一种直驱式重力储能系统及其优化方法与流程

本发明属于新型储能，具体地，涉及一种直驱式重力储能系统及其优化方法。

背景技术：

1、新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，是实现碳达峰碳中和目标的重要支撑，也是催生国内能源新业态、抢占国际战略新高地的重要领域。随着新能源的大量开发利用，全国范围内大量电网已初步形成传统能源发电与新能源发电并存、集中式发电与分布式发电协调发展的格局。以风光为代表的大规模新能源并网既是现代电力系统的主要特征之一，也是其安全运行的核心挑战。

2、重力储能技术作为新型储能技术的重要组成部分，是指通过输运提升重物，将富裕电能转换、存储为重物的势能，在电网需要电能时刻将重物下放，实现势能向电能的转换，其具备环境友好、布置灵活、寿命长、无自放电等显著优势。如何保障新能源发电规模有序、稳定可靠、灵活高效地接入电力系统，对于进一步发展新能源技术，减少碳排放、达成碳中和有很大的推动作用。

3、因此，研究发展重力储能技术等新型储能技术是当今电力系统转型升级的重要任务，对提升电力系统调频动态性能，确保电网运行的可靠性和稳定性具有重要意义。

4、现有技术中的深井重力储能装置或高效重力储能装置，电机与重物之间需要配置减速器，通过减速器对重物下降时进行减速控制，这导致一定的能耗损失，降低了储能系统整体效率。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种直驱式重力储能系统及其优化方法，作为新型储能技术的典型代表，不含液力变矩器等减速结构，具有结构简单、效率高等优势，可以应用于重力储能装置设计与优化等应用场景。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明提出了一种电机直驱式重力储能系统，包括：电机，机械传动结构；电机转子与机械传动结构同轴相连。

4、电机直驱式重力储能系统包括：变流器；电机经变流器并网；根据电机的电磁转矩、定子磁链以及定子侧dq轴电压，确定定子磁链所在的扇区；查询扇区开关状态表确定变流器的pmw调制电压；根据pmw调制电压控制变流器开关管的导通或关断状态进行定子磁链定向，实现电机的低频调速控制。

5、电机直驱式重力储能系统还包括：支撑结构；

6、当电机布置在支撑结构的上方时构成电机高置式重力储能系统，当电机布置在支撑结构的下方时构成电机低置式重力储能系统。

7、电机高置式重力储能系统中，机械传动结构包括：绞盘，制动器，钢绳，重物；其中，绞盘与制动器同轴相连，绞盘通过钢绳与重物相连，并且绞盘和制动器也布置在支撑结构的上方。

8、电机低置式重力储能系统中，机械传动结构包括：绞盘，制动器，钢绳，重物，滑轮；其中，绞盘与制动器同轴相连，绞盘通过钢绳与滑轮相连，钢绳上固定重物，并且绞盘和制动器也布置在支撑结构的下方，滑轮吊装在支撑结构内。

9、变流器包括：机侧换流器，网侧换流器；电机转子经机侧换流器和网侧换流器接入电网，电机转子还接入电机转速传感器；

10、机侧换流器连接机侧换流器控制器和电磁转矩控制器，网侧换流器连接网侧换流器控制器和直流电压/电网无功控制器。

11、通过电机转速传感器电机的定子三相电压us_abc、定子三相电流is_abc以及转子角速度ωr；电网的三相电压uc_abc和三相电流ic_abc输入至并网控制器，并网控制器分别向网侧换流器控制器输入网侧无功给定值向机侧换流器控制器输入电磁转矩给定值网侧换流器控制器向直流电压/电网无功控制器输入网侧d轴电流ig_d和网侧q轴电流ig_q；机侧换流器控制器向电磁转矩控制器输入定子侧d轴电流is_d和定子侧q轴电流is_q；

12、同时，网侧三相电压ug_abc、网侧三相电流ig_abc和电网角速度ωc输入至网侧换流器控制器；直流电压/电网无功控制器向网侧换流器输入pwm调制电压，控制网侧换流器中开关管的导通或关断状态；电磁转矩控制器向机侧换流器输入pwm调制电压，控制机侧换流器中开关管的导通或关断状态。

13、根据电机转速传感器采集得到的电机的电压电流和转速，得到电磁转矩te和定子磁链ψ；将电磁转矩te和定子磁链ψ与对应给定值的差经过pi调节器得到定子侧dq轴电压us_d和us_q，将定子侧dq轴电压us_d和us_q合成为电压矢量的给定值，通过clark反变换和clark变换将us_d和us_q变换至αβ坐标系后进行扇区判定，得到定子磁链所在的扇区；通过对应的扇区开关状态表得到可以合成pmw调制电压的两个基本电压矢量和对应的零矢量长度，通过控制三相桥臂上的三组开关管按照对应电压矢量和零矢量的分布进行开通和关断实现定子磁链定向，从而实现对电机转矩的低频调速控制。

14、电机转子受重物固定转矩作用状态下，通过转子转动惯量、转速、机械转矩、电磁转矩以及轴系阻尼系数构成电动/发电运行状态中转子轴系传动方程，通过引入传动系统的惯性时间常数，以得到传动模型的传递函数。

15、低频调速控制策略包括：定子电压定向、电子磁链定向、转子磁链定向、直接转矩控制中的任意一种或者几种。

16、本发明还提出了一种直驱式重力储能系统的优化方法，包括：

17、步骤1，设计电气量与机械量初始化参数；

18、步骤2，选取材料参数，利用结构力学模块与ac/dc模块，建立直驱式重力储能有限元模型；

19、步骤3，利用matlab与comsol数据接口，调取有限元模型进行仿真计算，得到直驱式重力储能的关键参数；

20、步骤4，判断关键参数是否满足预设指标，若满足则结束优化，若不满足则进入步骤5；

21、步骤5，优化设备选型参数；

22、步骤6，优化几何设计参数。

23、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出的直驱式重力储能系统，解决了现有技术中存在的机械传动损耗较大，效率不够高以及重力储能暂无整体优化设计方法的现状，本发明提出的直驱式重力储能系统，作为新型储能技术的典型代表，不含液力变矩器等减速结构，具有结构简单、效率高等优势，可以应用于重力储能装置设计与优化等应用场景。

技术特征：

1.一种电机直驱式重力储能系统，包括：电机，机械传动结构；电机转子与机械传动结构同轴相连；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的电机直驱式重力储能系统，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的电机直驱式重力储能系统，其特征在于：

4.根据权利要求2所述的电机直驱式重力储能系统，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的电机直驱式重力储能系统，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的电机直驱式重力储能系统，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的电机直驱式重力储能系统，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的电机直驱式重力储能系统，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的电机直驱式重力储能系统，其特征在于：

10.一种直驱式重力储能系统的优化方法，适用于权利要求1至9任一项所述的系统，其特征在于，包括：

技术总结
一种电机直驱式重力储能系统及其优化方法，系统包括：电机，机械传动结构；电机转子与机械传动结构同轴相连；电机直驱式重力储能系统包括：变流器；电机经变流器并网；根据电机的电磁转矩、定子磁链以及定子侧dq轴电压，确定定子磁链所在的扇区；查询扇区开关状态表确定变流器的PMW调制电压；根据PMW调制电压控制变流器开关管的导通或关断状态进行定子磁链定向，实现电机的低频调速控制。本发明提出的一种电机直驱式重力储能系统作为新型储能技术的典型代表，不含液力变矩器等减速结构，具有结构简单、效率高等优势，可以应用于重力储能装置设计与优化等应用场景。

技术研发人员：张润涛,王向东,郝晓光,张志猛,李子璠
受保护的技术使用者：国网河北省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13