【CN109995182A】船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法【专利】
飞轮储能系统概述
飞轮储能系统概述1飞轮储能产品结构及工作原理飞轮储能技术是利用互逆式双向电机（电动/发电机）实现电能与高速旋转飞轮的机械能之间相互转换的一种储能技术。
飞轮储能系统除了飞轮转子以外，还必须拥有电磁悬浮轴承、高速永磁同步电动/发电机、电力电子整流逆变控制装置、真空室及真空维持系统等五大部分组成，用以保证储能飞轮转子系统在无摩擦、无磨损的环境中高效运转。
图1 飞轮储能装置结构示意图飞轮转子是飞轮储能系统的关键核心部件。
目前市场上较为常见的是钢制飞轮，采用碳纤维材料制造的飞轮转子比较少，主要原因是碳纤维飞轮设计存在比较大的技术难度，再加上国内目前技术开发能力主要是模仿、引进、消化国外技术，真正能做到自主研发的企业不多。
常见飞轮外形分为轮式、盘式或柱式等。
电磁悬浮轴承是飞轮转子系统的支承部件，这种支承方式的主要特点是无摩擦、无损耗、高效率。
可以显著降低飞轮储能过程中的自耗电能量损失。
电动/发电机是一种可逆高速永磁同步电机，即具有电动机和发电机双重功能。
当由外部电力接入时，电机可以拖动飞轮升速达到最大储能转速，到达这个转速即表示飞轮储能充电完成（充满了电）。
此时切断外部电源，电能已经转化成了机械能保持惯性高速旋转。
当外部有负载接入时，高速永磁同步电机在飞轮机械转矩的作用下对外发电。
电机的电动/发电状态是通过电力电子整流逆变控制装置来实现的。
真空室及真空维持系统主要作用是为飞轮提供真空环境以降低风阻损耗。
飞轮储能系统是将能量以高速旋转飞轮的转动动能的形式来存储起来的装置。
它有三种模式：充电模式、放电模式、保持模式。
充电模式即飞轮转子从外界吸收能量,使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来，充电过程飞轮做加速运动，直到达到设定的转速；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能,再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现机械能到电能的转化，此时飞轮将做减速运动，飞轮转速将不断降低，直到达到设定的转速；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。
飞轮储能应用
能量储存技术是一个世界性的研究课题，为了更有效地利用现有的能源就需要发展先进节能技术和储能技术。
长期以来，电能的储存一般采用化学蓄电池，而近十几年，飞轮储能技术得到了迅速的发展。
由于其具有使用寿命长、功率密度高、储能密度大、基本不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境无危害等优点，比使用蓄电池储能具有更大的优越性。
飞轮储能技术在电网调峰、电动汽车、航空航天、不间断供电备用电源UPS等诸多领域都有广泛的应用前景。
近年来，与飞轮储能技术密切相关的三项技术取得了重要突破；一是磁悬浮技术的研究进展很快，磁悬浮配合真空技术，可把轴系的摩擦损耗和风损降低到人们所期望的限度；二是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，允许飞轮边缘速度达到l 000 m／s以上，大大增加了单位质量的动能储存量；三是现代电力电子技术的发展给飞轮电机与配电网系统之间的能量交换提供了灵活的桥梁。
这三项技术的新进展，使飞轮储能技术取得了突破性的进展，并在许多领域中获得成功应用，其潜在价值和优越性逐渐体现出来。
在实际应用中，经常要使飞轮储能系统运行于发电运行状态单独给负荷供电，如飞轮储能系统应用于太阳能发电时，需要在无光照的条件下独立向负荷供电，而当飞轮储能系统用作UPS时，需要在电网供电中断或供电不正常的情况下独立向重要负荷供电。
然而，由于电机运行于发电状态时，其绕组电动势的大小与飞轮的转速成正比，而飞轮转速会随着电能的释放而逐渐降低，这样将不能满足向负荷供电的要求。
负荷的波动也会引起电机定子绕组端电压的变化。
因此，有必要设计合理的电路和控制方法使飞轮储能系统发出的电能能够满足负荷的要求。
在合理选择飞轮电机的基础上，设计了飞轮储能系统运行于减速发电状态并向负荷供电时的主电路结构，建立了飞轮储能系统的数学模型，重点对如何实现飞轮储能系统对负荷恒电压供电的控制策略进行了研究。
飞轮储能系统的构成飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。
飞轮储能型液压抽油机的系统设计
飞轮储能型液压抽油机的系统设计韩景山【摘要】结合轴向柱塞泵和飞轮技术,进行了飞轮储能型液压抽油机的系统设计.下冲程,轴向柱塞泵工作在液压马达工况,抽油杆和抽油泵的重力势能推动井口液压缸的液压油回流而驱动轴向柱塞泵高速转动,转化并储存为飞轮高速转动的惯性势能;上冲程,轴向柱塞泵工作在液压泵工况,飞轮释放的惯性势能和电动机一起驱动轴向柱塞泵向井口液压缸提供高压的液压油,带动抽油杆和抽油泵而实现采出液的举升.研制的新型液压抽油机在胜利油田的一口油井上进行了现场应用,与安装在同一口油井的游梁式抽油机相比,新型液压抽油机在空间布置、节能和自动化技术等方面具有明显的优势.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2018(047)002【总页数】4页(P42-45)【关键词】液压抽油机;飞轮储能;轴向柱塞泵;节能【作者】韩景山【作者单位】国家采油装备工程技术研究中心,山东东营257200;胜利油田高原石油装备有限责任公司,山东东营257200【正文语种】中文【中图分类】TE933.1采用曲柄连杆机构的游梁式抽油机是目前应用最为广泛的机型，占国内机采井的80%左右。
随着油气田开发的深入，游梁式抽油机运行效率低、调节不方便等问题越来越突出[1-3]。
为此，需要研制新型抽油机，满足节能减排的要求[4]。
与电动机可以逆向转变为发电机一样，轴向柱塞泵可以逆向转变为液压马达，能够实现能量的转变[5-6]。
新设计的抽油机结合上述技术，采用轴向柱塞泵作为能量回收装置，飞轮作为能量储存装置，实现能量的回收储存和再利用[7]。
下冲程时，轴向柱塞泵将抽油杆和抽油泵的重力势能推动井口液压缸的液压油回流而驱动轴向柱塞泵高速转动，转化并储存为飞轮高速转动的惯性势能；上冲程时，飞轮释放的动能和电动机一起驱动轴向柱塞泵向液压缸供油，带动抽油杆和抽油泵上行而实现采出液的举升。
1 工作原理飞轮储能型液压抽油机的系统原理如图1所示。
电动机输出轴与轴向柱塞泵连接，通过交流接触器控制电动机的通断电；电动机尾轴与飞轮连接，通过电磁离合器控制飞轮与电动机尾轴的连接状态；轴向柱塞泵的出口连接液压缸的有杆腔，通过改变流经轴向柱塞泵的油流方向和大小控制液压缸的运动方向和速度。
飞轮储能系统的工作原理分析
飞轮储能系统的工作原理分析飞轮储能系统是一种常见的能量存储和释放装置，其工作原理基于机械能的转化和存储。
本文将对飞轮储能系统的工作原理进行详细分析。
一、飞轮储能系统的基本结构飞轮储能系统由主要组成部分组成，包括飞轮、轴承、电机/发电机、能量转换装置以及控制系统。
1. 飞轮：飞轮是飞轮储能系统最核心的部分，通常由高强度材料制成，如碳纤维复合材料。
其结构设计旨在保证机械能的存储和释放效率。
2. 轴承：轴承用于支撑和保持飞轮的旋转，通常采用高性能轴承，如磁悬浮轴承或气体轴承，以减小能量损失和摩擦。
3. 电机/发电机：电机用于将电能转化为机械能，使飞轮旋转起来；发电机则负责将旋转的机械能转化为电能，实现能量的存储。
4. 能量转换装置：能量转换装置用于控制能量的流动和转化，以确保能量的高效传输。
常见的装置包括液力耦合器、离合器等。
5. 控制系统：控制系统用于监测和控制飞轮储能系统的运行，包括电压、转速、温度等参数的检测和调节，以确保系统的安全和稳定。
二、飞轮储能系统的工作原理飞轮储能系统的工作原理基于动能的存储和释放。
其整体工作流程可以分为三个主要阶段，即储能阶段、存储阶段和释能阶段。
1. 储能阶段：在储能阶段，电机驱动飞轮进行高速旋转，将电能转化为机械能并存储在飞轮中。
电机通过电源获得能量，并通过能量转换装置将能量输入到飞轮上。
2. 存储阶段：在存储阶段，飞轮继续保持高速旋转，机械能得以有效存储。
此时，控制系统负责监测和调节飞轮的转速和温度，以确保飞轮处于安全运行状态。
3. 释能阶段：在需要释放能量时，控制系统通过控制电机/发电机的工作模式来实现能量的释放。
如果需要将储存的机械能转化为电能供外部使用，则发电机将以逆向的方式工作，将机械能转化为电能输出；如果需要将储存的机械能转化为机械功对外界进行作业，则电机将输出能量，驱动外部设备工作。
三、飞轮储能系统的优势和应用领域1. 优势：飞轮储能系统具有高功率密度、快速响应、长寿命和高效率等优点。
机械工程中飞轮能量存储系统设计分析
机械工程中飞轮能量存储系统设计分析概述：飞轮能量存储系统是一种利用高速旋转的飞轮来储存能量的机械装置。
其原理是将电能通过电动机传递给飞轮，使飞轮高速旋转。
当需要释放能量时，通过与发电机相连来逆转电动机，将飞轮的动能转化为电能输出。
在该能量转换过程中，飞轮作为能量的中介，起到了储能和释能的关键角色。
一、飞轮能量储存系统的组成飞轮能量储存系统由主要以下几部分组成：1. 飞轮：飞轮是整个储能系统的核心部分，它通过高速旋转实现能量的储存。
飞轮的惯性决定了能量储存的容量和释放能力。
因此，飞轮的设计及材料选择至关重要。
2. 电动机和发电机：电动机负责将电能传递给飞轮，使其旋转；而发电机则在需要释放能量时将飞轮的动能转化为电能输出。
3. 控制系统：控制系统负责监测储能和释能过程中的动态参数，并根据需要控制电动机和发电机的工作状态。
它保证储能系统的稳定运行，以及能量的高效储存和释放。
4. 储能单元：储能单元用于储存电能，在电能输入阶段，电能首先储存在储能单元中，待需要释放能量时再由储能单元向飞轮输送电能。
二、飞轮能量储存系统的设计考虑因素在设计飞轮能量储存系统时，需要考虑以下因素：1. 飞轮的材料选择：由于飞轮要承受高速旋转的压力和冲击力，因此其材料需要具备高强度、高硬度和良好的耐磨性。
常用的材料有钢、铝合金和碳纤维等。
2. 飞轮的形状和尺寸：飞轮的形状和尺寸直接影响其惯性矩和储能能力。
合理选择飞轮的尺寸和形状可以提高能量储存效率和安全性能。
3. 控制系统的设计：控制系统需要精确监测飞轮的转速、温度和压力等参数，并根据需要调整电动机和发电机的工作状态。
合理设计控制系统可以保证储能系统的稳定运行和高效储能。
4. 储能单元的选择：储能单元需要具备高能量密度和长寿命的特点。
目前常用的储能单元包括超级电容器和锂电池等。
根据实际需求选择适当的储能单元可以提高储能系统的性能和效率。
三、飞轮能量储存系统的应用领域飞轮能量储存系统在许多领域都有着广泛的应用：1. 新能源领域：飞轮能量储存系统可以与风力、太阳能等新能源发电装置相结合，解决新能源波动性大、不稳定的问题，提高能源利用效率。
具有飞轮储能装置的船舶电力推进 系统研究
具有飞轮储能装置的船舶电力推进系统研究摘要：由于螺旋桨运行工况的改变，船舶电力推进系统存在功率回馈和母线电压波动等问题。
为此，将飞轮储能技术应用到船舶电力推进系统中。
结合母线电压和功率传递的需求，设计了以母线电压控制为主、功率控制为辅的飞轮储能装置的控制方案。
结合船舶电力推进系统的正反转切换控制的仿真，对功率流动和母线电压波动情况进行了研究。
依托飞轮储能装置的调节，可以有效地提高电力推进系统的运行效率和母线电压稳定性。
关键词：飞轮储能；螺旋桨；控制策略；仿真1 引言船舶综合电力推进系统实现了推进系统和电力系统的完美结合，它是一个拥有较低的生命周期成本,能源使用和转换效率高、模块化和通用化等发展前景的船舶推进系统。
它还提高了船舶供电系统的可靠性，增加了船舶的灵活性[1]。
船舶电网于地上电网不同，船舶电网的主要负载为推进负载，在减速停车或螺旋桨正反转切换过程中，常常伴随有功率回馈问题。
为避免这部分功率冲击船舶电网，普遍采用能耗制动的方式将这部分能量消耗掉，造成浪费。
为解决该问题，采用飞轮储能技术是一个较为合理的方案。
其主要任务是，利用飞轮储能装置的储能和释能过程来实现对回馈能量的吸收和再利用，同时，调节船舶电力推进系统的母线电压，改善电网电能质量。
2 船舶系统结构设计系统的总体方案图如图（1）所示。
G GM~SM飞轮三绕组变压器十二脉冲整流器日用负载螺旋桨负载六相同步电机飞轮电机三电平逆变器1三电平逆变器2图（1）系统总体方案图图中，采用了两台1250KW的同步发电机，其输出电压为660V。
推进电机采用了六相同步电动机，其功率为200KW，额定电压为690V，转速调节范围为40~450r/min。
在总线上，经交-直-交电力转换器将电源转换为所需的电压和频率供给推进电机，以驱动螺旋桨负载。
飞轮储能装置经由三电平逆变器连接到推进系统的直流母线侧，根据直流母线电压的变化来控制飞轮储能装置。
2.1 螺旋桨负载反转特性研究船舶电力推进电动机控制系统必须考虑船舶螺旋桨推进器负载的特性。
飞轮储能工作原理 -回复
飞轮储能工作原理-回复飞轮储能工作原理是一种利用旋转的机械能存储和释放能量的技术。
飞轮储能系统由一个或多个高速旋转的飞轮、轴承、电机以及控制系统组成。
在储能过程中，飞轮通过电机转动并将电能转化为机械能，存储起来。
在释放能量时，机械能再次转化为电能并供给电网或特定设备使用。
本文将一步一步回答有关飞轮储能工作原理的问题，让我们一起来了解。
第一步：飞轮的选择和设计飞轮是储能系统中最关键的部件之一。
选择合适的飞轮材料和尺寸是确保储能系统稳定运行的重要因素。
常见的飞轮材料包括高强度钢、碳纤维复合材料等。
飞轮的直径和质量决定了其能够存储的能量量，同时也受到轴承和驱动电机的承受能力的限制。
飞轮的转速一般会很高，通常在几千转/分钟到几万转/分钟之间。
第二步：飞轮的旋转和控制为了实现高速旋转，飞轮通常由电机带动。
控制系统通过电机的转速控制来保证飞轮旋转的稳定性和安全性。
传统的控制方法包括PID控制和自适应控制等。
当飞轮达到预定转速后，控制系统会根据外部需求控制转速的增加或减少。
第三步：储能过程在储能过程中，控制系统将电能转化为机械能，驱动飞轮高速旋转。
通过电机的功率输入，飞轮的转速逐渐增加，并储存一定的机械能。
这种机械能的储存方式类似于自行车的运动过程，可以将电能转化为动能，存储在旋转的飞轮中。
第四步：储能过程中的能量损耗在飞轮旋转的过程中，会受到摩擦力、空气阻力、轴承摩擦等因素的影响，引起能量损耗。
为了减少能量损耗，储能系统通常采用高精度轴承和润滑装置来降低损耗。
此外，还可以通过减小空气阻力和合理设计轴承系统来降低能量损耗。
第五步：释放能量过程在需要释放储存的能量时，控制系统将机械能转化为电能。
这一过程与储能过程相反。
通过控制飞轮的转速，控制系统可以将旋转的机械能转化为电能，并将其供给电网或特定设备使用。
根据实际需要，控制系统可以灵活地调整飞轮的转速和功率输出。
总结：飞轮储能系统通过高速旋转的飞轮将电能转化为机械能进行储存，实现能量的高效存储和释放。
飞轮储能在舰船中压直流电力系统中的应用
165
图 3 飞轮储能系统充电框图
图 4 功率控制器框图
I* dc
≈
-
3ω
f
ψ
f
i
∗ q
2U dc
（7）
变换器控制方式 3. 1 DC/DC
图 5 的双向半桥 DC-DC 变换器是连接飞轮储
能和母线的纽带，实现能量的双向流动以及稳定
母线电压在 5 kV，可被看作由一个 Buck 电路和一
个 Boost 电路组合而成的变换器。它由两个开关
环 控 制 、电 压 闭 环 控 制 和 输 出 电 流 闭 环 控 制 等 。
其 中 直 接 功 率 控 制 能 ［12］ 提 高 变 换 器 动 态 响 应 速
度，快速响应负载功率需求，及时稳定母线电压。
DC/DC 直接功率控制原理如图 6 所示。根据脉冲
负载所需要的飞轮储能释放的功率 Pfw 与 DC-DC 变 换 器 电 压 反 馈 值 Ufw 得 到 电 流 参 考 值 I ；当 fw，ref Pfw> 0，飞轮处于放电状态时，Ifw，ref> 0，飞轮储能 通过 DC-DC 变换器释放能量；当 Pfw< 0，飞轮处 于充电状态时，Ifw，ref< 0，飞轮储能通过 DC-DC 变 换器吸收能量；当 Pfw=0，飞轮处于保持状态时， Ifw，ref=0，飞轮储能与舰船 MVDC 电力系统没有能 量交换。将得到的 Ifw，ref 与当前变换器电流 Ifw 作比 较，生成 PWM 脉冲控制变换器开关管的导通和关
3 飞轮储能系统的控制策略
飞 轮 储 能 系 统 处 于 电 动 状 态 时 ，永 磁 同 步 电
动机的控制方式一般分为转速控制、功率控制、母
线电压控制 3 种，当用于具有强直流电压源的系统
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(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910359322.8
(22)申请日 2019.04.30
(71)申请人 大连海事大学
地址 116026 辽宁省大连市高新园区凌海
路1号
(72)发明人 李文华 岳英杰 张存有 孙玉清
张君彦 张金男 周性坤 林珊颖
韩凤翚 刘雄雁
(74)专利代理机构 大连东方专利代理有限责任
公司 21212
代理人 王志强 李洪福
(51)Int.Cl.
H02K 7/02(2006.01)
H02J 3/30(2006.01)
B63H 23/02(2006.01)
(54)发明名称
船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及
其使用方法
(57)摘要
本发明提供一种船舶主机与飞轮储能系统
联合工作装置及其使用方法，包括：为船舶提供
推进动力的主机系统、可储存能量的飞轮储能系
统、配电系统和能量管理系统，船舶主机通过离
合器传动连接有传动轴系，传动轴系前端设置有
螺旋桨，传动轴系通过齿轮箱与轴带发电机连
接，使传动轴系的旋转能够带动轴带发电机发
电，或传动轴系在轴带发电机的驱动下旋转。
本
发明所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作
装置及其使用方法，将飞轮储能系统应用于船
舶，通过能量管理系统使飞轮储能装置与船舶主
机联合工作，使主机可持续运转于低油耗工况，节省成本，并可维持船舶主机工作于较高负荷，有利于其运转以及减少有害排放，增加工作寿命，
减少维修保养。
权利要求书2页 说明书6页 附图1页CN 109995182 A 2019.07.09
C N 109995182
A
权 利 要 求 书1/2页CN 109995182 A
1.一种船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，包括：
主机系统，包括船舶主机、离合器、传动轴系、螺旋桨、齿轮箱和轴带发电机，所述船舶主机通过离合器传动连接有传动轴系，所述传动轴系前端设置有螺旋桨，且所述螺旋桨在传动轴系的驱动下旋转，推动船舶前进，所述传动轴系通过齿轮箱与轴带发电机连接，使所述传动轴系的旋转能够通过齿轮箱带动所述轴带发电机发电，或所述传动轴系通过齿轮箱在所述轴带发电机的驱动下旋转；
飞轮储能系统，包括飞轮、可逆式电动/发电机和真空室，所述飞轮和可逆式电动/发电机设于所述真空室，且所述可逆式电动/发电机用于驱动所述飞轮旋转蓄能或在飞轮的惯性旋转驱动下带动所述可逆式电动/发电机发电；
配电系统，包括主配电板、第一电子电力元件和第二电子电力元件，所述主配电板通过第一电子电力元件连接有所述轴带发电机，且所述轴带发电机通过第一电子电力元件向所述主配电板输送电力，或所述轴带发电机在主配电板分配的电力驱动下旋转，并通过齿轮箱、传动轴系带动所述螺旋桨旋转工作；
当船舶主机低负荷工况至指定值，所述轴带发电机发电，且将电力依次通过第一电子电力元件、主配电板和第二电子电力元件，传输至飞轮储能系统，驱动所述可逆式电动/发电机旋转，进而带动飞轮旋转蓄能；
当船舶主机高负荷工况至指定值，或故障不工作时，所述飞轮惯性旋转带动所述可逆式电动/发电机发电，且将电力依次通过第二电子电力元件、主配电板和第一电子电力元件，传输至所述轴带发电机，驱动所述轴带发电机旋转，通过齿轮箱带动传动轴系及螺旋桨旋转。
2.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述真空室内设有旋转轴，所述旋转轴的前后两端分别设有第一轴承和第二轴承，所述飞轮和可逆式电动/发电机设于所述旋转轴上。
3.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述的飞轮为高强度复合材料制成的高速飞轮。
4.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述的可逆式电动/发电机采用直流永磁无刷同步电机。
5.根据权利要求2所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述第一轴承和第二轴承为磁悬浮轴承，且在所述旋转轴上设有机械保护轴承，用于磁悬浮轴承失效时支撑旋转轴。
6.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述第一电子电力元件和第二电子电力元件为具有双向变流功能的电力转换器。
7.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述飞轮储能系统还设有监测飞轮转速的监控仪表。
8.一种上述权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
当船舶抛锚、等引水或进出港时，船舶主机处于低负荷、变负荷工况，此时，能量管理系统检测到船舶主机负荷低于一定值后，给飞轮储能系统发送信号，使飞轮储能系统工作于充电模式，此时可逆式电动/发电机以电动机方式运行，可逆式电动/发电机侧变流器驱动
2。