利用電能測量方法對500Wh飛輪儲能實驗系統(tǒng)的充放電效率進行測量，飛輪儲能系統(tǒng)充放電循環(huán)的升速、降速范圍為12000r/min~36 000r/min~12000r/min，實驗中測得電機及其控制損耗為49%。分析表明，即使將電機效率、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%。綜合考慮飛輪儲能系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)的能耗，探討了高效率飛輪儲能系統(tǒng)的運行方式和條件，飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于航天環(huán)境對提高充放電循環(huán)效率比較有利。

飛輪充放電效率測量

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

超高速離心機采用的永磁軸承-小型螺旋槽流體動壓錐軸承的混合支撐方式具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本低廉的突出優(yōu)點，其摩擦損耗微小，因此在飛輪儲能充放電、復(fù)合材料飛輪結(jié)構(gòu)技術(shù)的實驗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載而減小軸承摩擦功耗。

為實現(xiàn)升速存儲動能、降速釋放動能，采用了電動/發(fā)電互逆式永磁無刷直流電機。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，鐵心齒數(shù)為12，軛中嵌放對稱三相繞組，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)動電流和數(shù)字信號處理(DSP)控制器，實現(xiàn)飛輪系統(tǒng)的充放電。

電能測量

為了測量整個飛輪電機充放電效率，建立圖3所示實驗系統(tǒng)。測量方法是:在設(shè)備電源輸入端安裝數(shù)顯三相電度表，直接測量輸入電能;輸出負載串聯(lián)電流表，并聯(lián)電壓表，再通過實時記錄的放電時間計算出放電量。測試充放電循環(huán)時，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，充放電之間無待機空載狀態(tài)。飛輪電機放電深度:

充電、放電效率分析與測量 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)動慣量為J)轉(zhuǎn)速(單位為:r/min)由nь升到"，飛輪所具有的動能與電機控制系統(tǒng)輸入電能E之比，即

放電效率。發(fā)電降速時，發(fā)電機帶負載運行，電機回路有電流通過，鐵損、銅損同時存在，帶動負載要經(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方法直接測量，于是考慮采用間接測量的方法。通過記錄負載的電壓U和電流，得到負載功率P，開始放電時，便開始記錄時間。實驗過程中記錄負載的電壓U和電流了的同時需要記錄相應(yīng)的時間to，t，t2，3，t，…，將相鄰時間作差便得到了各個功率對應(yīng)的近似放電時間At=t-to，At2-t1，…，再將功率對時間積分，便得到負載有用功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(負載有用功)與飛輪所具有的動能之比，即充放電效率。飛輪電機充放電效率定義為放出能量(負載有用功)與系統(tǒng)輸入能量之比，即

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

審核編輯 黃宇