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1、飞轮储能技术在风力发电中的应用新能源.1998,20(4)飞-16~轮19储能技术在风罩的应用飞轮储能技术在风力发电中的应用郭培源鲍曼●..-●--～__●●_-.～(广东工业大学电气工程及自动化系-广州510090)摘要阐遵了飞轮储能鞋术的原理覆蛄椅.分析和探讨了应甩于风力发电的必要性tt后彳r培了闻内外研究的现状.关键词兰兰兰兰兰兰健0引言为了充分利用风能资源和解决边远山区无常规电网供电的问题,近年来风力发电在我国越来越受到重视,应用前景十分看好.由于风力大小和方向以及负荷是随机变化的,为了获得最佳电
2、能质量和提高风能利用率.以满足负荷需要,风力发电的控制方式和储能运行方式一直是人们注意的焦点.目前研究的风力/柴油供电,风力/蓄能供电以及风/光混合供电等方式都存在着许多技术问题,早在5O年代就有人提出利用高速旋转的飞轮储存剩余能量.并设想将其用于电动力车,但由于当时技术条件的限制,一直未取得突破性进展进入90年代以来,由于在以下三个方面取得了突破,给飞轮储能技术的应用带来了新的希望:一是超导磁悬浮技术的研究和真空技术的配合,把机械轴的摩擦损耗和风损耗降到了最低限度;二是高强度的碳素纤维材料(cFRP)问
3、世,允许线速度可达1000m/s以上,大大增加了飞轮的动能储量;三是最新电力电子技术的发展,给飞轮储能的电能和动能之间的转换提供了非常好的控制技术.目前,飞轮储能技术在国内外正处在加速研究阶段.1飞轮储能系统的结构和特点飞轮储能系统主要由三大部分组成:储?16?存能量用的转子系统,支撑转于的轴承兼密封装置系统,动能/电能转换的电动机/发电机系统.另外还需要一些附属系统,如真空,防护环和控制器等.其结构如图1所示.随护环圈1飞轮储能系统结构圈1.1飞轮转于飞轮转于是飞轮储能系统的重要组成部分.飞轮内储存的能
4、量可用下式表示:E—p??V(1)式中:P是储能飞轮形状系数,是飞轮最大周向拉伸强度,y是飞轮体积.作用在轴承上的飞轮重量为:W—K?V(2)式中表示飞轮材料的比重.由(1),(2)式得:E一…?(3)式中/K称为材料的比强度.为了能够使飞轮内储存的能量最大,飞轮要选取比强度大的材料.表1列出了几种可选做飞轮材料的参数,其中碳棠纤维材料的比强度较其它材料高得多,特别适合选做飞轮材料.裹1飞轮材质1.2磁悬浮轴承系南屯轴承系统是用来支撑飞轮转子的.由于飞轮转速特别高,直径为0.632m的飞轮,最高转速可达4
5、7.352r/s.传统的机械式轴承摩擦力大,且高速下寿命短,故不宜采用.若果用永磁铁和电磁铁组成的混和式磁悬浮轴承系统,利用永久磁铁之间的排斥力支撑飞轮重量,采用电磁铁进行飞轮稳定控制,则可有效地减小摩擦力,提高使用寿命.但是,这种磁悬浮轴承系统的稳定控制系统比较复杂.目前正在研究的高温超导磁悬浮轴承是利用永久磁铁的磁通被超导体阻挡而产生的排斥力,使飞轮处于悬浮状态,这种排斥力具有自控性和过去的能动性磁悬浮轴承不同,它无需供电,也不需要复杂的位置控制系统,具有转速高,摩擦小的优点,而且可使轴承结构紧凑,实
6、现小型化.1.3电曲机/发电机系蜿飞轮储能系统是通过电动机/发电机系统与外界交换能量.储存能量时,飞轮储能系统处于电动机运行状态,飞轮加速i释放能量时,飞轮储能系统处于发电机运行状态,飞轮减速.电动机/发电机系统与电力变频控制装置可以采用多种组合方式.由于飞轮是在密封的真空中运转,所以适合采用无刷励磁的永磁电机和高效电力变颇控制装置的组合形式.新型大功率开关器件(IGBT),先进的转换回路和变压器的有效组成,可使电能转换效率达到95以上.2飞轮储能技术在风力发电系统中的应用我国风力发电机的推广应用已进人世
7、界先进行列,已有1O万台风力发电机组投人运行.应用天地广阔,不仅在国内有着市场,而且存在着出口国外市场的光明前景.当风速发生变化时,可改变桨距角来控制风力发电机的输出功率,以使额定输出功率保持不变.但这时存在两个问题:一是风能资源不能充分利用,部分风能被"弃掉;二是由于自然风处在不断的变化之中,需要经常改变桨距角,逮必然导致桨叶连杆部分机械零件的磨损.为了减少磨损,必须限制桨叶的可变速度和可变频率.因此,桨叶角要完全随风速变化是很难做到的.另外,负荷状态也是随机变化的,很难保证供电的质量.所以,一种既能满
8、足负荷电能质量要求,又能最大限度地利用风力资源的最佳储能控制方式备受人们的关注.目前正在研究和应用风力/柴油供电,风力/蓄能供电等方式都存在一定向题.为了连续供电,柴油机必然要不停地运转,以应付由于负载增大或风力减小而引起的输出功率缺额,运行费用昂贵,甚至有可能超过节省燃料的费用.风力/蓄能供电方式中,由于蔷电池体积庞大且昂贵,充电/放电频繁故障率又非常地高.正在研究的储能技术有超导储能技术,压缩空气储能技术,飞轮储能技术.超
