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应用于风力发电储能的磁悬浮飞轮电池

2014-08-08 来源:中国风电材料设备网 浏览数:2075

本文提出了一种新型的轴向电机储能飞轮,飞轮设置为立式,由上下两台轴向磁场永磁同步电机驱动,转子的轴向悬浮与电机一体,径向悬浮支承由永磁体实现。该储能飞轮应用于风力发电系统可有效解决风力资源的随机性和间歇性问题,起到削峰填谷的作用,减少风力发电系统对电网的冲击。文章对飞轮- 电动/ 发电- 磁悬浮一体化的飞轮储能系统进行了总体设计,并在对飞轮转子的轴向电磁力建模的基础上设计了磁悬浮控制器,最后对飞轮的悬浮和充放电进行了实验,验证了方案的可行性。

1.引言
  随着化石能源的枯竭,新能源发电特别是风力发电的规模正在快速攀升。风力发电技术中存在的最大问题是风力资源自身的随机性、间歇性问题。储能技术在很大程度上可以解决风力发电的随机性、波动性问题,削峰填谷,可以实现风力发电的平滑输出,能有效调节风力发电引起的电网电压、频率及相位的变化,使大规模风电方便可靠地并入常规电网。飞轮储能电池是一种新型的物理储能电池,与传统的化学电池相比,飞轮电池具有如下优点:较快的充电、放电速度;较长的使用寿命,一般比化学电池的寿命长5-10 倍;干净、清洁,对环境无任何不良影响;储能十分稳定,储能能力不因外界温度等因素的变化而波动;具有很高的效率,总效率达到90% 以上。飞轮储能的优点赢得了人们对其研究的热潮。目前储能飞轮存在的一个主要问题是系统比较复杂,造价也比较高,因而降低飞轮系统的造价,推出经济实用型飞轮,具有重要的实际意义。本文给出一种新型的轴向磁场电机飞轮,用双电机的磁场吸力差抵消飞轮自身的重量,实现飞轮的轴向悬浮,而轴向支承由永磁轴承实现。这种形式的飞轮结构紧凑简单,可靠性高,造价低,可大规模应用于风力发电系统中。
  2.飞轮- 电动/ 发电- 磁悬浮一体化设计

飞轮电池的释能、储能两种功能都是由电机系统完成的。飞轮在风力发电系统中的应用框图如图1 所示。当风速变化时,风力发电机的输出功率随之变化,发电机电流iG发生变化;当负载发生波动时,负载电流iL将发生扰动,因而直流电压Edc 也随之波动。当Edc 上升时,飞轮储能电池的电机运行于电动状态,将电能转换成机械能储存于飞轮中。当Edc 下降时,飞轮储能电池的电机运行于发电状态,将储存于飞轮中的机械能转换成电能补偿给整个系统。这样,通过飞轮的不断吸能、放能来达到维持直流侧电压Edc在预定范围内的目的。
  飞轮储能系统的特点是可以实现快速充电、放电,飞轮储能系统工作在高速模式,采用轴向磁场永磁同步电机。轴向磁场电机具有轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑等特点。由于采用永久磁钢激磁,转子无损耗,电机运行效率高。由于定、转子对等排列,定子绕组具有良好的散热条件,可获得很高的功率密度,并具有优越的动态性能。pagebreak]
  减小永磁体的径向尺寸可成比例地减小其受到的径向离心力。在电机功率一定的情况下,可采用双电机形式,即飞轮的上、下表面各嵌一台电机,这样在永磁体切向尺寸不变的情况下,径向尺寸可减小为原来的一半。这种形式可看作是由两个分开的单气隙轴向磁场电机组成(上电机和下电机)。两个电机各自具有自己的定子、转子、永磁体和绕组,它们的转子对称地固接在两个电机中间的飞轮上。上、下电机定子上都嵌装有自己的三相绕组,上、下三相绕组的对应相串连在一起,这样就可以只使用一台电力电子变换器来驱动电机。电机结构如图2 所示。在飞轮储存能量状态下,电机处于电动状态,给飞轮转子提供力矩;在飞轮释放能量状态下,电机处于发电状态,向蓄电池等提供能量。

3. 轴向磁悬浮控制器
  为了提高飞轮存储的效率,高速飞轮的支承系统需要采用磁悬浮轴承。对于立式转子飞轮,设转子重心相对平衡位置有一竖直向上的位移z,此时转子飞轮受到的总电磁转矩为上下电机的电磁转矩之和,即

  其中As 为定子磁极面积,Ns 为定子线圈匝数,p 为电机极对数,Nf1 和Nf2,if1 和if2分别为上下电机永磁体的等效励磁绕组匝数和励磁电流,iq1 和iq2 为上下电机的交轴电流。上下定子线圈串联,iq1=iq2。因为z10,g20,忽略z 得:

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