應用于風力發電儲能的磁懸浮飛輪電池

1.引言
　　隨著化石能源的枯竭，新能源發電特別是風力發電的規模正在快速攀升。風力發電技術中存在的最大問題是風力資源自身的隨機性、間歇性問題。儲能技術在很大程度上可以解決風力發電的隨機性、波動性問題，削峰填谷，可以實現風力發電的平滑輸出，能有效調節風力發電引起的電網電壓、頻率及相位的變化，使大規模風電方便可靠地并入常規電網。飛輪儲能電池是一種新型的物理儲能電池，與傳統的化學電池相比，飛輪電池具有如下優點：較快的充電、放電速度；較長的使用壽命，一般比化學電池的壽命長5-10 倍；干凈、清潔，對環境無任何不良影響；儲能十分穩定，儲能能力不因外界溫度等因素的變化而波動；具有很高的效率，總效率達到90% 以上。飛輪儲能的優點贏得了人們對其研究的熱潮。目前儲能飛輪存在的一個主要問題是系統比較復雜，造價也比較高，因而降低飛輪系統的造價，推出經濟實用型飛輪，具有重要的實際意義。本文給出一種新型的軸向磁場電機飛輪，用雙電機的磁場吸力差抵消飛輪自身的重量，實現飛輪的軸向懸浮，而軸向支承由永磁軸承實現。這種形式的飛輪結構緊湊簡單，可靠性高，造價低，可大規模應用于風力發電系統中。
　　2.飛輪- 電動/ 發電- 磁懸浮一體化設計

飛輪電池的釋能、儲能兩種功能都是由電機系統完成的。飛輪在風力發電系統中的應用框圖如圖1 所示。當風速變化時，風力發電機的輸出功率隨之變化，發電機電流iG發生變化；當負載發生波動時，負載電流iL將發生擾動，因而直流電壓Edc 也隨之波動。當Edc 上升時，飛輪儲能電池的電機運行于電動狀態，將電能轉換成機械能儲存于飛輪中。當Edc 下降時，飛輪儲能電池的電機運行于發電狀態，將儲存于飛輪中的機械能轉換成電能補償給整個系統。這樣，通過飛輪的不斷吸能、放能來達到維持直流側電壓Edc在預定范圍內的目的。
　　飛輪儲能系統的特點是可以實現快速充電、放電，飛輪儲能系統工作在高速模式，采用軸向磁場永磁同步電機。軸向磁場電機具有軸向尺寸短、重量輕、體積小、結構緊湊等特點。由于采用永久磁鋼激磁，轉子無損耗，電機運行效率高。由于定、轉子對等排列，定子繞組具有良好的散熱條件，可獲得很高的功率密度，并具有優越的動態性能。pagebreak]
　　減小永磁體的徑向尺寸可成比例地減小其受到的徑向離心力。在電機功率一定的情況下，可采用雙電機形式，即飛輪的上、下表面各嵌一臺電機，這樣在永磁體切向尺寸不變的情況下，徑向尺寸可減小為原來的一半。這種形式可看作是由兩個分開的單氣隙軸向磁場電機組成（上電機和下電機）。兩個電機各自具有自己的定子、轉子、永磁體和繞組，它們的轉子對稱地固接在兩個電機中間的飛輪上。上、下電機定子上都嵌裝有自己的三相繞組，上、下三相繞組的對應相串連在一起，這樣就可以只使用一臺電力電子變換器來驅動電機。電機結構如圖2 所示。在飛輪儲存能量狀態下，電機處于電動狀態，給飛輪轉子提供力矩；在飛輪釋放能量狀態下，電機處于發電狀態，向蓄電池等提供能量。

3. 軸向磁懸浮控制器
　　為了提高飛輪存儲的效率，高速飛輪的支承系統需要采用磁懸浮軸承。對于立式轉子飛輪，設轉子重心相對平衡位置有一豎直向上的位移z，此時轉子飛輪受到的總電磁轉矩為上下電機的電磁轉矩之和，即

　　其中A_s 為定子磁極面積，N_s 為定子線圈匝數，p 為電機極對數，N_f1 和N_f2，i_f1 和i_f2分別為上下電機永磁體的等效勵磁繞組匝數和勵磁電流，i_q1 和i_q2 為上下電機的交軸電流。上下定子線圈串聯，i_q1=i_q2。因為z10，g₂₀，忽略z 得：