500 kW飞轮储能电源系统设计与实验研究

戴兴建，张超平，王善铭，姜新建，李胜忠

（1.清华大学工程物理系，北京 100084；2.中原石油勘探局，河南濮阳 357000；3.清华大学电机工程系，北京 100084；4.中原油田勘探局钻井三公司，河南开封 475300）

钻机是钻井施工的主要装备，其动力通常由柴油机组或天然气发动机组提供，动力机组的输出特性柔性不足，难以适应钻机负载的频繁大幅度波动，为保证冲击载荷下不停机，动力系统运行功率冗余容量较多。中原石油勘探局技术人员提出在钻机动力系统中引进飞轮储能装置实现动力调峰运行:在低负荷时利用动力机组的冗余出力带动直流调峰电机发电，给飞轮储能电源充电；在尖峰负荷出现时，飞轮储能电源放电，驱动直流调峰电机做电动运行，向动力系统提供充足的补充转矩。调峰运行的动力机组运行平稳，并可减少冗余容量，有利于节能减排。飞轮储能具有高功率、寿命长、响应快的优点，是动力系统频繁调峰的优选储能技术[1-5]。

经过钻机动力系统实际工况功率测试，确定冲击负荷幅度为500～300 kW，时间为2～20 s。柴油机组可用冗余动力容量为100～150 kW，可利用时间长度为80～120 s。据此参数确定飞轮储能电源工作方式为：电动90～130 kW，持续120 s，发电300～500 kW，持续20 s。调峰运行系统中的飞轮储能电源和通常的飞轮储能电源区别在于小功率电动、大功率发电，具有功率放大的特点。

1 飞轮储能电源系统总体结构

1.1 总体结构参数

总体设计功率及能量参数依据钻机动力系统能源与负载之间的关系确定，以满足调峰要求为目标，系统能量利用效率要求＞80%。经过各系统设计及可行性论证，得到如下总体结构参数。

循环工作转速：1 800～3 600～1 800 r/m in；飞轮电机总动能：16.3MJ；飞轮电机功率：300～500 kW；飞轮电机轴系转动惯量：230 kg·m2；飞轮最高线速度：226m/s；机组总高：2 200 mm；机组最大外径：1 600mm；系统总质量：4 500 kg。

1.2 飞轮电机轴系

经优化设计，飞轮外经确定为1 200mm，质量1 100 kg，采用高强度合金结构钢35CrMoA，其截面采用近似等强度结构形状，并且将质心外移。采用立式支承：上端采用非接触永磁吸力轴承卸载飞轮电机总质量的90%～95%，以减少轴承摩擦损耗。下端采用高速滚动轴承定位，并在飞轮底端设计保护轴承。为承担永磁电机磁偏拉力，上端采用轻载径向定位轴承。图1为飞轮电机轴系。

图1 飞轮电机轴系

1.3 500 kW永磁同步电机

飞轮储能因要求高能量密度、高功率密度而需要电机采用高速设计。飞轮储能电机特点是电动、发电两用，宽转速范围工作，因真空条件或密封充氦而转子散热困难。采用了永磁同步电机作为电动/发电双向电机，为减少磁偏拉力不均匀性又不过高要求功率器件开关频率，采用4极结构。

1.4 电动/发电控制器

功率主电路参数：电力输入直流母线电压（750±50）V，直流母线最大电流700 A，功率器件IGBT为1 700 V/2 000 A模块，直流电容为1 200V/10 000μF，散热方式采用强迫风冷。控制器为6U机箱，采用TMS320F28335的DSP控制芯片，电动/发电控制主功率电路如图2所示。

图2 电动/发电控制主功率电路

1.5 辅助系统

采用微机检测系统检测机壳内密封氦气压力、机组振动、轴系转速、电机电流和电压等参数。外部散热通风采用集中吸气轴流风机，电机壳体冷却、飞轮壳体冷却风道串联。所有旋转部件密封在机组壳体内，充入氦气。

2 关键技术设计

2.1 永磁轴承设计与实验

采用单磁环内嵌在磁轭中，永磁环与导磁静环、动环转子共同形成闭合磁路，磁环材料是钕铁硼NdFeB，永磁轴承的动环为软磁材料，采用40Cr钢。使用有限元磁场分析，获得磁密、磁力线分布等特征，调整结构，在给定磁气隙条件下获得最大的永磁吸力。

建立了永磁轴承吸力测试平台，测量结果表明在额定工作气隙2mm时，卸载力约为10 802 N。两个永磁吸力轴承串联分布在轴系上，形成20 000 N的合成卸载力，调整永磁轴承静环与动环之间的气隙，达到设计的永磁卸载15 000 N要求。计算表明，如采用滚动轴承来承担15 000 N，其摩擦损耗约为6 000W。

2.2 永磁电机设计

转子处于高速旋转状态，采用内置式转子结构，将永磁体放置在转子铁心内部，永磁体为矩形块。永磁体和磁极部分铁心在高速旋转时的离心力需要由磁桥承担，将永磁体在宽度方向上分为多个小段，每小块之间保留铁心形成磁桥，用磁桥承担离心力(见图3所示)。

图3 电机转子离心载荷MISES应力分布

飞轮储能装置放置在充氦的密闭腔体内，转子只能通过氦气与外部进行热交换，散热不良。为降低转子损耗，定子绕组采用分布短距绕组以削弱定子绕组的谐波磁动势，设计中绕组每极每相槽数为3，节距为8（极距为9）。

为提高电机效率，采用了降低铁损耗，适当提高铜损耗，使永磁电机的铁损耗和铜损耗在接近满负荷500 kW附近达到相等，此时效率最高。在其他工作状态下效率也接近最高，从而提高整体效率，500 kW高速永磁电机主要技术参数如表1所示。

电机内部铁心损耗发热直接通过铁心和机座，传导到散热筋。绕组的铜损耗经过绝缘后传导到铁心、机座、散热筋。转子损耗的热量由内部闭式风路循环，将热量由专门的通风道，传递到机座外的散热筋。计算结果表明外部风路冷却风机功率1.7 kW，流量1m3/s，可将转子及绕组的温度控制在90℃以内。

表1 500 kW高速永磁电机主要技术参数

2.3 旋转部件结构强度设计

飞轮储能电源的核心部件是高速旋转的飞轮、电机转子，因离心力载荷引起结构应力、应变是引起飞轮电机轴系强度破坏的决定性因素。因飞轮电机转子的结构较为复杂，需要采用有限元强度分析方法，建立合理的旋转结构强度分析模型，利用ANSYS软件进行计算，根据计算结果，调整优化飞轮的形状、电机转子的形状。

经过优化设计计算，采用变截面的合金钢结构，材料选用35CrMoA，飞轮Mises应力小于200MPa，如图4所示，安全系数为2.5以上。电机转子硅钢片内最大应力处为磁桥根部为130MPa，如图3所示，约为硅钢片拉伸强度的1/3。

图4 飞轮离心载荷下的应力分布

2.4 充放电控制策略

电机的调速控制一般采用矢量控制技术，但是不同电机的控制策略有较大差别，也与飞轮系统的主要参数密切相关。飞轮储能电源系统的充放电控制策略如图5及图6所示。

图5 飞轮充电控制策略

3 充放电运行实验

3.1 轴系动平衡测试

飞轮电机轴系工作在较高速区间，测试表明，平衡不好的机组顶端振动幅值可高达0.3mm以上。转子必须经过精密的现场动平衡：即在机组实际状态下进行动平衡，在设计的轴系上下两个平衡面的平衡槽内安置平衡质量块。本机平衡后高速区振动小于20μm，共振区小于80μm，如图7所示。

图6 飞轮放电控制策略

图7 动平衡后振动测量

3.2 机械损耗测试

电机空载运行时，飞轮电机旋转轴系（转动惯量为Jp）因与氦气摩擦、轴承摩擦等损耗引起飞轮动能损失，速度降低。测量转速n降低δn所需时间为δt，由下式计算出空载待机能量损耗功率[6]。

在图8中，飞轮储能电源系统3 600 r/m in时待机损耗为9 800W，1 800 r/m in时2 300W。

图8 飞轮电机空载降速过程

测试表明，以小电流维持3 600 r/min待机运行，充氦气条件下需要的输入功率为12 kW，而大气条件下的待机输入功率为25 kW，因此充氦降低风损极为有效。

3.3 充放电效率测试

飞轮电机储能电源系统充放电效率定义为发电降速释放电能与电动升速输入电能之百分比[7]。

式中：Pgi为电力控制器时刻ti发电功率；Pmj为时刻tj电动输入功率。

由图9中数据求和得到输入电能为13.3MJ，再由图10中数据求和得到释放电能为11.4 MJ，于是充放电效率为86%。飞轮电机轴系3 600 r/min时总动能为16.3MJ，降速到1 800 r/m in时释放动能为12.2MJ，据此计算出电动储能效率为92%，发电释能效率为94%。

图9 升速储能电动功率及时间历程

图10 降速释能发电功率及时间历程

4 结论

研制的国内首套大功率工业飞轮储能电源达到了电动110 kW、发电300～500 kW的预定技术指标，突破了钻机动力调峰系统研制项目的核心储能技术。该飞轮储能电源系统经适当改装，可应用于轨道交通刹车动能再生、高品质UPS、可再生能源品质调整等领域。

采用吸力15 000 N的大型双永磁轴承与滚动轴承实现了高速飞轮电机轴系的低损耗立式支承结构，合金结构钢高速飞轮实现转速3 600转/分，边缘线速度226m/s。利用密封壳体内充入氦气的方法有效的减少了高速飞轮的风摩擦损耗，3 600 r/min时机械损耗为9 800W。测试表明，500 kW飞轮电机储能电源系统在1 800～3 600～1 800 r/m in区间充放电循环效率为86%，其中电动效率92%，发电效率94%。

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