利用電能測(cè)量方法對(duì)500Wh飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的充放電效率進(jìn)行測(cè)量，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電循環(huán)的升速、降速范圍為12000r/min~36 000r/min~12000r/min，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得電機(jī)及其控制損耗為49%。分析表明，即使將電機(jī)效率、控制器效率提高到95%，系統(tǒng)充放電循環(huán)效率也難以超過80%。綜合考慮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)的能耗，探討了高效率飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行方式和條件，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于航天環(huán)境對(duì)提高充放電循環(huán)效率比較有利。

飛輪充放電效率測(cè)量

基于高速氣體離心機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)，清華大學(xué)在國(guó)內(nèi)較早開展了飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，于1997年研制成功300W·h飛輪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，2001年改型飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到42000r/min，碳纖維復(fù)合材料飛輪邊緣線速度達(dá)到660m/s，儲(chǔ)能500W·h，可用能量290W·h。

超高速離心機(jī)采用的永磁軸承-小型螺旋槽流體動(dòng)壓錐軸承的混合支撐方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低廉的突出優(yōu)點(diǎn)，其摩擦損耗微小，因此在飛輪儲(chǔ)能充放電、復(fù)合材料飛輪結(jié)構(gòu)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究中采用了這種混合支承[7-9]。如圖1所示，飛輪的上支承是永磁環(huán)和導(dǎo)磁環(huán)組成的非接觸永磁軸承，永磁軸承給轉(zhuǎn)子提供一定的軸向吸力，減輕下端錐軸承的軸向負(fù)載而減小軸承摩擦功耗。

為實(shí)現(xiàn)升速存儲(chǔ)動(dòng)能、降速釋放動(dòng)能，采用了電動(dòng)/發(fā)電互逆式永磁無刷直流電機(jī)。永磁部分為燒結(jié)釹鐵硼(NdFeB)永磁體，瓦片型，徑向磁化，結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用有鐵心電機(jī)，鐵心齒數(shù)為12，軛中嵌放對(duì)稱三相繞組，繞組為星形聯(lián)結(jié)，并與逆變器中各開關(guān)管相連，采用方波驅(qū)動(dòng)電流和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)控制器，實(shí)現(xiàn)飛輪系統(tǒng)的充放電。

電能測(cè)量

為了測(cè)量整個(gè)飛輪電機(jī)充放電效率，建立圖3所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。測(cè)量方法是:在設(shè)備電源輸入端安裝數(shù)顯三相電度表，直接測(cè)量輸入電能;輸出負(fù)載串聯(lián)電流表，并聯(lián)電壓表，再通過實(shí)時(shí)記錄的放電時(shí)間計(jì)算出放電量。測(cè)試充放電循環(huán)時(shí)，由于12000r/min以下，系統(tǒng)不能維持110V交流電壓，能量可用性差，因此確定充電循環(huán)飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速由12000r/min升速到36000r/min，發(fā)電循環(huán)轉(zhuǎn)速由36 000r/min降速到12 000r/min，充放電之間無待機(jī)空載狀態(tài)。飛輪電機(jī)放電深度:

充電、放電效率分析與測(cè)量 效率分析

(1)充電效率。充電效率定義為充電結(jié)束后飛輪(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J)轉(zhuǎn)速(單位為:r/min)由nь升到"，飛輪所具有的動(dòng)能與電機(jī)控制系統(tǒng)輸入電能E之比，即

放電效率。發(fā)電降速時(shí)，發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，電機(jī)回路有電流通過，鐵損、銅損同時(shí)存在，帶動(dòng)負(fù)載要經(jīng)過電力變換器而存在轉(zhuǎn)換能量損耗合稱發(fā)電損耗。但是目前這些損耗還不能通過試驗(yàn)方法直接測(cè)量，于是考慮采用間接測(cè)量的方法。通過記錄負(fù)載的電壓U和電流，得到負(fù)載功率P，開始放電時(shí)，便開始記錄時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過程中記錄負(fù)載的電壓U和電流了的同時(shí)需要記錄相應(yīng)的時(shí)間to，t，t2，3，t，…，將相鄰時(shí)間作差便得到了各個(gè)功率對(duì)應(yīng)的近似放電時(shí)間At=t-to，At2-t1，…，再將功率對(duì)時(shí)間積分，便得到負(fù)載有用功W

放電效率定義為放電結(jié)束后，飛輪轉(zhuǎn)速由降到n，系統(tǒng)放出的電能(負(fù)載有用功)與飛輪所具有的動(dòng)能之比，即充放電效率。飛輪電機(jī)充放電效率定義為放出能量(負(fù)載有用功)與系統(tǒng)輸入能量之比，即

選用EAK水冷泄放電阻器。440KW峰值功率計(jì)算的電阻方案：需要440KW/20KW=22個(gè)。根據(jù)進(jìn)出口水溫的要求，最好匹配48個(gè)我們的雙面水冷充放電電阻。

審核編輯 黃宇