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As 為定子磁極面積,Ns 為定子線圈匝數,p 為電機極對數,Nf1 和Nf2,if1 和if2分別為上下電機永磁體的等效勵磁繞組匝數和勵磁電流,iq1 和iq2 為上下電機的交軸電流。上下定子線圈串聯,iq1=iq2。因為z10,g20,忽略z 得: