[发明专利]一种储能和驱动集成装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种储能和驱动一体化的集成装置。

背景技术

在机动车辆启动、机动车辆冲击试验、移动机械加速试验、电磁加速系统等快速运动领域，需要瞬间提供较大的能量和功率、并将该较大的能量和功率转换为机械加速运动，为此需要储能装置、能量转换装置以及驱动机械传动装置。上述运行方式的一个重要特点是间歇性工作，动作时间很短，瞬间输出功率很高。与上述工作相对应的方法为储能方法、发电方法和电机驱动方法。

目前储能方法主要有基于电容器的电场储能、基于电感的磁场储能、基于电池的化学储能、基于惯性的飞轮储能，以及抽水蓄能、压缩空气储能等等。飞轮储能具有储能密度大、效率高、功率强、响应速度快、使用寿命长、地理环境适应性好等诸多优点，是目前最有发展前途的储能技术之一。

目前的飞轮储能系统是将电能或其他动能转化为飞轮动能，然后再通过飞轮带动发电机将动能转化为电能，以此来调节输出的电功率。飞轮储能已经开始应用于新能源电网调频调峰、电网安全稳定控制、电能质量治理、轨道交通和电动汽车车辆供电、功率脉冲电源等领域。但是，上述应用比较关注飞轮储能系统的储能容量、自放电率以及发电电压的稳定性等，在将储存的能量释放时，都是以电能的形式输出，若要驱动负载机械，必须再借助于电动机的输出、将电能转换为可控制的机械能，进行能量的二次转化，即实施“惯性能→电能→机械能”的转换过程，至少需要“飞轮储能发电机”+“驱动电动机”两套独立机构，使系统装置复杂，不利于系统效率的提高。尤其是对于间歇性、短时冲击型负载，若要将存储的能量以电能的形式释放，并将释放的较大能量供给电动机以驱动机械负载，运行过程会给系统的各个环节造成比较严重的电气和机械冲击，同时庞大的体积和质量不适合于经常移动场合的应用。

在工业调速领域得到应用的电磁耦合调速电机(也称电磁滑差调速电机)是一种由主动转子和从动转子组成的双转子电机，由该电机组成的调速系统至少包括原电动机、电磁耦合调速电机、输出机械三部分，原电动机功率不小于电磁耦合调速电机功率、外部电源持续提供调速需要的功率。通过调节电磁耦合调速电机的励磁功率，实现将原电动机输出轴和电磁耦合调速电机的主动转子的旋转机械能转换为从动转子和负载旋转机械能，实现对从动转子和负载的调速。在调速过程中原电动机和与之联接的电磁耦合调速电机的主动转子转速不变，从动转子和输出负载转速改变。

王承煦等在清华大学学报1980年第20卷第31期中发表的“变速恒频发电系统的理论分析及实验研究”提出了将电磁耦合调速电机(文中称为电磁滑差连接装置)应用于风力发电中的变速恒频发电系统中。当风机的转速由于风速的变化而改变时，与之联接的电磁耦合调速电机的主动轴转速将随之改变，但与交流同步发电机硬性联接的电磁耦合调速电机的从动轴转速则可以通过调节电磁耦合调速电机的励磁电流而维持不变。所以该变速恒频发电系统是在风机及发电机之间藉助电磁耦合调速电机的电磁联系实现滑差联接，在风机风速多变的情况下，保证电磁耦合调速电机输出轴和发电机电枢的转速不变、从而使发电机输出稳定频率的电源。其系统组成至少包括风机、电磁耦合调速电机和发电机，输出量为电能。

陈基和等在清华大学学报自然科学版2011年第51卷第3期中发表的文章“基于电磁耦合器调速的新变速恒频风力发电机组”提出采用变频器供电的三相交流绕组取代上述王承煦提出的电磁耦合调速电机中的直流励磁绕组，实时调节主动转子(外转子)三相励磁绕组中电流，从而控制电磁耦合器传递的转矩、使电磁耦合调速电机输出轴和发电机电枢转速不变。该文章涉及的系统组成也至少包括风机、电磁耦合调速电机和发电机，输出量为电能。

发明内容

本发明的目的是克服现有储能和驱动分离装置系统复杂、可靠性低、抗冲击性弱的缺点，提出一种储能和驱动集成装置。本发明将惯性储能与电磁耦合调速电机相结合，实现将惯性储能直接转化成机械能输出。

本发明的储能和驱动集成装置具有加速储能和驱动负载两种工作模式，在加速储能模式中，变流器控制较小功率的储能电动机带动储能驱动电机的主动转子和飞轮在较长的时间内从静止逐渐加速到较高的转速，将电能量以动能形式存储起来；在驱动负载模式中，励磁电源向励磁绕组提供需要的励磁电流，在储能驱动电机的主动转子和从动转子之间的气隙中建立磁场并在储能驱动电机的两个转子中产生电磁转矩，使从动转子和负载加速、主动转子减速，将储存的能量在较短时间内直接以从动转子的机械能形式释放出去。