飞轮储能变速发电系统的制作方法

本发明属于电机领域，具体涉及一种飞轮储能变速发电系统。

背景技术：

对可再生能源的利用研究受到当今各国的重视，风能因其技术相对成熟且可大规模利用的特点而得到迅速的发展。然而风速的随机性和间歇性，导致风电场并网功率有较大的波动性。随着风电规模的不断扩大，其功率波动对电网的运行稳定性和经济性的影响越来越大，甚至影响电网的安全运行。在风力发电系统中引入储能装置，能有效地抑制风电功率波动，平滑输出电压，提高电能质量，是保证风力发电并网运行、促进风能利用的关键技术和主流方式。

飞轮系统储能方式充/放电速度快、功率密度高、使用寿命长、对环境影响小、占用体积空间小、对外在地理环境要求低等优点。以飞轮系统来实现功率存储应用于风力发电系统具有广泛的前景。

飞轮储能系统在风力发电系统中的作用如下：当飞轮储能系统应用于独立运行风力发电系统中时，可以在风力波动和负荷扰动的情况下，快速地发出或吸收有功功率，实现风电系统发出功率和消耗功率的平衡，从而提高风能的利用效率和供电的电能质量，而将其应用在并网型风力发电系统中时，通过引入先进的电能变换装置，可实现飞轮储能系统对并网风电机组输出有功功率和无功功率的快速、综合补偿，从而有效减少风速波动对电网的冲击，提高含并网风电机组的电网的电能质量。

目前飞轮储能装置在风力发电系统中的安装位置主要有以下两种：(1)飞轮储能装置安装在并网侧；(2)飞轮储能装置安装在直流侧。飞轮储能系统应用于并网型永磁直驱风力发电系统结构图如图1所示。该系统由直驱式风力发电机组、飞轮储能系统、功率变换器、负载等构成，其中，飞轮储能系统并联在直流母线上。

成本过高是限制储能技术在风力发电中大量推广应用的共同问题，提高能量转换效率和降低成本是今后储能技术研究的重要方向。在图1所示的风力发电系统中，储能电机需要通过AC-DC变换器并联在直流母线上(也即：飞轮储能装置安装在直流侧)，导致发电系统的成本高、效率低、可靠性差、控制系统结构复杂，故以上问题亟需解决。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有飞轮储能装置安装在直流侧，导致发电系统结构复杂、效率低和可靠性差的问题，本发明提供了一种飞轮储能变速发电系统，该飞轮储能变速发电系统具有两种结构，具体为：

第一种结构：

飞轮储能变速发电系统，包括多相永磁同步风力发电机1、功率变换器2、感应电动/发电机3和惯性飞轮4；

多相永磁同步风力发电机1具备1套定子绕组，多相永磁同步风力发电机1的定子绕组输出端同时连接功率变换器2的交流输入端和感应电动/发电机3的功率绕组首端，功率变换器2的交流输出端输出的交流电通过变压器接入电网，感应电动/发电机3的转子与惯性飞轮4同轴连接；

功率变换器2，用于将输入的交流电转化为直流电后，再将直流电转化为交流电输出。

第二种结构：

飞轮储能变速发电系统，包括多相永磁同步风力发电机1、功率变换器2、感应电动/发电机3和惯性飞轮4；

多相永磁同步风力发电机1的定子上有两套定子绕组，多相永磁同步风力发电机1的第一套定子绕组的输出端连接功率变换器2的交流输入端，多相永磁同步风力发电机1的第二套定子绕组的输出端连接感应电动/发电机3的功率绕组首端，功率变换器2的交流输出端输出的交流电通过变压器接入电网，感应电动/发电机3的转子与惯性飞轮4同轴连接；

功率变换器2，用于将输入的交流电转化为直流电后，再将直流电转化为交流电输出。

针对上述两种结构的飞轮储能变速发电系统，优选的是，感应电动/发电机3的定子上有两套绕组，分别为功率绕组和激磁绕组，感应电动/发电机3的激磁绕组的引出线上并接多相电容器组。

针对上述两种结构的飞轮储能变速发电系统，优选的是，感应电动/发电机3的功率绕组首端并接多相电容器组。

针对上述两种结构的飞轮储能变速发电系统，优选的是，感应电动/发电机3为笼型转子感应电机、实心转子感应电机、绕线型转子感应电机或无刷双馈型感应电机。

针对上述两种结构的飞轮储能变速发电系统，优选的是，功率变换器2的实现方式有三种：

第一种：功率变换器2采用AC/DC变换器2-1、电容器和DC/AC变换器2-2实现；电容器设置在AC/DC变换器2-1的直流输出端与DC/AC变换器2-2的直流输入端之间；

其中，AC/DC变换器2-1的交流输入端作为功率变换器2的交流输入端，DC/AC变换器2-2的交流输出端作为功率变换器2的交流输出端；

第二种：功率变换器2采用AC-AC变换器实现；

第三种：功率变换器2采用AC-DC-AC变换器实现。

针对上述两种结构的飞轮储能变速发电系统，优选的是，感应电动/发电机3的转子的动力输出端接机械负载，或与风力机、水轮机或其它动力机械连接。

针对上述第二种结构的飞轮储能变速发电系统，优选的是，多相永磁同步风力发电机1定子上的两套定子绕组相数可相同或不同。

针对上述两种结构的飞轮储能变速发电系统，优选的是，发电系统还包括交流斩波器，交流斩波器接在感应电动/发电机3的功率绕组的尾端。

本发明带来的有益效果是：

本发明所述飞轮储能变速发电系统主要包括多相永磁同步风力发电机1、功率变换器和应电动/发电机3。

本发明将储能用感应电动/发电机3直接并接到多相永磁同步风力发电机1的定子绕组输出端上，也即：本发明直接将储能用感应电动/发电机3直接加到多相永磁同步风力发电机1交流侧，省去了现有技术图1中储能电机侧AC-DC变换器，降低了风力发电机输出侧AC-DC功率变换器容量，减少了系统成本，提高了系统效率、动态响应和可靠性，简化了控制系统。

本发明的飞轮储能变速发电系统省去了现有技术图1中储能电机侧AC-DC变换器转换，并将储能电机直接接到交流侧，减少一级功率转化，具有能量转换效率高、成本低、寿命长、可靠性高、布置灵活、易于维护等特点。在风力发电系统、小水力发电系统中具有良好的应用前景。

附图说明

图1是现有技术中带有飞轮储能装置的永磁直驱风力发电系统结构图；

图2是当多相永磁同步风力发电机1具备1套定子绕组时，本发明所述的飞轮储能变速发电系统的结构示意图；

图3是当多相永磁同步风力发电机1具备2套定子绕组时，本发明所述的飞轮储能变速发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述飞轮储能变速发电系统，包括多相永磁同步风力发电机1、功率变换器2、感应电动/发电机3和惯性飞轮4；

多相永磁同步风力发电机1具备1套定子绕组，多相永磁同步风力发电机1的定子绕组输出端同时连接功率变换器2的交流输入端和感应电动/发电机3的功率绕组首端，功率变换器2的交流输出端输出的交流电通过变压器接入电网，感应电动/发电机3的转子与惯性飞轮4同轴连接；

功率变换器2，用于将输入的交流电转化为直流电后，再将直流电转化为交流电输出。

本发明通过将储能用感应电动/发电机3直接并接到多相永磁同步风力发电机1的定子绕组输出端上，也即：本发明直接将储能用感应电动/发电机3直接加到多相永磁同步风力发电机1交流侧，省去了现有技术中图1中储能电机侧AC-DC变换器，降低了风力发电机输出侧AC-DC功率变换器容量，减少了系统成本，提高了系统效率、动态响应和可靠性，简化了控制系统。

具体应用时，当感应电动/发电机3的转子惯量足够大时，感应电动/发电机3可不连接惯性飞轮4。

具体实施方式二：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式所述飞轮储能变速发电系统，包括多相永磁同步风力发电机1、功率变换器2、感应电动/发电机3和惯性飞轮4；

多相永磁同步风力发电机1的定子上有两套定子绕组，多相永磁同步风力发电机1的第一套定子绕组的输出端连接功率变换器2的交流输入端，多相永磁同步风力发电机1的第二套定子绕组的输出端连接感应电动/发电机3的功率绕组首端，功率变换器2的交流输出端输出的交流电通过变压器接入电网，感应电动/发电机3的转子与惯性飞轮4同轴连接；

功率变换器2，用于将输入的交流电转化为直流电后，再将直流电转化为交流电输出。

参见图1和图3，本发明通过将储能用感应电动/发电机3直接并接到多相永磁同步风力发电机1的定子绕组输出端上，也即：本发明直接将储能用感应电动/发电机3直接加到多相永磁同步风力发电机1交流侧，省去了现有技术中储能电机侧AC-DC变换器，降低了风力发电机输出侧AC-DC功率变换器容量，减少了系统成本，提高了系统效率、动态响应和可靠性，简化了控制系统。

本实施方式考虑到当感应电动/发电机3的转子惯量足够大，故感应电动/发电机3可不连接惯性飞轮4，还进一步考虑到了多相永磁同步风力发电机1的定子上有两套定子绕组时，所提供的飞轮储能变速发电系统各部件的具体连接。

具体应用时，当感应电动/发电机3的转子惯量足够大时，感应电动/发电机3可不连接惯性飞轮4。

具体实施方式三：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，感应电动/发电机3的定子上有两套绕组，分别为功率绕组和激磁绕组，感应电动/发电机3的激磁绕组的引出线上并接多相电容器组。

具体实施方式四：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，感应电动/发电机3的功率绕组首端并接多相电容器组。

具体实施方式五：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，感应电动/发电机3为笼型转子感应电机、实心转子感应电机、绕线型转子感应电机或无刷双馈型感应电机。

具体实施方式六：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，功率变换器2的实现方式有三种：

第一种：功率变换器2采用AC/DC变换器2-1、电容器和DC/AC变换器2-2实现；电容器设置在AC/DC变换器2-1的直流输出端与DC/AC变换器2-2的直流输入端之间；

其中，AC/DC变换器2-1的交流输入端作为功率变换器2的交流输入端，DC/AC变换器2-2的交流输出端作为功率变换器2的交流输出端；

第二种：功率变换器2采用AC-AC变换器实现；

第三种：功率变换器2采用AC-DC-AC变换器实现。

本优选实施方式中，功率变换器2采用AC/DC变换器2-1、电容器和DC/AC变换器2-2实现时；在AC/DC变换器2-1的直流输出端与DC/AC变换器2-2的直流输入端之间的电容器起到滤波和平滑的作用。

具体实施方式七：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，感应电动/发电机3的转子的动力输出端接机械负载，或与风力机、水轮机或其它动力机械连接。

具体实施方式八：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，多相永磁同步风力发电机1定子上的两套定子绕组相数可相同或不同。

具体实施方式九：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，发电系统还包括交流斩波器，交流斩波器接在感应电动/发电机3的功率绕组的尾端。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。