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      1MW飛輪儲能系統(tǒng)永磁電機的研制

      2019-06-11 18:50:34覃誠群朱濤
      科學與財富 2019年9期
      關(guān)鍵詞:一體化設(shè)計

      覃誠群 朱濤

      摘 要:飛輪儲能是一種新型大功率、長壽命和環(huán)境特性友好的高新技術(shù),可應用于不間斷電源、新能源發(fā)電儲能、能量回收利用等能源領(lǐng)域。國外已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化應用,清華大學等研究單位已掌握主要關(guān)鍵技術(shù),處于商業(yè)應用開拓發(fā)展期。飛輪儲能與發(fā)電機組組合,形成大功率高品質(zhì)不間斷供電系統(tǒng),可以在國內(nèi)UPS 行業(yè)開拓發(fā)展出一個產(chǎn)值 2 億元的穩(wěn)定市場。開發(fā)大能量低成本飛輪儲能陣列,形成電網(wǎng)規(guī)模的儲能電站,可以應用于風能、太陽能發(fā)電,發(fā)展出一個產(chǎn)值 13 億元的新興市場。研究磁懸浮高端飛輪儲能技術(shù),形成先進飛輪儲能機組產(chǎn)品,占領(lǐng)技術(shù)制高點,可拓寬應用于能量再生、高功率脈沖電源等潛在領(lǐng)域。

      關(guān)鍵詞:飛輪儲能系統(tǒng);永磁電機;一體化設(shè)計

      一、概述

      飛輪儲能的基本原理是電能與旋轉(zhuǎn)體動能之間的轉(zhuǎn)換:在儲能階段,通過電動機拖動飛輪,使飛輪加速到一定的轉(zhuǎn)速,將電能轉(zhuǎn)化為動能;在能量釋放階段,電動機作發(fā)電機運行,使飛輪減速,將動能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪儲能在工程中早已得到大量應用,與電機結(jié)合實現(xiàn)電能的存儲的現(xiàn)代飛輪儲能電源綜合了先進復合材料轉(zhuǎn)子技術(shù)、磁軸承技術(shù)、高速電機以及功率電子技術(shù)而極大地提高了性能,在2000年前后,現(xiàn)代飛輪儲能電源商業(yè)化產(chǎn)品開始推廣,其中美國的飛輪儲能技術(shù)處于領(lǐng)先地位。

      經(jīng)過50年的長期積累與國家科技計劃的支持,以美國為代表的國外現(xiàn)代飛輪儲能電源高技術(shù)在產(chǎn)業(yè)過程中迅速擴張,目前全球有超過3000套基于飛輪儲能的大功率動態(tài)不間斷電源系統(tǒng)(UPS)安全可靠運行了上千萬小時,應用于高質(zhì)量電力、風力發(fā)電、車輛制動能再生等領(lǐng)域,這些產(chǎn)品已經(jīng)從2005年登陸中國市場。大容量飛輪調(diào)頻示范電站正在美國建立,為降低自放電率,美國、日本、德國都在大力研發(fā)基于高溫超導磁懸浮的大能量飛輪儲能電源,以延長飛輪發(fā)電時間到小時級別。

      西方國際依據(jù)其技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢,并在風險投資的引領(lǐng)下,在飛輪儲能的各種技術(shù)路線下大力研究,開發(fā)出各種不同用途的飛輪儲能電源系統(tǒng)。這些應用包括可再生能源的儲能、高品質(zhì)供電、電網(wǎng)調(diào)頻、軌道交通車輛制動動能再生等領(lǐng)域。德國的Piller公司、美國的Active電源公司、Pentdyn公司都在搶占中國市場。

      國內(nèi)自80年代關(guān)注飛輪儲能技術(shù)開始,自90年代開始關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究,建立試驗裝置,在實驗室開展西方國家80年代完成的工作。建立飛輪儲能裝置開展試驗研究的有中科院電工研究所、清華大學、華北電力大學、北京航空航天大學、中科院長春光學精密機械與物理研究所、核工業(yè)理化工程研究院研院等單位。復合材料飛輪設(shè)計技術(shù)國內(nèi)研究單位主要有鄭州大學、清華大學、中國科技大學、北京航空航天大學等。目前有多個單位正在研發(fā)轉(zhuǎn)速為15000~25000 r/min 功率為75~250kW的高速電動機,主要用于石油化工、天然氣輸送及污水處理等高速離心壓縮機和泵類負載。

      二、飛輪儲能技術(shù)發(fā)展趨勢

      (1)系統(tǒng)設(shè)計與制造方面:增加飛輪儲能容量,由當前的 10kWh 級提高到100kWh。技術(shù)途徑有兩條:一是采用重型金屬材料飛輪;二是提高轉(zhuǎn)速,采用先進復合材料。國外先進復合材料飛輪儲能密度達到 100Wh/kg,考慮到先進高強纖維的高技術(shù)貿(mào)易壁壘,國內(nèi)努力提高的的目標是 50-80Wh/kg。

      (2)國外飛輪儲能用高速電機技術(shù)日趨成熟,轉(zhuǎn)速超過 10000 轉(zhuǎn)/分、功率超過 100 千瓦的高速電機是國內(nèi)研發(fā)方向,需要顯著降低電機的損耗,以利于控制系統(tǒng)的損耗。國內(nèi) 3000-8000 轉(zhuǎn)左右的 100-1000 千瓦的永磁同步電機技術(shù)已經(jīng)獲得突破,應用于飛輪儲能,因適應真空環(huán)境還需要降低損耗并提高效率。

      (3)采用磁懸浮以降低損耗,電磁、永磁混合軸承技術(shù)趨于成熟,研究方向是減低主動控制損耗,在現(xiàn)有的飛輪儲能系統(tǒng)中已經(jīng)得到大量應用。高承載力、微損耗的高溫超導磁懸浮是大容量飛輪儲能系統(tǒng)的軸承發(fā)展方向,在國外研究投入較大,國內(nèi)研究投入力量很少。

      (4)為提高功率、能量容量,飛輪儲能單元采用模塊化設(shè)計,由多個模塊并聯(lián)成陣列式儲系統(tǒng)。目前國外的飛輪儲能電源陣列功率由 10MW 級向 100MW級發(fā)展,放電時間由分鐘向小時發(fā)展,模塊化運行管理是飛輪儲能系統(tǒng)大型化的主要方向。

      三、1MW飛輪儲能系統(tǒng)永磁電機的研制

      飛輪儲能系統(tǒng)主要由真空室、飛輪本體、軸承、電動/發(fā)電機、雙向功率變換器五部分組成,要實現(xiàn)飛輪儲能技術(shù)的突破就必須解決高速飛輪的材料強度及加工工藝、高速電機設(shè)計技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)、真空密封技術(shù)、電磁軸承等核心技術(shù),而這些高技術(shù)與核工業(yè)中應用的離心機技術(shù)由很大相似之處,這就決定了不可能依靠技術(shù)引進來實現(xiàn)技術(shù)突破,只能依靠自主創(chuàng)新。我公司與清華大學合作研發(fā)電動/發(fā)電機一體化永磁電機,應用于1MW飛輪儲能系統(tǒng)。

      (一) 飛輪儲能永磁電機技術(shù)要求

      1、 飛輪儲能機組規(guī)格

      發(fā)電功率:500-1000kW

      電動功率:100-300kW

      可用儲能:42MJ

      儲能效率:≥92%

      釋能效率:≥92%

      待機損耗: ≤20kW

      飛輪電機軸系工作轉(zhuǎn)速:1200-2700-1200r/min

      防護等級:IP54

      機組最大直徑:2000mm

      2、電機規(guī)格

      額定功率: 1000 kW

      額定電壓: 600 V AC

      工作轉(zhuǎn)速: 1200-2700 rpm

      工作頻率: 40-80 Hz

      額定效率: 95%

      功率因數(shù): 0.95

      額定電流: 1050A AC

      過載倍數(shù): 1.5

      絕緣等級: H級

      工作制: S1

      安裝方式: 立式安裝

      冷卻方式: 強制風冷

      (二) 飛輪儲能永磁電機結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的因素

      根據(jù)飛輪儲能電源永磁電機的要求,設(shè)計中考慮以下因素:

      1、轉(zhuǎn)子處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài),永磁體與轉(zhuǎn)軸之間的固定需要特別考慮,因此采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),將永磁體放置在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部,參見下圖,其中藍色和褐色的為永磁塊。該結(jié)構(gòu)永磁塊形狀簡單,為矩形塊。

      2、飛輪儲能裝置放置在充氦的密閉腔體內(nèi),轉(zhuǎn)子只能通過氦氣與外部進行熱交換,散熱不良。由于永磁體布置在轉(zhuǎn)子上,為了降低轉(zhuǎn)子的溫升,需要降低轉(zhuǎn)子的損耗。理想狀態(tài)下轉(zhuǎn)子相對磁場靜止,沒有鐵損耗,轉(zhuǎn)子無繞組也不存在銅損耗,只有轉(zhuǎn)子與氦氣之間的風摩損耗。但是如果磁場中有諧波或者磁場相對轉(zhuǎn)子有運動,則轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體上將產(chǎn)生損耗。為降低轉(zhuǎn)子損耗,應使定子繞組產(chǎn)生的磁場盡可能正弦,所以定子繞組采用分布短距繞組以削弱定子繞組的諧波磁動勢。每極每相槽數(shù)為3,節(jié)距為8/9。

      3、為降低電力電子控制裝置的容量,減小裝置的電流,設(shè)計中應使電機的功率因數(shù)接近1,此時轉(zhuǎn)子永磁材料的用量適當。若進一步減少永磁用量,電流將反而增大,增大定子繞組和電力電子裝置的電流。

      4、對于內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),永磁體和磁極部分鐵心在高速旋轉(zhuǎn)時的離心力需要由磁橋承擔,從強度角度希望磁橋厚,但是從電磁角度,過厚的磁橋會增大轉(zhuǎn)子的漏磁,是永磁體產(chǎn)生的磁通直接在轉(zhuǎn)子上流通,而不交鏈定子。為增加轉(zhuǎn)子強度,將永磁體在寬度方向上分為多個小段,每小塊之間保留鐵心形成磁橋,用磁橋承擔離心力。

      5、內(nèi)置式永磁電機磁阻轉(zhuǎn)矩的利用。磁阻轉(zhuǎn)矩的利用在電動機中是提高轉(zhuǎn)矩密度的重要手段,但作為發(fā)電機,由于磁阻轉(zhuǎn)矩在大部分功角范圍內(nèi)都是負值,與電磁永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向相反,在設(shè)計中需要減弱磁阻轉(zhuǎn)矩的作用。

      6、定子諧波磁場會在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生渦流,引起損耗,為了將轉(zhuǎn)子的熱量有效散出,轉(zhuǎn)子表面涂一層吸熱發(fā)光材料,該材料可吸收轉(zhuǎn)子的熱量,通過散發(fā)紅外線釋放熱量,將轉(zhuǎn)子的熱在真空環(huán)境傳遞到定子殼體。

      (三)各工作狀態(tài)分析

      對飛輪儲能永磁電機在儲能和放能過程中的各個狀態(tài)進行了詳細計算,結(jié)果見下表。

      不同工況下的分析計算結(jié)果

      (四)產(chǎn)品測試結(jié)果

      1MW/60MJ飛輪儲能電源系統(tǒng)充放電性能測試

      1200-2700轉(zhuǎn)/分,升速過程中,充電功率為200kW。

      2700-2200轉(zhuǎn)/分,降速過程中,發(fā)電功率為1000kW。

      四、結(jié)束語

      本文對1MW飛輪儲能系統(tǒng)永磁電機設(shè)計進行了計算分析,產(chǎn)品試應用于中原油田鉆井平臺上,在鉆井施工中所進行的鉆機動力調(diào)峰考核中,通過了5000次的考核運行,節(jié)能效果良好,受到用戶的高度認可。為開發(fā)飛輪儲能系統(tǒng)配套永磁電機系列產(chǎn)品提供了寶貴經(jīng)驗。

      參考文獻:

      [1]上海電器科學研究所編·中小型電機·機械工業(yè)出版社,1986.

      [2]唐任遠·現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計.機械工業(yè)出版社,1997.

      [3]徐君賢·電機與電器制造工藝學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

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