具有绕线转子异步发电机的飞轮储能系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种具有绕线转子异步发电机的飞轮储能系统。

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，本发明提出一种具有绕线转子异步发电机的飞轮储能系统。

根据本发明的具有绕线转子异步发电机的飞轮储能系统，包括：电动机；飞轮转子，所述电动机与所述飞轮转子相连以驱动所述飞轮转子旋转；绕线转子异步发电机，所述绕线转子异步发电机包括定子和转子，所述飞轮转子可断开地与所述转子传动连接以驱动所述转子转动，所述定子能够接入电网并向电网中输入具有稳定频率的电能。

根据本发明实施例提供的飞轮储能系统的飞轮转子与具有变速恒频的功能的绕线转子异步发电机相连，绕线转子异步发电机连接电网且能够与电网同频传输，飞轮转子的转速变化不会影响异步发电机向电网中输入恒频电流，因此将本发明实施例提供的飞轮储能系统与电网连接，无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，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，所述电动机与电网相连并用于从电网取电。

在一些实施例中，所述飞轮储能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，所述飞轮转子释放动能驱动所述绕线转子异步发电机发电，所述绕线转子异步发电机向电网中输入具有稳定频率的电能，

在所述储能状态下，所述电动机从电网取电以驱动所述飞轮转子旋转，所述绕线转子异步发电机停止向电网中输入电能。

在一些实施例中，在所述储能状态下，所述绕线转子异步发电机空转，和/或，所述飞轮转子与所述转子之间的传动连接断开。

在一些实施例中，所述飞轮储能系统具备待机状态，在所述待机状态下，所述电动机待机，所述绕线转子异步发电机空转。

在一些实施例中，飞轮储能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转子的能量输入及输入功率，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输出功率。

在一些实施例中，所述飞轮转子的转速为100rpm-1000000rpm。

在一些实施例中，所述定子的磁场转速为3000rpm，所述定子向电网中输入频率为50Hz的电能。

在一些实施例中，飞轮储能系统包括传动轴，所述电动机位于所述飞轮转子的远离所述绕线转子异步发电机的一侧，所述传动轴贯穿所述飞轮转子，所述传动轴的一端与所述电动机的输出端传动连接，所述传动轴的另一端与所述转子传动连接。

在一些实施例中，所述电动机、所述飞轮转子、所述绕线转子异步发电机均卧式布置，或者，所述电动机、所述飞轮转子、所述绕线转子异步发电机均立式布置。

附图说明

图1是根据本发明实施例的飞轮储能系统的示意图。

图2是根据本发明实施例的飞轮储能控制器的示意图。

附图标记：

飞轮储能系统1；飞轮转子111；电动机112；绕线转子异步发电机20；传动轴30。

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具有绕线转子异步发电机的飞轮储能系统1的基本结构。如图1所示，飞轮储能系统1包括飞轮转子111、电动机112和绕线转子异步发电机20。

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。可选地，电动机112与电网相连用于从电网中取电，电动机112从电网中取电驱动飞轮转子111旋转，飞轮转子111的转速上升以储存动能。

绕线转子异步发电机20包括发电机定子(图中未示出)和发电机转子(图中未示出)。发电机定子通电产生旋转磁场。飞轮转子111可断开地与发电机转子传动连接，飞轮转子111的转动能够带动发电机转子旋转，发电机转子旋转切割发电机定子产生的旋转磁场，发电机定子的定子绕组产生感应电势。通过改变通入发电机转子的电流，使发电机定子的旋转磁场的频率保持恒定，发电机定子的定子绕组产生稳定的感应电势。发电机定子能够接入电网并向电网中输入具有稳定频率的电能。

也就是说，绕线转子异步发电机20具有变速恒频的作用，能够向电网输入恒频电流。绕线转子异步发电机20向电网稳定输入电能不受飞轮转子111的转速的变化的影响，即使飞轮转子111转速发生改变，绕线转子异步发电机20也能够向电网稳定输入电能。可选地，发电机定子的旋转磁场的转速(绕线转子异步发电机20的同步转速、电网转速)为3000rpm，发电机定子能够稳定向电网中输入频率为50Hz的电流。本领域的技术人员能够理解的是，“发电机定子的旋转磁场的转速”不是机械转动转速。

可选地，飞轮储能系统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系统的飞轮转子与具有变速恒频的功能的绕线转子异步发电机相连，绕线转子异步发电机连接电网且能够与电网同频传输，飞轮转子的转速变化不会影响绕线转子异步发电机向电网中输入恒频电流，因此将本发明实施例提供的飞轮储能系统与电网连接，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所示的飞轮储能系统1的示意图为例描述本发明提供的飞轮储能系统1的组成、连接关系及运作流程。

在图1所示的实施例中，飞轮储能系统1包括飞轮转子111、电动机112、绕线转子异步发电机20、传动轴30。

电动机112位于飞轮转子111的远离绕线转子异步发电机20的一侧。传动轴30贯穿飞轮转子111，传动轴30的一端与电动机112的输出端传动连接，传动轴30的另一端与绕线转子异步发电机20的发电机转子传动连接。电动机112与飞轮转子111相连，电动机112能够通过传动轴30驱动飞轮转子111的转速上升以储存动能。飞轮转子111能够通过传动轴30驱动绕线转子异步发电机20的发电机转子转动。绕线转子异步发电机20的发电机定子通过变压器(图中未示出)与电网相连，向电网供电。

在其他实施例中，电动机112可以位于飞轮转子111的靠近绕线转子异步发电机20的一侧，传动轴30贯穿电动机112，一端与飞轮转子111相连，另一端与绕线转子异步发电机20相连。

如图1所示，飞轮转子111、电动机112、绕线转子异步发电机20、传动轴30均卧式布置，即飞轮转子111、电动机112、绕线转子异步发电机20、传动轴30的轴向均沿水平方向。在其他实施例中，飞轮转子111、电动机112、绕线转子异步发电机20、传动轴30可以立式布置，即轴向均沿竖直方向。

在本实施例中，绕线转子异步发电机20的发电机转子的机械转速、传动轴30的转速与飞轮转子111的输出转速相等。可选地，绕线转子异步发电机20的发电机定子的磁场转速恒定在3000rpm。绕线转子异步发电机20的输出频率稳定在50Hz。需要说明的是，国内的电网频率基准线为50Hz，发电机定子的磁场转速可以恒定在3000rpm。国外的电网频率基准线为60Hz，发电机定子的磁场转速可以恒定在3600rpm，即可以根据电网的频率基准，调整发电机定子的磁场转速。

本申请实施例提供的飞轮储能系统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。

下面以电动机112与电网相连且可从电网中取电，绕线转子异步发电机20能够向电网中输能为例描述本申请的技术方案，具体如下：

在储能状态下，发电机定子与电网断开，绕线转子异步发电机20空转，电动机112从电网中吸取电能，电动机112的输出端通过传动轴驱动飞轮转子111的转速上升，飞轮转子111的转速上升储存动能，即电能转化为动能储存在飞轮转子111中。飞轮转子111的转速上升直至达到设定转速。可以理解的是，在储能阶段飞轮储能系统1只有能量输入没有能量输出。

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3000rpm-1000000rpm。

在一些实施例中，储能状态下飞轮转子111与绕线转子异步发电机20的发电机转子之间保持传动连接，绕线转子异步发电机20空转以实现停止向电网中输入电能。也就是说，在储能阶段，绕线转子异步发电机20与电网之间的不进行功率传递，绕线转子异步发电机20不发电。

需要说明的是，在其他实施例中，还可以有其他方式实现绕线转子异步发电机20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，飞轮转子111与绕线转子异步发电机20之间断开传动连接，也就是说，飞轮转子111与发电机转子之间的连接断开，飞轮转子111不再能够驱动发电机转子，因此绕线转子异步发电机20不发电，从而实现绕线转子异步发电机20停止向电网中输入电能。

优选储能状态下绕线转子异步发电机20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，即电动机112不向飞轮转子111输入能量，飞轮转子111释放动能，飞轮转子111通过传动轴30驱动发电机转子转动，且发电机转子的转速大于发电机定子的磁场转速，绕线转子异步发电机20发电，并通过变压器向电网中输入具有稳定频率的电能，飞轮转子111释放动能转速下降。无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，提高了电网中的转动惯量，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。

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，当飞轮储能系统1处于释能状态下时，飞轮储能系统1中只有能量输出，没有能量输入。当飞轮储能系统1处于上述储能状态下时，飞轮储能系统1中只有能量输入，没有能量输出。

作为示例，发电机定子并网，其磁场转速稳定在3000rpm，输出电流的频率为50Hz。在释能阶段，飞轮转子111通过传动轴30带动发电机转子机械转动，发电机转子的机械转速大于3000rpm，绕线转子异步发电机20能够发电。可以理解的是，若发电机转子的机械转速小于3000rpm，绕线转子异步发电机20不能够发电。

本领域的技术人员可以理解的是，飞轮转子111的转速是在不断变化中的，导致发电机转子的机械转速会断变化，因此发电机转子的机械转速与发电机定子的磁场转速很多情况下是异步的。若要使发电机定子的磁场转速保持不变，使其恒频输电，可以通过改变通入发电机转子的电流实现。

根据飞轮转子111的转速(发电机转子的转速)与发电机定子的磁场转速之间的差值，改变发电机转子的电流频率，或者，根据绕线转子异步发电机20的转差率改变发电机转子的电流频率，其中，转差率s＝(发电机定子的磁场转速r

在释能阶段，发电机转子的机械转速r

发电机定子的磁场转速r

发电机转子的机械转速r

因此在释能阶段，飞轮转子111的转速逐渐减小，带动发电机转子的转速也逐渐减小，通过上述方法调节发电机转子的电流，绕线转子异步发电机20可以实现恒频发电。

需要说明的是，发电机转子电流匹配的磁场转速r

也就是说，为了使发电机定子的磁场转速保持恒定，对其设定预设值，根据飞轮转子111当前的转速，调节发电机转子的电流频率，从而实现使发电机定子的磁场转速保持恒定，绕线转子异步发电机20能够稳定发电。

在一些实施例中，飞轮储能系统1还具备待机状态。也可以说，飞轮储能系统1在运行过程还包括待机阶段。当飞轮储能系统1在待机状态下时，飞轮储能系统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，飞轮储能系统1以最小的损耗运行。在待机状态下，电动机112待机，绕线转子异步发电机20空转，飞轮转子111释放少量的动能以保持发电机转子转动。

例如，当电网中的频率等于预设值时(例如电网频率等于50Hz)，使飞轮储能系统1进入待机状态，飞轮转子111损耗少量动能以维持绕线转子异步发电机20发电机转子转动，保证飞轮储能系统1以最佳状态应对下一次电网频率波动。

在一些实施例中，飞轮储能系统1接入电网能够对电网进行惯量响应或调频。当电网的频率上升时，电动机112从电网中吸取溢出的电能，驱动飞轮转子111转速上升，使电能转化为动能储存在飞轮转子111中，从而使得电网的频率降低。当电网的频率下降时，飞轮转子111驱动绕线转子异步发电机20发电，飞轮转子111转速下降，使动能转化为电能输入电网，从而使得电网的频率提升。

在一些实施例中，如图2所示，飞轮储能系统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改变电动机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。通过改变电动机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系统1能够提供更快速且更稳定的频率控制。

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。