用于新能源高占比新型电力系统的储能发电装置

摘要

本发明涉及一种用于新能源高占比新型电力系统的储能发电装置。要解决技术问题：变高占比风光电不可控能源为可控能源。提供：一种具有以高密度颗粒物体为工质、位能减少而“发电”、消纳电能回收工质使其位能增加而“储能”、特大机械转动惯量、无功储备充足的转轮储能发电站。主要由转轮装置、储存工质库容足夠大的上位和下位倉库、消纳电能的工质输送和回收储能物流系统、定速工质流量控制装置、三相交流同步发电机、电动机和变电站组成；与集中式和分布式风光电站、火力电站分别匹配串联组合和并联组合上网。效果：解决上述技术问题，使电网更可靠供电、安全稳定、经济运行和国家能源安全；为激光装置和电磁推力装置提供穏定强大电力支撑。

说明书

技术领域 本发明涉及一种用于新能源高占比新型电力系统的储能发电装置

背景技术

2020年9 月2日，中国工程院院士、电力系统分析与控制专家郭剑波作了题为“高比占新能源电力系统的挑战及关键技术”的报告，预判未来高占比新能源电力电量场景，分析电力系统所面临的挑战，并提出需要重点关注的技术及应对措施。报告指出，新能源资源的随机波动特性带来消纳挑战有：(1)日内功率波动大，常规电源调节能力难以应对新能源功率波动；(2)高出力持续时间长，大容量长时间储能需求大，部分时段出力极低，需与其它电源共同实现功率平衡；(3)间歇性强，年/月电量不确定性大，影响系统规划；(4)尖峰出力功率大、电量小，全额消纳代价大；(5)日前功率预测绝对误差大，增加发电计划制定难度。报告指出，新能源带来安全挑战有：(1)系统惯量降低，调频能力下降，频率越限风险增加；(2)新能源参与一次调频可降低稳态频率偏差和暂态最大频率偏差，但因未改善系统惯量，频率变化未能改善，低惯量系统越限风险仍然存在，通过采用虚拟惯量控制可使新能源提供一定惯量支撑，但由于一次性能量输入的可控性差，可能导致频率二次跌落等次生事故；(3)无功支撑不足，电压稳定问题突出；(4)新能源高占比地区暂态过电压严重；(5)功角稳定性复杂，不确定性增加；(6)宽频振荡现象出现；(7)单体容量小，数量多，调控运行复杂；(8)部分国家对新能源发电比例进行限制。

报告提出了重点关键技术及应对措施：(1)能源网架中的仿真分析与机理认知、系统构建、稳定控制和源网荷协调；(2)价值创造中的电力市场与政策机制、综合能源系统、电能制氢和储能与电动汽车等灵活资源；(3)信息支撑中的电力气象、数字孪生与人工智能、社会信息物理系统(CPSS)、信息安全、网络安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对“高占比新能源电力系统的挑战及关键技术”的报告提出，变不可控风电、光伏新能源为可控能源。

新型电力系统的供电侧主要包括集中式和分布式的风电、光伏电站、火力发电站、水力发电站和核电站，储能发电装置主要包括抽水蓄能发电站、锂电池储能装置、飞轮储能发电装置和“绿氢”装置。为解决上述技术问题，本发明提供一种转轮储能发电站，由以颗粒物体为工质的转轮储能发电机和相匹配的上网变电站组成；转轮储能发电机，主要由装有按规定转速范围负荷特性运行的定速工质流量控制装置和加载起动装置的转轮储能发动机和在输出端装有相匹配的发电机组成；转轮储能发动机，主要由转轮发动机和消纳电能或其它能量回收做了功的工质并使工质位能增加而“储能”的工质输送回收储能物流系统组成；转轮发动机是一种以高密度颗粒物体为工质、靠工质在具有巨大转动惯量的转轮装置中的位能减少而做功，并推动转轴旋转输出功率的发动机；并全国各地的集中式和分布式风电、光伏电站分别与在自由端装有相匹配电动机的转轮储能发电站匹配串联组合上网，全国各地的火力发电站分别与转轮储能发电站匹配并联组合上网，全国各地电网的变电站分别与转轮储能发电站匹配组合上网。

上述转轮储能发电站，转轮发动机的高密度颗粒物体工质，括包人造的具有做功能力强、易滾动、传输的位能损失小、或有外包层的小球物体、或内灌有重金属的小球物体，还包括当地天然的流动性较差的沙粒、碎石和泥土；转轮装置的转轮外环上，装有均匀分布成偶数的挂斗支承轴，其上设置有相应的依次从上止点绕转到下止点，降程 H，并装有工质驱动转轮旋转的挂斗装置和挂斗稳定装置，或装在转轮外环外面而采用连杆类机械结构的随“座斗”绕转的位置来同步调整其保持水平的座斗装置；转轮储能发动机的工质输送回收储能物流系统，由储存上位工质的库容足够大的工质上位倉库并满足无功储备充足及支撑能力强所需库容、上位工质输送装置、用来存放抓斗在下止点卸掉的下位工质的库容足够大的工质下位倉库并满足消纳储能所需库容、工质回收通道、工质回收装置和变电站组成；转轮储能发电机的“定速工质流量控制装置”由定速调速器和受其控制的工质流量控制装置组成；转轮储能发电机的发电机是一种以传统电力系统为主导的三相交流同步发电机，或是一种特殊要求的交流发电机或直流发电机；在转轮储能发动机输出端的轴上通过弹性联轴节直接装有低速发电机或通过弹性联轴节装有增速齿轮箱、离合器、高速发电机，或在转轴的自由端或在发电机的自由端装有便于安装、调整、维修和安全的盘车锁紧装置，或在转轴上装设有供油装置和电路装置；在转轴上串联有多个转轮装置构成单轴多转轮的转轮储能发电机，由多台单轴多转轮的转轮储能发电机构成平面并联多轴多转轮的转轮储能发电机组，或上下串联多轴多转轮的转轮储能发电机组，起为获得与风电、光伏电站、火力发电站和电网的变电站相匹配所需的，和满足无功储备充足及支持能力强的功率和提高效率的作用。

上述挂斗装置，主要由支承在与转轮轴线平行的转轮外环止推轴承上的并与挂斗支承轴紧固在一起的左右对称不串动的漏斗组件、通过与转轮外环止推轴承轴线垂直平行并对称布置的抓斗摆轴把抓斗左半边和抓斗右半边与漏斗连接在一起的抓斗组件、使抓斗随转轴绕转到达下止点完全打开左右抓斗凸弧构件的旋转球体装置、使左右抓斗靠重心偏离抓斗摆轴所产生的合拢力矩并在到达上止点前关闭无碰撞的运行中不随意打开的缓冲机构、使漏斗不随意摆动的挂斗稳定装置、使抓斗的抓斗左半边和抓斗右半边合拢并相对于漏斗不作随意摆动的拉紧弹簧、分别对称固定在抓斗左半边和抓斗右半边外侧或设有配重的抓斗凸弧构件组成；或主要由漏斗组件、抓斗组件、挂斗稳定装置、人工智能控制的使抓斗左半边和抓斗右半边随转轴绕转到达下止点时讯速打开，并卸掉工质后能及时合拢，不作随意摆动的液压装置组成；起使每一抓斗装置相互之间并与转轮构件之间无碰撞，绕转到上止点开始能迅速装填所需的工质并无外漏，绕转到下止点开始能迅速打开抓斗卸去工质并无存留，空荷抓斗绕转到上止点前己完全关闭并无撞击，满载的抓斗绕转到下止点前不随意打开，运行稳定安全的作用。

上述缓冲机构，由悬挂在与挂斗支承轴轴线平行并与挂斗摆轴轴线轴线垂直的同一轴线上的汽缸套、连杆和活塞、轴线与抓斗摆轴轴线平行的并分别装在抓斗左半边和抓斗右半边上的曲柄销、汽缸套左限位、汽缸套右限位和汽缸套汽室组成；左右连杆的小头分别通过活塞销与活塞相连，其大头通过曲柄销分别与抓斗左半边和抓斗右半边相连；在汽缸套的对称轴上钻有一个起节流缓冲作用的节流孔并与汽缸相通，并通过密封螺钉孔向汽缸套汽室注有适量的用于润滑活塞和汽缸壁的润滑油。

上述的旋转球体装置，与抓斗凸弧构件的凸弧面构成一对滚动摩擦运动付，由推动抓斗凸弧构件的凸弧面并打开抓斗的下端具有密封槽的旋转球体、通过定位销和螺栓固定在球体支座上的球体旋转轴、底面球轴承、顶面球轴承、具有密封槽的密封盖、由带有防松垫圈的螺帽和螺栓分别压紧在密封盖和球体支座上的球体吹风罩和通风孔组成的用于保护和使旋转球体表面保持清洁的吹风装置、由进油孔、由螺钉封闭的输油孔、出油孔组成的用于润滑球体旋转轴和轴承套的润滑系统组成；或在由抓斗关闭位置到抓斗全开位置的抓斗摆角所确定的，初始啮合点到终结啮合点的啮合球面上，堆焊或喷镀有耐磨的陶瓷或硬质合金材料。

上述挂斗稳定装置，是一种阻尼式稳定装置或是一种曲柄连杆活塞式稳定装置；阻尼式稳定装置由装在增速齿轮箱的，分别装在挂斗支承轴的延伸轴和中间轴的一级增速啮合齿轮、分别装在中间轴和输出轴的二级增速啮合齿轮、装在输出轴上的旋转壳体和壳体端盖里的与周壁有小间隙并充满硅油的阻尼自由转轮组成；由供油装置的进油管提供齿轮润滑，通过回油管回收齿轮箱中的润滑油；起由阻尼自由转轮产生增速比倍数的阻尼惯性力矩，阻止挂斗装置作不正常的突然摆动而稳定运行的作用。曲柄连杆活塞式稳定装置，由在密封罩壳里，紧固在挂斗支承轴的延伸轴上的曲柄、装在曲柄销上的连杆大头、连杆、装在十字滑座上的十字滑块、固定在十字滑块的滑块销轴上装有的连杆小头、与十字滑块相连的靠密封圈密封的活塞杆、靠活塞环密封的活塞、汽缸套、上油缸、下油缸、上油孔、下油孔和油管组成；连杆中心线通过活塞杆中心线或相互平行；由供油装置的进油管提供曲柄连杆活塞式稳定装置的润滑油，通过回油管回油；起上油缸和下油缸的润滑油的节流流动，产生拉力，阻止挂斗装置作不正常的突然摆动而稳定运行的作用。

上述的供油装置，在具有中心轴孔的转轴上钻有约45度的两斜孔，在两斜孔中分别装有并与转轴焊接在一起的转轮装置或其它迴转装置的进油管和回油管；或在无轴孔的转轴上垂直钻有两孔，分别直接与转轮装置内部或其它迴转装置内部预先在转轴中钻好的进油轴孔和回油轴孔联通，分别构成进油通道和回油通道；在轴承盖和轴承座上分别对准进油的进口位置和回油的出口位置，设置有进油槽沟和回油槽沟，并在轴承盖上分别相应垂直地装有进油管接头和回油管接头；起为旋转中的转轮装置内部或其它廻转装置内部的各运动构件提供良好润滑的作用。

上述的电路装置，由单相或三相送电电刷和中线电刷、相应导体和相应通过小孔的导线组成送电电路；由对应的单相或三相回路电刷和中线电刷、相应导体和相应通过小孔的导线组成回路电路；每一导体为两个半园环，两端面和内园面附有绝缘材料，两个半园环的一个接口钻有一个引出导线芯线的小孔，把两个半园环导体、套有放入小孔的瓷管导线伸出的导线芯线挤压在转轴的环槽里，并焊牢两接口、修复；起为转轮装置内部或其它迴转装置内部的油站和其它电气设备提供电力支撑的作用。

可预见的效果：起继承并发展了传统电力系统的“源随荷动”的生产组织模式，电力系统的风电和光伏电量占比越高机械转动惯量就越大，使具有巨量不可控电能的风电、光伏电站在串联的转轮储能发电站的辅助和共同作用下，有效克服风电和光伏的随机性、波动性、间歇性和尖峰负荷所带来消纳与安全所有问题，有效消纳并碾平了其高峰全部调峰电能而储能，变风电和光伏新能源为可控能源，并有效抵抗了电网的干扰，使整个电网在各个用电时段都保持供电量和用电量的平衡，构建“源随荷动”的“新型供电侧”，使电网可靠供电、安全稳定、经济运行和国家能源安全，并随时为各地的激光、微波和电磁装置提供稳定而強大电力支撑。

自定义科技术语

“转轮发动机”：以颗粒物体为工质、靠工质在转轮装置中的位能减少而做功并推动转轴旋转输出功率的发动机，称之为“转轮发动机”。“转轮储能发动机”：装有工质输送回收储能物流系统消纳电能或其它能量回收做了功的工质并使工质位能增加而“储能”的转轮发动机称之为“转轮储能发动机”。“转轮储能发电机”：在转轮储能发动机的输出端装有相匹配的发电机，并在转轮储能发动机中装有按发电机规定转速范围负荷特性运行的定速工质流量控制装置，称之为“转轮储能发电机”。“转轮储能发电站”：在转轮储能发电机外装有与电网和转轮储能发电机相匹配的变电站，称之为“转轮储能发电站”。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。图1为转轮储能发电站的总体布置示意图。图2为图1的左视图。图3为挂斗装置结构示意图。图4为缓冲机构示意图。图5为抓斗凸弧构件示意图。图6为旋转球体结构示意图。图7为挂斗装置稳定运行的工作原理示意图。图8为转轮发动机输出扭矩变化示意图。图9为单轴多转轮的转轮储能发电机示意图。图10为平面并联多轴多转轮的转轮储能发电机组示意图。图11为上下串联多轴多转轮的转轮储能发电机组示意图。图12为挂斗装置质量重心平衡位置的工作原理示意图。图13为当地风电、光伏电站与转轮储能电站串联组合的组成及工作原理示意图。图14为火力发电站与转轮储能电站并联组合的组成及工作原理示意图。图15为阻尼式挂斗稳定装置结构示意图。图16为曲柄连杆活塞式挂斗稳定装置结构示意图。图17为供油装置结构示意图。图18为光伏电站与转轮储能电站匹配串联组合上网运行示意图。图19为风能电站与转轮储能电站匹配串联组合上网运行示意图。图20为风电尖峰负荷示意图。图21为风光互补电站与转轮储能电站匹配串联组合上网运行示意图。图22为电路装置结构示意图。

具体实施方式

新能源高占比新型电力系统的供电侧主要包括集中式和分布式的风电、光伏电站、火力发电站、水力发电站和核电站，储能发电装置主要包括抽水蓄能发电站、锂电池装置、飞轮储能发电装置、绿色氢能装置。为解决“面临2030碳达峰和2060碳中和，在高占比新能源新型电力系统中，变不可控风电、光伏新能源为可控能源”的技术问题，本发明提供一种如图1、图2所示的以颗粒物体为工质的转轮储能发电站，主要由转轮储能发电机和相匹配的上网变电站117组成；转轮储能发电机，主要由装有按规定转速范围负荷特性运行的定速工质流量控制装置和加载起动装置212的转轮储能发动机和在输出端装有相匹配的发电机105组成；转轮储能发动机，主要由转轮发动机和消纳电能或其它能量回收做了功的工质并使工质位能增加而“储能”的工质输送回收储能物流系统组成；转轮发动机是一种以颗粒物体为工质、靠工质在具有巨大转动惯量的转轮装置111中的位能减少而做功，并推动转轴旋转输出功率的发动机；并全国各地的集中式和分布式风电、光伏电站1304分别与在自由端装有相匹配电动机903的转轮储能发电站匹配串联组合上网，全国各地的火力发电站1402分别与转轮储能发电站匹配并联组合上网，全国各地电网118的变电站分别与转轮储能发电站匹配组合上网，去适应风光电随机波动特性的变化。

如图13所示，全国各地的集中式和分布式风电、光伏电站1304，通过其变电站1305分别与在自由端装有相匹配电动机903的转轮储能发电站匹配串联组合上网；转轮储能发电站成为风电、光伏电站1304 的“黄金搭档”，使具有随机性、波动性、间歇性和风电尖峰功率特性的不可控的风电、光伏新能源，虽然在电动机损失2％的电能，但发生“脱胎换骨”质的变化，使其融入传统的电力系统，获得了巨大机械转动惯量并随风电、光伏新能源占比提高而增大，在转轮储能发电站的辅助和共同作用下，克服了风电、光伏的随机波动特性带来消纳和安全所有挑战，变风电和光伏新能源为可控能源，其具体运行过程如图18～图21所示。如图14所示，全国各地的火力发电站分别与转轮储能发电站匹配并联组合上网，使火力发电站“老兵新传，永不下岗”，获得“新生”，转轮储能发电站成为火力发电站1402和电网118 的“好帮手”，在每天低谷时段约23：00～次日7：00，转轮储能发电站帮火力发电厂提高经济运行而消纳其电能而储能“填谷”；每日高峰时段约7：00～1：00、19：00～23：00，转轮储能发电站继续帮火力发电厂提高经济运行共同上网供电“削峰”；每日平常时段约11：00～19：00转轮储能发电站消纳电网118过量电能而储能。

从上可知，新能源高占比的新型电力系统，继承并发展了传统电力系统的“源随荷动”的生产组织模式，使电网更加可靠供电、更加安全稳定、更加经济运行和国家能源安全，并随时为各地的激光、微波和电磁装置的特殊用户1311提供稳定强大电力支撑。

上述转轮储能发电站，如图1、图2所示，转轮发动机的高密度颗粒物体工质，括包人造的具有做功能力强、易滾动、传输位能损失小、或有外包层的小球物体、或内灌有重金属的小球物体，还包括当地天然的流动性较差的沙粒、碎石和泥土；转轮装置111的转轮外环210 上，装有均匀分布成偶数的挂斗支承轴312，其上设置有相应的依次从上止点205绕转到下止点201，降程H 202，并装有工质驱动转轮旋转的挂斗装置113和挂斗稳定装置211，或装在转轮外环210外面而采用连杆类机械结构的随“座斗”绕转的位置来同步调整其保持水平的座斗装置；转轮储能发动机的工质输送回收储能物流系统，由储存上位工质的库容足够大的工质上位倉库108并满足无功储备充足及支撑能力强所需库容、上位工质输送装置120、用来存放抓斗319在下止点卸掉的下位工质的库容足够大的工质下位倉库114并满足消纳储能所需库容、工质回收通道115、工质回收装置116和变电站117 组成；转轮储能发电机的定速工质流量控制装置，由定速调速器和受其控制的工质流量控制装置109组成；转轮储能发电机的发电机105 是一种以传统电力系统为主导的三相交流同步发电机，或是一种特殊要求的交流发电机或直流发电机；在转轮储能发动机输出端的轴上通过弹性联轴节104直接装有低速发电机，或通过弹性联轴节104装有增速齿轮箱107、离合器106、高速发电机，或在发电机105的自由端或在转轴的自由端装有便于安装、调整、维修和安全的盘车锁紧装置 112，或在转轴上装设有供油装置和电路装置。

为获得与风电、光伏电站匹配所需的和满足无功储备充足及支持能力强的功率，除增加工质密度、转轮装置111的回转半径203外，还有如图9所示的，由发电机105、多个转轮装置111、电动机903组成的单轴多转轮的转轮储能发电机，如图10所示的平面并联多轴多转轮的转轮储能发电机组，如图11所示的上下串联多轴多转轮的转轮储能发电机组，通过工质流动接口通道1101，使上位转轮装置111 的工质出口直接对着下位转轮装置111的工质进口，还可减少工质的位能损失，提高效率。

上述挂斗装置113，如图3所示，主要由支承在与转轮轴线平行的转轮外环止推轴承320上的并与挂斗支承轴312紧固在一起的左右对称不串动的漏斗313组件、通过与转轮外环止推轴承320轴线垂直平行并对称布置的抓斗摆轴315把抓斗左半边314和抓斗右半边309与漏斗313连接在一起的抓斗319组件、使抓斗随转轴绕转到达下止点 201完全打开左右抓斗凸弧构件304的旋转球体装置103、使左右抓斗靠重心偏离抓斗摆轴所产生的合拢力矩并在到达上止点205前关闭无碰撞的运行中不随意打开的缓冲机构308、使漏斗313不随意摆动的挂斗稳定装置211、使抓斗319的抓斗左半边314和抓斗右半边309 合拢并相对于漏斗313不作随意摆动的拉紧弹簧322、323、分别对称固定在抓斗左半边314和抓斗右半边309外侧或设有配重的抓斗凸弧构件304组成；或主要由漏斗313组件、抓斗319组件、挂斗稳定装置211、人工智能控制的使抓斗左半边314和抓斗右半边309随转轴绕转到达下止点201时讯速打开，并卸掉工质后能及时合拢，不作随意摆动的液压装置324、325组成；起使每一抓斗装置113相互之间并与转轮构件之间无碰撞，绕转到上止点205开始能迅速装填所需的工质并无外漏，绕转到下止点201开始能迅速打开抓斗319卸去工质并无存留，空荷抓斗319绕转到上止点205前己完全关闭并无撞击，满载的抓斗绕转到下止点前不随意打开，运行稳定安全的作用。

上述缓冲机构308，如图4所示，由悬挂在与挂斗支承轴312轴线平行并与挂斗摆轴轴线315轴线垂直的同一轴线上的汽缸套411、连杆403和活塞406、轴线与抓斗摆轴轴线平行的并分别装在抓斗左半边314和抓斗右半边309上的曲柄销404、汽缸套左限位405、汽缸套右限位409和汽缸套汽室408组成；左右连杆403的小头分别通过活塞销410与活塞406相连，其大头通过曲柄销404分别与抓斗左半边314和抓斗右半边309相连；在汽缸套411的对称轴上钻有一个起节流缓冲作用的节流孔401并与汽缸407相通，并通过密封螺钉402孔向汽缸套气室408注有适量的用于润滑活塞406和汽缸壁的润滑油。

上述旋转球体装置103如图6所示，与如图5所示的抓斗凸弧构件304的凸弧面502构成一对滚动摩擦运动付，由推动抓斗凸弧构件 304的凸弧面502并打开抓斗319的下端具有密封槽602的旋转球体 303、通过定位销601和螺栓固定在球体支座620上的球体旋转轴621、底面球轴承603、顶面球轴承607、具有密封槽的密封盖608、由带有防松垫圈的螺帽613和螺栓分别压紧在密封盖608和球体支座620上的球体吹风罩615和通风孔617组成的用于保护和使旋转球体303表面保持清洁的吹风装置、由进油孔619、由螺钉612封闭的输油孔614、出油孔618组成的用于润滑球体旋转轴621和轴承套616的润滑系统组成；或在由抓斗关闭位置305到抓斗全开位置306的抓斗摆角307 所确定的，初始啮合点604到终结啮合点606的啮合球面605上，堆焊或喷镀有耐磨的陶瓷或硬质合金材料。

上述挂斗稳定装置211，是一种阻尼式稳定装置或是一种曲柄连杆活塞式稳定装置；阻尼式稳定装置如图15所示，由装在增速齿轮箱 1507的，分别装在挂斗支承轴312的延伸轴1506和中间轴1509的一级增速啮合齿轮1508、分别装在中间轴1509和输出轴1505的二级增速啮合齿轮1510、装在输出轴1505上的旋转壳体1504和壳体端盖1501 里的与周壁有小间隙并充满硅油1502的阻尼自由转轮1503组成；由供油装置的进油管1704提供齿轮润滑，通过回油管1709回收齿轮箱中的润滑油；起由阻尼自由转轮1503产生增速比倍数的阻尼惯性力矩，阻止挂斗装置113作不正常的突然摆动而稳定运行的作用。曲柄连杆活塞式稳定装置如图16所示，由在密封罩壳1603里，紧固在挂斗支承轴1611的延伸轴1621上的曲柄1612、装在曲柄销1618上的连杆大头1610、连杆1609、装在十字滑座1613上的十字滑块1614、固定在十字滑块1614的滑块销轴1619上装有的连杆小头1608、与十字滑块1614相连的靠密封圈1607密封的活塞杆1606、靠活塞环1604密封的活塞1605、汽缸套1620、上油缸1602、下油缸1616、上油孔1601、下油孔1615和油管1617组成；连杆1609中心线通过活塞杆1606中心线或相互平行；由供油装置的进油管1704提供曲柄连杆活塞式稳定装置的润滑油，通过回油管1709回油；起上油缸1602和下油缸1616 的润滑油的节流流动，产生拉力，阻止挂斗装置113作不正常的突然摆动而稳定运行的作用。

上述的供油装置如图17所示，在具有中心轴孔1702的转轴1703 上钻有约45度的两斜孔，在两斜孔中分别装有并与转轴焊接在一起的转轮装置111或其它迴转装置的进油管1704和回油管1709；或在无轴孔1702的转轴1703上垂直钻有两孔，分别直接与转轮装置111内部或其它迴转装置内部预先在转轴1703中钻好的进油轴孔和回油轴孔联通，分别构成进油通道和回油通道；在轴承盖1707和轴承座1701 上分别对准进油的进口位置和回油的出口位置，设置有进油槽沟1705 和回油槽沟1708，并在轴承盖1707上分别相应垂直地装有进油管接头1706和回油管接头1710；起为旋转中的转轮装置111内部或其它廻转体内部的各运动构件提供良好润滑的作用。

上述的电路装置如图22所示，由单相或三相送电电刷2205、2204、 2203和中线电刷2202、相应导体2216、2217、2218、2219和相应通过小孔2210的导线2201组成送电电路；由对应的单相或三相回路电刷 2208、2207、2206和中线电刷2209、相应导体2213、2214、2215、2212 和相应通过小孔2210的导线2221组成回路电路；每一导体为两个半园环，两端面和内园面附有绝缘材料，两个半园环的一个接口钻有一个引出导线芯线的小孔，把两个半园环导体、套有放入小孔的瓷管 2223导线伸出的导线芯线挤压在转轴2220的环槽里，并焊牢两接口、修复；起为转轮装置111内部或其它迴转装置内部的油站和其它电气设备提供电力支撑的作用。

转轮储能发电机及电站的性能分析

1.功率范围宽

转轮储能发电机组的输出功率为W＝0.0006·M·S·N·m·R·n(马力) ＝1.36·0.0006·M·S·N·m·R·n(千瓦)；其中，R、n、m、N、S、M分别为转轮外环的回转半径(米)、转速(转/分钟)、每一挂斗加载质量 (千克)、每一转轮上挂有偶数的挂斗装置数(个)、每一转轴上串联转轮装置数(个)、转轮储能发电机组的台数(台)。

因为每一装载的挂斗装置的重心质量m的重力m·g与其离心力的合力必须通过转轮外环的漏斗轴心，才满足其平衡状态的条件：合力是离心力的三倍，即平衡系数K＝3。并且受离心力是转轮廻转半径R 与角速变平方的乘积的约束和结构强度限制。所以增加转轮储能发电机输出功率W最直接方法是如图9所示，在由转轮装置111和发电机105组成的每一台转轴上增加串联的转轮装置111数S。最有效方法是增加其台数M，如图10所示的平面并联多轴多转轮的转轮储能发电机组，如图11所示的上下串联多轴多转轮的转轮储能发电机组，其中上位转轮装置111的出口，通过工质流动接口通道1101，正对着下位转轮装置111的进口，还能提高其效率。增加功率和提高效率的最直接又最有效的方法，是采用高密度材料制成的小球物体，如每立方米的铁、铅、混凝土的密度(千克)分别为7870、11343.7和2400。

计算结果：K＝3，转速n(转/分钟)分别为2、3～20，所对应的挂斗装置质心的回转半径R(米)分别为74.496、33.132、18.624、11.9、 8.295、6.072、4.654、3.678、2.98、2.46、2.07、1.764、1.520、1.324、1.164、 1.031、0.919、0.826和0.745；当R＝74.496米、n＝2(转/分钟)、每一转轮的挂斗数N＝80、每一转轴上串联有10个转轮装置时，最大的单轴 10转轮的转轮储能发电机的输出功率约为94万千瓦。当R＝0.745米、 n＝20(转/分钟)、每一转轮的挂斗数N＝12时，最小的单轴单转轮的转轮储能发电机的功率约为1.396千瓦。

从上可见，转轮储能发电站的功率范围大、无功储备充足，完全满足与全国各地的风电、光伏电站匹配串联组合上网、与全国各地的火力发电站匹配并联组合上网、与全国各地电网变电站匹配组合上网的需要。

2.转轮储能发电机的效率高

转轮储能发电机的指示效率为mgH/mg(H+H1+H2)＝H/ (H+H1+H2)＜1式中，m为每一挂斗装载的工质质量(千克)，H 为每一挂斗从上止点205运行到下止点201的行程H 202(米)，g为重力加速度(米/平方秒)，H1为上位工质做功前的位能损失高度， H2为下位工质做功后的位能损失高度。

从上式可知，指示效率与质量m无关；(H1+H2)的大小与工质的流动性、工质输送回收储能物流系统有关；小球工质的位能损失(H1+H2) 最小；转轮外环的回转半径R 203越大指示效率越高。

若工质是小球颗粒，可取H1＝H2＝2米，转轮外环直径＝H＝2·R分别为100米、50米和30米，则指示效率分别为96％、92.6％和90％。若工质是沙或碎石，其位能损失较大，取H1＝H2＝10米，在上述条件下，其指示效率分别为83％、70％和60％。已知：大型发电机效率一般为96％～98％、常用8级园柱直齿传动效率为97％、大型水轮机指示效率为88％～92％，则大型水电站的综合效率为83％～88％，对于小型水电站，加上引水道水头的损失，其综合效率为75％～82％；四冲程增压发动机的有效效率为35％～45％，其发电机组的综合效率为32％～42％。与水电站、四冲程增压柴油发电机组比较，转轮储能发电机的综合效率，对于工质为沙或碎石的综合效率为54.6％～78％，对于工质为小球物体的综合效率为84.6％～88.4％。

从上可知，转轮储能发电机有很高的与水力发电站相当的综合效率，而远高于四冲程增压柴油发电机的综合效率。

3.转轮储能发电机的运行稳定性好

因每个转轮装置上装有许多成偶数的均布挂斗装置，每一转轴上串联有彼此相位角差相等的转轮装置，在运行中转轴每一转，这些装有一定量工质的挂斗装置，依次随转轮从上止点降到下止点，均匀地为发电机做功输出功率，输出轴的输出扭矩802几乎是一条水平线，如图8所示；又因为转轮储能发电机有特大的机械转动惯量，而转轮储能发电机运行转速不均匀度与机械转动惯量成反比；并转轮储能发电机又装有按定速负荷特性运行的定速工质流量控制装置，所以转轮储能发电机的回转不均匀度特小，完全可满足发电机转速不均匀度 1/200～1/300和电网的要求。

4.转轮储能发动机的挂斗装置的工作稳定性好

从图1、图2可知，每一挂斗装置111通过挂斗支承轴312，装在转轮外环均匀分布的外环止推轴承320上，其重心净止位置706的质量挠挂斗支承轴710在随转轴724旋转方向723旋转的同时，作牵连摆动。在转轴724平稳运行中，在其离心力1207的作用下，质量重心朝外摆动直到重心平衡位置705，如图12所示。通过力的平行四边形分析发现：与离心力1207相等的重力1213、与2倍离心力的重力1214、与3倍离心力的重力1215和与4倍离心力的重力1216时，对应的合力1206、1205、1204、1201都产生外转的力矩1212、1211、1210、1209，使挂斗装置113朝外摆动，只有满足：挂斗质量重力1202约等于离心力1208的3倍，才达到所需的平衡位置705的要求，其合力1203通过挂斗支承轴710轴心。

每个挂斗装置113在各个位置稳定运行的工作原理，如图7所示。挂斗支承轴710随转轴旋转方向723分别落在第1象限、正向水平、第二象限位置时，质量重心都从重心净止位置706摆动到重心平衡位置705，各自的重力702与各自的离心力703产生的合力701都通过挂斗支承轴710的轴心。当转轴转速突然增加时，质量重心因惯性滞后而向里左摆，但各自的合力701都产生恢复力矩709，使质量重心回到重心平衡位置705的稳定状态。当转轴突然减少时，质量重心因惯性滞后而向外右摆，但各自的合力701都产生恢复力矩708，使质量重心又回到重心平衡位置705的平衡状态。

当挂斗支承轴710绕转到下止点722时，挂斗未卸载，质量重心的重心平衡位置705几乎接近下止点的重心净止位置706。当转轴突然加速或减速时，质量重心的重心位置相应处于重心右摆位置704或处于重心左摆位置707，相应的离心力703和重力702几乎重合，相应的合力701都产生恢复力矩708、709，分别使质量重心回到重心平衡位置705的平衡状态。

挂斗支承轴710随转轴旋转方向723分别落在第3象限、反向水平、第4象限位置时，卸载后的质量重心都从重心净止位置716外摆到重心平衡位置715，各自重力712与各自离心力713产生的合力711都通过挂斗支承轴710的轴心。当转轴转速突然增加时，质量重心因惯性滞后而产生重心里摆717，但各自的合力711都产生恢复力矩719，使质量重心回到重心平衡位置715的稳定状态。当转速突然减少时，质量重心因惯性滞后而产生重心外摆714，但各自的合力711都产生恢复力矩718，使质量重心又回到重心平衡位置715的平衡状态。

当挂斗支承轴710绕转到上止点721时，空载挂斗的质量重心的重心平衡位置715几乎重合上止点的重心净止位置716。当转轴突然加速或减速时，质量重心的重心位置相应处于重心左摆位置720或处于重心右摆位置725，相应的离心力713和重力712几乎重合但方向相反，相应的合力711都产生相应恢复力矩718、719，分别使质量重心回到重心平衡位置715的平衡状态。

除上之外，对挂斗装置还加装了如图4所示的缓冲机构、如图15 所示的阻尼式挂斗稳定装置、或如图16所示的曲柄连杆活塞式稳定装置、如图3所示的漏斗313不作随意摆动的拉紧弹簧322、323，或如图3所示的由人工智能控制的液压装置324、325。所示挂斗装置的工作稳定性好。

5.强度高、刚度大、转速低、振动小、磨损小、寿命长。

图7所示，在稳定的运行中，转轮装置的每一空载挂斗装置所产生的离心力都稍有上小下大地对称变化，离心力的合力和挂斗装置的重力都纵向垂直地落在转轴两端的轴承座上；每一有载荷的挂斗装置，载荷从上止点运动到下止点在做功的同时，产生的离心力都背离转轴旋转中心，其合力偏转水平线下方，落在两端轴承座上；转轮装置的重力与连续稳定的载荷离心合力的合力，落在第二象限稍偏转纵向垂直线的两端轴承座上。因转轮上无轴向外力，并没有不对称的不平衡的质量，转速又极低，所以不产生轴向推力、纵向和横向振动。同时，对转轮装置加装了如图17所示的转轮装置供油润滑装置；有充足的轴向空间去增大转轴轴颈的直径和与其成比例的轴颈长度，并采用高压润滑装置提供高压润滑油，使轴承获得良好的油漠润滑，所以轴颈磨损小、寿命长，并增加转轴的强度和刚度。

6.具有“起动迅速、停机难”特性。在如图2所示的工质流量控制装置109中设置加载起动装置212。起动时，转轴上每一转轮装置 111的工质流量控制装置109和加载起动装置212都同时向处于上止点205和上止点后的空载挂斗装置113满负荷地加载工质，在转角206 的力臂L 207范围，产生较大初始起动旋转力矩，推动笨重的转轮装置111开始迅速转动起来，并快速进入运行状态。但要使具有“巨量”机械转动惯量的转轮储能发动机快速停止运行是十分困难的，只有等其自己空载输出功率，直到停机。

“新型供电侧”在电网中的运行及分析

为斜述方便，转轮储能发电站、集中式和分布式光伏电站、集中式和分布式风能电站、风光联合互补电站分别称之为“前者”、“后者1”、“后者2”、“后者3”。

一.“前者”与“后者1”匹配串联组合上网，每日实际用电量的变化曲线1802和光伏电量变化曲线1806如图18所示，运行情形：(1)平常时段约11：00～17：00，阳光充足，“后者1”发电上网，并“前者”储能消纳“后者1”全部调峰电能1803；(2)低谷时段约22：00～次日6：00，无阳光，由前者独立上网供电填谷1805、1801；(3)高峰时段约6：00～ 11：00，其中6：00～7：00由“前者”与“后者1”共同上网供电，7：00～11：00 阳光充足，由“后者1”上网供电，并“前者”储能消纳“后者1”全部调峰电能1804；高峰时段约17：00～23：00，其中17：00～19：00由“前者”与“后者1”共同上网供电，19：00～23：00由“前者”独立上网供电；(4)当遇到“后者1”间歇性停电的全部供电时段，都由“前者”独立上网供电，并随时都保持供电量与用电量平衡

二.“前者”与“后者2”匹配串联组合上网，每日实际用电量的变化曲线1901和风能电量变化曲线1903如图19所示，运行情形：(1)约 21：00～次日9：00由“后者2”独立上网供电，并“前者”储能消纳“后者2”的调峰电能1902；(2)约9：00～20：00由“前者”与“后者2”共同上网供电；(3)约20：00～21：00由“后者2”独立上网供电；(4)每年全部时间段，都可能出现出力功率大但电量小的如图20所示的尖峰功率2001，但“前者”与“后者2”的串联组合电站都能顺利地储能消纳化解：具有由电动机903、发电机105和转轮装置111组成巨量机械转动惯量，无功储备充足及支持能力强，完善的工质输送回收储能物流系统，及相匹配的储存有充足工质的工质上位倉库和工质下位倉库，随时都有能力消纳和释放尖峰功率；或采取把尖峰功率分流到每一台发电机组的设计方案；或采取串联电站预先按照电网规定转速变化1/200～ 1/300范围内的下限转速范围的定速负荷特性运行，碰到尖峰功率时就能自动消纳储能并使转速升至上限转速范围的运行方案，随时都保持供电量与用电量的平衡。

三.“前者”与“后者3”串联组合上网，每日实际用电量的变化曲线 2101、光伏电量变化曲线2106、叠加上去的风能电量变化曲线2105，如图21所示。运行情形：约0：00～15：00由“后者3”独立上网供电，并

四.在全国电网的运行中，高占比新能源的“新型供电则”随时都能“源随荷动”地保持供电量与用电量的平衡。

五.随时都可接入特殊用户1311，为其激光装置微波装置和电磁推力装置提供稳定而强大电力支撑。