500 kW飛輪儲能電源系統設計與實驗研究

戴興建，張超平，王善銘，姜新建，李勝忠

（1.清華大學工程物理系，北京 100084；2.中原石油勘探局，河南濮陽 357000；3.清華大學電機工程系，北京 100084；4.中原油田勘探局鉆井三公司，河南開封 475300）

鉆機是鉆井施工的主要裝備，其動力通常由柴油機組或天然氣發動機組提供，動力機組的輸出特性柔性不足，難以適應鉆機負載的頻繁大幅度波動，為保證沖擊載荷下不停機，動力系統運行功率冗余容量較多。中原石油勘探局技術人員提出在鉆機動力系統中引進飛輪儲能裝置實現動力調峰運行:在低負荷時利用動力機組的冗余出力帶動直流調峰電機發電，給飛輪儲能電源充電；在尖峰負荷出現時，飛輪儲能電源放電，驅動直流調峰電機做電動運行，向動力系統提供充足的補充轉矩。調峰運行的動力機組運行平穩，并可減少冗余容量，有利于節能減排。飛輪儲能具有高功率、壽命長、響應快的優點，是動力系統頻繁調峰的優選儲能技術[1-5]。

經過鉆機動力系統實際工況功率測試，確定沖擊負荷幅度為500～300 kW，時間為2～20 s。柴油機組可用冗余動力容量為100～150 kW，可利用時間長度為80～120 s。據此參數確定飛輪儲能電源工作方式為：電動90～130 kW，持續120 s，發電300～500 kW，持續20 s。調峰運行系統中的飛輪儲能電源和通常的飛輪儲能電源區別在于小功率電動、大功率發電，具有功率放大的特點。

1 飛輪儲能電源系統總體結構

1.1 總體結構參數

總體設計功率及能量參數依據鉆機動力系統能源與負載之間的關系確定，以滿足調峰要求為目標，系統能量利用效率要求＞80%。經過各系統設計及可行性論證，得到如下總體結構參數。

循環工作轉速：1 800～3 600～1 800 r/m in；飛輪電機總動能：16.3MJ；飛輪電機功率：300～500 kW；飛輪電機軸系轉動慣量：230 kg·m2；飛輪最高線速度：226m/s；機組總高：2 200 mm；機組最大外徑：1 600mm；系統總質量：4 500 kg。

1.2 飛輪電機軸系

經優化設計，飛輪外經確定為1 200mm，質量1 100 kg，采用高強度合金結構鋼35CrMoA，其截面采用近似等強度結構形狀，并且將質心外移。采用立式支承：上端采用非接觸永磁吸力軸承卸載飛輪電機總質量的90%～95%，以減少軸承摩擦損耗。下端采用高速滾動軸承定位，并在飛輪底端設計保護軸承。為承擔永磁電機磁偏拉力，上端采用輕載徑向定位軸承。圖1為飛輪電機軸系。

圖1 飛輪電機軸系

1.3 500 kW永磁同步電機

飛輪儲能因要求高能量密度、高功率密度而需要電機采用高速設計。飛輪儲能電機特點是電動、發電兩用，寬轉速范圍工作，因真空條件或密封充氦而轉子散熱困難。采用了永磁同步電機作為電動/發電雙向電機，為減少磁偏拉力不均勻性又不過高要求功率器件開關頻率，采用4極結構。

1.4 電動/發電控制器

功率主電路參數：電力輸入直流母線電壓（750±50）V，直流母線最大電流700 A，功率器件IGBT為1 700 V/2 000 A模塊，直流電容為1 200V/10 000μF，散熱方式采用強迫風冷。控制器為6U機箱，采用TMS320F28335的DSP控制芯片，電動/發電控制主功率電路如圖2所示。

圖2 電動/發電控制主功率電路

1.5 輔助系統

采用微機檢測系統檢測機殼內密封氦氣壓力、機組振動、軸系轉速、電機電流和電壓等參數。外部散熱通風采用集中吸氣軸流風機，電機殼體冷卻、飛輪殼體冷卻風道串聯。所有旋轉部件密封在機組殼體內，充入氦氣。

2 關鍵技術設計

2.1 永磁軸承設計與實驗

采用單磁環內嵌在磁軛中，永磁環與導磁靜環、動環轉子共同形成閉合磁路，磁環材料是釹鐵硼NdFeB，永磁軸承的動環為軟磁材料，采用40Cr鋼。使用有限元磁場分析，獲得磁密、磁力線分布等特征，調整結構，在給定磁氣隙條件下獲得最大的永磁吸力。

建立了永磁軸承吸力測試平臺，測量結果表明在額定工作氣隙2mm時，卸載力約為10 802 N。兩個永磁吸力軸承串聯分布在軸系上，形成20 000 N的合成卸載力，調整永磁軸承靜環與動環之間的氣隙，達到設計的永磁卸載15 000 N要求。計算表明，如采用滾動軸承來承擔15 000 N，其摩擦損耗約為6 000W。

2.2 永磁電機設計

轉子處于高速旋轉狀態，采用內置式轉子結構，將永磁體放置在轉子鐵心內部，永磁體為矩形塊。永磁體和磁極部分鐵心在高速旋轉時的離心力需要由磁橋承擔，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(見圖3所示)。

圖3 電機轉子離心載荷MISES應力分布

飛輪儲能裝置放置在充氦的密閉腔體內，轉子只能通過氦氣與外部進行熱交換，散熱不良。為降低轉子損耗，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，設計中繞組每極每相槽數為3，節距為8（極距為9）。

為提高電機效率，采用了降低鐵損耗，適當提高銅損耗，使永磁電機的鐵損耗和銅損耗在接近滿負荷500 kW附近達到相等，此時效率最高。在其他工作狀態下效率也接近最高，從而提高整體效率，500 kW高速永磁電機主要技術參數如表1所示。

電機內部鐵心損耗發熱直接通過鐵心和機座，傳導到散熱筋。繞組的銅損耗經過絕緣后傳導到鐵心、機座、散熱筋。轉子損耗的熱量由內部閉式風路循環，將熱量由專門的通風道，傳遞到機座外的散熱筋。計算結果表明外部風路冷卻風機功率1.7 kW，流量1m3/s，可將轉子及繞組的溫度控制在90℃以內。

表1 500 kW高速永磁電機主要技術參數

2.3 旋轉部件結構強度設計

飛輪儲能電源的核心部件是高速旋轉的飛輪、電機轉子，因離心力載荷引起結構應力、應變是引起飛輪電機軸系強度破壞的決定性因素。因飛輪電機轉子的結構較為復雜，需要采用有限元強度分析方法，建立合理的旋轉結構強度分析模型，利用ANSYS軟件進行計算，根據計算結果，調整優化飛輪的形狀、電機轉子的形狀。

經過優化設計計算，采用變截面的合金鋼結構，材料選用35CrMoA，飛輪Mises應力小于200MPa，如圖4所示，安全系數為2.5以上。電機轉子硅鋼片內最大應力處為磁橋根部為130MPa，如圖3所示，約為硅鋼片拉伸強度的1/3。

圖4 飛輪離心載荷下的應力分布

2.4 充放電控制策略

電機的調速控制一般采用矢量控制技術，但是不同電機的控制策略有較大差別，也與飛輪系統的主要參數密切相關。飛輪儲能電源系統的充放電控制策略如圖5及圖6所示。

圖5 飛輪充電控制策略

3 充放電運行實驗

3.1 軸系動平衡測試

飛輪電機軸系工作在較高速區間，測試表明，平衡不好的機組頂端振動幅值可高達0.3mm以上。轉子必須經過精密的現場動平衡：即在機組實際狀態下進行動平衡，在設計的軸系上下兩個平衡面的平衡槽內安置平衡質量塊。本機平衡后高速區振動小于20μm，共振區小于80μm，如圖7所示。

圖6 飛輪放電控制策略

圖7 動平衡后振動測量

3.2 機械損耗測試

電機空載運行時，飛輪電機旋轉軸系（轉動慣量為Jp）因與氦氣摩擦、軸承摩擦等損耗引起飛輪動能損失，速度降低。測量轉速n降低δn所需時間為δt，由下式計算出空載待機能量損耗功率[6]。

在圖8中，飛輪儲能電源系統3 600 r/m in時待機損耗為9 800W，1 800 r/m in時2 300W。

圖8 飛輪電機空載降速過程

測試表明，以小電流維持3 600 r/min待機運行，充氦氣條件下需要的輸入功率為12 kW，而大氣條件下的待機輸入功率為25 kW，因此充氦降低風損極為有效。

3.3 充放電效率測試

飛輪電機儲能電源系統充放電效率定義為發電降速釋放電能與電動升速輸入電能之百分比[7]。

式中：Pgi為電力控制器時刻ti發電功率；Pmj為時刻tj電動輸入功率。

由圖9中數據求和得到輸入電能為13.3MJ，再由圖10中數據求和得到釋放電能為11.4 MJ，于是充放電效率為86%。飛輪電機軸系3 600 r/min時總動能為16.3MJ，降速到1 800 r/m in時釋放動能為12.2MJ，據此計算出電動儲能效率為92%，發電釋能效率為94%。

圖9 升速儲能電動功率及時間歷程

圖10 降速釋能發電功率及時間歷程

4 結論

研制的國內首套大功率工業飛輪儲能電源達到了電動110 kW、發電300～500 kW的預定技術指標，突破了鉆機動力調峰系統研制項目的核心儲能技術。該飛輪儲能電源系統經適當改裝，可應用于軌道交通剎車動能再生、高品質UPS、可再生能源品質調整等領域。

采用吸力15 000 N的大型雙永磁軸承與滾動軸承實現了高速飛輪電機軸系的低損耗立式支承結構，合金結構鋼高速飛輪實現轉速3 600轉/分，邊緣線速度226m/s。利用密封殼體內充入氦氣的方法有效的減少了高速飛輪的風摩擦損耗，3 600 r/min時機械損耗為9 800W。測試表明，500 kW飛輪電機儲能電源系統在1 800～3 600～1 800 r/m in區間充放電循環效率為86%，其中電動效率92%，發電效率94%。

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