1MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)永磁電機(jī)的研制

覃誠群　朱濤

摘 要：飛輪儲(chǔ)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(yīng)用于不間斷電源、新能源發(fā)電儲(chǔ)能、能量回收利用等能源領(lǐng)域。國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，清華大學(xué)等研究單位已掌握主要關(guān)鍵技術(shù)，處于商業(yè)應(yīng)用開拓發(fā)展期。飛輪儲(chǔ)能與發(fā)電機(jī)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(gè)產(chǎn)值 2 億元的穩(wěn)定市場。開發(fā)大能量低成本飛輪儲(chǔ)能陣列，形成電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能電站，可以應(yīng)用于風(fēng)能、太陽能發(fā)電，發(fā)展出一個(gè)產(chǎn)值 13 億元的新興市場。研究磁懸浮高端飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，形成先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能機(jī)組產(chǎn)品，占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)，可拓寬應(yīng)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(chǔ)能系統(tǒng);永磁電機(jī);一體化設(shè)計(jì)

一、概述

飛輪儲(chǔ)能的基本原理是電能與旋轉(zhuǎn)體動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換：在儲(chǔ)能階段，通過電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪，使飛輪加速到一定的轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能;在能量釋放階段，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，使飛輪減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪儲(chǔ)能在工程中早已得到大量應(yīng)用，與電機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)的現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能電源綜合了先進(jìn)復(fù)合材料轉(zhuǎn)子技術(shù)、磁軸承技術(shù)、高速電機(jī)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(chǔ)能電源商業(yè)化產(chǎn)品開始推廣，其中美國的飛輪儲(chǔ)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(jì)劃的支持，以美國為代表的國外現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能電源高技術(shù)在產(chǎn)業(yè)過程中迅速擴(kuò)張，目前全球有超過3000套基于飛輪儲(chǔ)能的大功率動(dòng)態(tài)不間斷電源系統(tǒng)（UPS）安全可靠運(yùn)行了上千萬小時(shí)，應(yīng)用于高質(zhì)量電力、風(fēng)力發(fā)電、車輛制動(dòng)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(dǎo)磁懸浮的大能量飛輪儲(chǔ)能電源，以延長飛輪發(fā)電時(shí)間到小時(shí)級(jí)別。

西方國際依據(jù)其技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，并在風(fēng)險(xiǎn)投資的引領(lǐng)下，在飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能電源系統(tǒng)。這些應(yīng)用包括可再生能源的儲(chǔ)能、高品質(zhì)供電、電網(wǎng)調(diào)頻、軌道交通車輛制動(dòng)動(dòng)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(chǔ)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(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)室開展西方國家80年代完成的工作。建立飛輪儲(chǔ)能裝置開展試驗(yàn)研究的有中科院電工研究所、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、核工業(yè)理化工程研究院研院等單位。復(fù)合材料飛輪設(shè)計(jì)技術(shù)國內(nèi)研究單位主要有鄭州大學(xué)、清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等。目前有多個(gè)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(dòng)機(jī)，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(jī)和泵類負(fù)載。

二、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造方面：增加飛輪儲(chǔ)能容量，由當(dāng)前的 10kWh 級(jí)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(jìn)復(fù)合材料。國外先進(jìn)復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能密度達(dá)到 100Wh/kg，考慮到先進(jìn)高強(qiáng)纖維的高技術(shù)貿(mào)易壁壘，國內(nèi)努力提高的的目標(biāo)是 50-80Wh/kg。

（2）國外飛輪儲(chǔ)能用高速電機(jī)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(jī)是國內(nèi)研發(fā)方向，需要顯著降低電機(jī)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(jī)技術(shù)已經(jīng)獲得突破，應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能，因適應(yīng)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(dòng)控制損耗，在現(xiàn)有的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中已經(jīng)得到大量應(yīng)用。高承載力、微損耗的高溫超導(dǎo)磁懸浮是大容量飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能單元采用模塊化設(shè)計(jì)，由多個(gè)模塊并聯(lián)成陣列式儲(chǔ)系統(tǒng)。目前國外的飛輪儲(chǔ)能電源陣列功率由 10MW 級(jí)向 100MW級(jí)發(fā)展，放電時(shí)間由分鐘向小時(shí)發(fā)展，模塊化運(yùn)行管理是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)大型化的主要方向。

三、1MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)永磁電機(jī)的研制

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由真空室、飛輪本體、軸承、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、雙向功率變換器五部分組成，要實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的突破就必須解決高速飛輪的材料強(qiáng)度及加工工藝、高速電機(jī)設(shè)計(jì)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(yīng)用的離心機(jī)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(jìn)來實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，只能依靠自主創(chuàng)新。我公司與清華大學(xué)合作研發(fā)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)一體化永磁電機(jī)，應(yīng)用于1MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。

（一） 飛輪儲(chǔ)能永磁電機(jī)技術(shù)要求

1、 飛輪儲(chǔ)能機(jī)組規(guī)格

發(fā)電功率：500-1000kW

電動(dòng)功率：100-300kW

可用儲(chǔ)能：42MJ

儲(chǔ)能效率：≥92%

釋能效率：≥92%

待機(jī)損耗： ≤20kW

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

防護(hù)等級(jí)：IP54

機(jī)組最大直徑：2000mm

2、電機(jī)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(jí)： H級(jí)

工作制： S1

安裝方式： 立式安裝

冷卻方式： 強(qiáng)制風(fēng)冷

（二） 飛輪儲(chǔ)能永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的因素

根據(jù)飛輪儲(chǔ)能電源永磁電機(jī)的要求，設(shè)計(jì)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(lán)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(chǔ)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(jìn)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(duì)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(fēng)摩損耗。但是如果磁場中有諧波或者磁場相對(duì)轉(zhuǎn)子有運(yùn)動(dòng)，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(yīng)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(dòng)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(jì)中應(yīng)使電機(jī)的功率因數(shù)接近1，此時(shí)轉(zhuǎn)子永磁材料的用量適當(dāng)。若進(jìn)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(duì)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(shí)的離心力需要由磁橋承擔(dān)，從強(qiáng)度角度希望磁橋厚，但是從電磁角度，過厚的磁橋會(huì)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(qiáng)度，將永磁體在寬度方向上分為多個(gè)小段，每小塊之間保留鐵心形成磁橋，用磁橋承擔(dān)離心力。

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

6、定子諧波磁場會(huì)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(duì)飛輪儲(chǔ)能永磁電機(jī)在儲(chǔ)能和放能過程中的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，結(jié)果見下表。

不同工況下的分析計(jì)算結(jié)果

（四）產(chǎn)品測試結(jié)果

1MW/60MJ飛輪儲(chǔ)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(duì)1MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算分析，產(chǎn)品試應(yīng)用于中原油田鉆井平臺(tái)上，在鉆井施工中所進(jìn)行的鉆機(jī)動(dòng)力調(diào)峰考核中，通過了5000次的考核運(yùn)行，節(jié)能效果良好，受到用戶的高度認(rèn)可。為開發(fā)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)配套永磁電機(jī)系列產(chǎn)品提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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