异步电机作为主电机带动提升轴件提升重物，本申请通过同步电机与绕线式异步电机的组合，重力储能系统在充放电工况均可高效运行，同时还使得同步电机的起动并网过程更加平稳。技术研发人员：施惠栋,王祖凡,赵辉,朱志昕受保护的技术使用者：绍兴锐拓半导体设备有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17