何勇，彭曉，曾麗瓊，馮韌（湖南工業(yè)大學(xué)　電氣學(xué)院　湖南株洲412000）

基于并網(wǎng)型微電網(wǎng)多級儲能系統(tǒng)的設(shè)計

何勇，彭曉，曾麗瓊，馮韌
（湖南工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院湖南株洲412000）

摘要：設(shè)計了一種新型的彈性儲能系統(tǒng)，聯(lián)合相關(guān)的自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制儲能與能量的釋放。采用了多級發(fā)條重復(fù)儲能，實現(xiàn)了儲能大，重復(fù)利用率高，避免了傳統(tǒng)化學(xué)電池的弊端。首次引進了能量子彈的新型儲能概念，并能通過相關(guān)的制動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了能量子彈與母體間的分離。利用能量子彈解決目前彈性儲能系統(tǒng)間不能進行大能量存儲以及運輸?shù)钠款i，為微電網(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定性問題的解決打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；彈性儲能；穩(wěn)定性

本文引用格式：何勇，彭曉，曾麗瓊，等．基于并網(wǎng)型微電網(wǎng)多級儲能系統(tǒng)的設(shè)計[J]．新型工業(yè)化，2015，5（7）：64-70

Citation:HEYong,PENGXiao,ZENLi-qiong,etal.ANewTypeofMultistageEnergyStorageSystemBasedon Grid-ConnectedMicro-grid[J].TheJournalofNewIndustrialization,2015,5（7）:64-70.

0　引言

能源是我們生活的物資基礎(chǔ)，在滿足能源需要，又不影響環(huán)境的前提下，人類在采取各種措施提高能源的利用率，對能源結(jié)構(gòu)進行改善，充分利用清潔能源。在我們國家清潔能源發(fā)電發(fā)展非常慢，相關(guān)技術(shù)有待改進，建設(shè)規(guī)模不大，但我國具有豐富的天然資源優(yōu)勢和巨大的市場需求空間，為我國清潔能源的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。在國家相關(guān)政策扶持下，清潔能源的利用已經(jīng)成為了關(guān)注的焦點，有待解決的問題越來越多，發(fā)展空間巨大。風(fēng)能，太陽能和潮汐能都是清潔能源，但它們又是一種隨機性和間歇性能源，因此由太陽能發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)和潮汐能發(fā)電系統(tǒng)等組成的微型電網(wǎng)，在并網(wǎng)時會因它的隨機性和間歇性的特點給電網(wǎng)帶來沖擊，，成為了微網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，要解決這個問題，可以利用儲能方式來解決。把儲能系統(tǒng)運用到微電網(wǎng)中，利用它在動態(tài)情況下儲存能量，在適當(dāng)時候釋放所儲存的能量，改善風(fēng)電場輸出功率的可控性，這是我們至今在用的一種方法，能夠有效的彌補風(fēng)電的間歇性和隨機性特點。但是儲能少，儲能不可移植問題一直沒有解決。

本文利用彈簧特性材料和彈簧機構(gòu)的特點，即當(dāng)其彈性材料產(chǎn)生形變后，能夠把機械能變成回形變或者把回形變變成機械能，正是基于彈簧這一特性來進行研究，在原有的機構(gòu)上改進彈性儲能機構(gòu)，改變原來的彈性儲能機構(gòu)儲能少，所儲能量不可移植性問題。

1　儲能裝置的結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1儲能裝置的結(jié)構(gòu)

儲能結(jié)構(gòu)由電機、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)筒、棘輪結(jié)構(gòu)和帶有斜面的底座（如圖1所示）組成，這些已在儲能裝置的結(jié)構(gòu)圖2中畫出，在裝置中還包含有自動控制系統(tǒng)，自動分離系統(tǒng)裝在儲能裝置的電機處，用來分離已儲滿能量的彈簧結(jié)構(gòu)，分離狀態(tài)如圖3所示。

圖1　帶斜面的底座圖Fig.1　The　bevel　base

圖2　儲能裝置的結(jié)構(gòu)圖Fig.2　The　structure　of　energy　storage　device

圖3　能量子彈分離狀態(tài)圖Fig.3　The　diagram　of　Energy　bullet　separation　state

1.2儲能裝置工作原理

該儲能裝置的轉(zhuǎn)筒中含有四個渦卷彈簧結(jié)構(gòu)（如圖4所示），在本文中把單個渦卷彈簧結(jié)構(gòu)叫做能量子彈，它的每個能量子彈的儲能機理和傳統(tǒng)的單發(fā)條是一樣的，都是利用鋼條的彈性進行儲能，通過電動機帶動軸的轉(zhuǎn)動，使纏繞在軸上的發(fā)條發(fā)生形變從而進行旋轉(zhuǎn)儲能。

轉(zhuǎn)筒里含有的每個渦卷彈簧結(jié)構(gòu)及其相關(guān)控制裝置組成一個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都是一個能量子彈儲能裝置，當(dāng)把它們裝進去時，它們處于非工作狀態(tài)（如圖2所示），棘輪限制了它們的旋轉(zhuǎn)，此時既不能進行儲能也不能進行釋放能量。通過進步電機帶動外筒轉(zhuǎn)動，隨著底座斜面高度的變化（斜面底座如上圖1），使得處在底座最低處的子系統(tǒng)脫離棘輪的束縛，該子系統(tǒng)的軸突出，與電動機通過聯(lián)軸器聯(lián)合，然后在電動機的轉(zhuǎn)動下進行儲能。當(dāng)這個儲能完成時，相應(yīng)的的力感應(yīng)裝置測到力達到最大值時會把信號傳回控制器控制相應(yīng)的進步電機帶動下一個子系統(tǒng)進入相應(yīng)的儲能位置，這里只進行相應(yīng)的技術(shù)闡述，不做具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在下一個未儲滿能量的子系統(tǒng)進入時，上一個儲滿能量的子系統(tǒng)在端部的彈簧的作用下回縮。端部彈簧的伸縮狀態(tài)如圖5所示。

圖4　儲能裝置端部結(jié)構(gòu)Fig.4　Energy　storage　device　end　structure

如果有無限多的能量子彈的話，我們可以在無限儲能模式下儲能，不斷的從B處（圖2所示）拿出儲滿的能量子彈，取出的能量子彈將在控制系統(tǒng)的控制下拿到相應(yīng)的儲存室進行存儲，然后放入未儲滿的子彈就可以無限儲存能量。儲能裝置中儲能彈簧的選擇時最重要的，他決定儲能的多少。

2　儲能裝置中彈簧的選擇及其彈簧結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析

2.1彈簧的選擇

彈簧的類型很多，按外形可以區(qū)別為三種：螺旋型彈簧、板型彈簧和特種型彈簧等，但對于螺旋型彈簧分成三種，他們分別是壓縮型螺旋彈簧、拉伸型螺旋彈簧和扭轉(zhuǎn)型螺旋。彈性儲能機構(gòu)以平面渦卷彈簧來進行儲能，平面渦卷彈簧是常用彈性工具，它受到不同的力時形變就不一樣，可以將不同的能量轉(zhuǎn)化為形變能儲存在彈簧里面，力放開后彈簧回到原來狀態(tài)，又能將變形能轉(zhuǎn)化為機械能或其它形式的能量。

圖5　滾筒剖面圖Fig.5　Cylinder　profile

我們選擇彈簧時，我們第一要注意彈簧的特性，即受力大小和產(chǎn)生彈性變化量的大小間的聯(lián)系，受力大小E除以角度變化量G就是彈簧的儲能強度D，彈簧的特性曲線分為直線型、漸增型和漸減型。就平面渦卷彈簧來說，在受到外力時彈簧有段不能儲能，這種情形的曲線就稱為直線曲線，當(dāng)外力不斷的加大，彈簧內(nèi)部相互摩擦，它的曲線就叫做漸增曲線，就能量的加載大小區(qū)別，我們需要儲存大的能量，因此我們對彈簧承受力的程度大小有要求，所以我們要用漸增曲線型的彈簧，也就是當(dāng)受力大小的增加，它剛度也不斷的增大，考慮到本儲能裝置本身的特點和平面渦輪它的的彈簧特點，本儲能機構(gòu)選擇平面渦卷彈簧作為彈性儲能裝置的儲能元件。具體渦卷彈簧結(jié)構(gòu)如下圖6所示。

圖6　渦卷彈簧結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Vortex　coil　spring　structure

圖7　3圈彈簧的部分變形圖Fig.7　3　Parts　of　the　coil　spring　deformation　figure

2.2彈簧結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析

由于ADAMS軟件的分析數(shù)量有限，而且儲能裝置的形狀復(fù)雜，不能直接進行仿真，所以很難模擬仿真。只能對彈簧結(jié)構(gòu)進行力學(xué)仿真，最通過彈簧形變與能量間模型進行推算，從而初步評價該系統(tǒng)的設(shè)計的效果。首先對3圈、5圈的彈簧進行了動力學(xué)分析，然后由此得出28圈彈簧的剛度曲線。

圖8　5圈彈簧的部分變形圖Fig.8　5　Parts　of　the　coil　spring　deformation　figure

首先使用Pro/Ewildfire4.0對彈簧進行實體建模，分別建立了3圈彈簧和5圈彈簧的實體模型，該模型包括彈簧芯軸、彈簧盒:和彈簧三部分。用ADAMS進行仿真測試，通過后面的圖形曲線可以觀察到彈簧受力后變形情況，彈簧受的力大小情況不同，變化的曲線就不一樣，應(yīng)力的分布情況也隨著被旋緊圈數(shù)的不同而變化，如圖7和圖8分別表示的是3圈彈簧和5圈彈簧在仿真過程中，彈簧的部分變形圖。圖9和圖10分別為通過仿真得到的3圈彈簧和5圈彈簧的剛度曲線圖。

由圖9中曲線和圖10中曲線可以看出，當(dāng)彈簧得到力矩的作用，開始卷緊時候，隨著卷緊圈數(shù)矩也越來越大，但由于彈簧存在空轉(zhuǎn)，彈簧空轉(zhuǎn)的圈數(shù)也在增加，彈簧剛度曲線的直線段斜率在逐漸變小，再由彈簧的儲能計算公式為U=T￠，通過U=T￠可以把扭力的兩個曲線相加，就可以畫出能量曲線，如圖11和圖12所示，圖11和圖12分別為3圈彈簧和5圈彈簧的儲能曲線圖，曲線1代表的彈簧變化角度趨勢，曲線2代表的是彈簧扭力的變化趨勢，根據(jù)彈簧的儲能公式U=T￠合成得到，即曲線1和曲線2的相乘疊加，其中，橫坐標表示彈簧的旋轉(zhuǎn)角度，縱坐標表示彈簧所儲存的能量，單位為N.mm.r。

從上面的圖可以看出，彈簧剛剛開始就承載大的力，而且就有能量儲存，當(dāng)彈簧受力不斷加大。能量也儲存的越來越大，所以可以推斷彈簧的儲能曲線的變化趨勢類似與圖11和圖12所示彈簧的儲能曲線。

由上面得到了其在施加一個恒定角速度情況下的彈簧剛度曲線及其儲能曲線，下面我們對彈性儲能裝置的彈簧儲能進行計算，計算如下：

圖9　3圈彈簧剛度曲線Fig.9　3parts　of　coil　spring　stiffness　curve

圖10　5圈彈簧剛度曲線Fig.10　5　parts　of　coil　spring　stiffness　curve

圖11　3圈彈簧的儲能曲線Fig.11　3　parts　of　Spring　energy　storage　curve

圖12　5圈彈簧的儲能曲線Fig.12　5parts　of　Spring　energy　storage　curve

式中 K 為渦簧的剛度。

當(dāng)彈簧末端固定不動，固定在A上，A點到彈簧末端長度為r，在軸上力的大小為T1時，A點將會有T大小的力，相交點的力為P，外部向力大小為P。沿彈簧長度s取無限小的ds彈簧單元體，則此單元內(nèi)的彈簧變形能dU為：

圖13　彈簧的受力分析簡圖Fig.13　The　diagram　of　spring　force　analysis

在下式中，E表示彈性材料的模量；I 表示為慣性矩，T表示為軸上的牛力大小。彈簧的最大長度為1時，可以得到下式U為：

當(dāng)軸上用T大小的力時，彈簧內(nèi)部受力均勻，跟軸受的力一樣大，根據(jù)力學(xué)中的卡式定理：變形能對任一外力 P 的偏導(dǎo)數(shù)，等于P作用點沿彈簧P方向上的位移 δ，用公式表示:

因此可得彈簧的變形角為：

由公式（3-1）、（3-4）可得彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度為：此外，由（3-3）、（3-4）可得到彈簧儲能公式的另一種表達方式：

若用變形圈數(shù)n表示變形角的大小，則φ=2πn，由此得彈簧的工作圈數(shù)為：

根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準[39]JB/T7366-1994，選擇彈簧截面的寬度b=80mm和厚度h=4mm。在進行彈簧設(shè)計時，一般選擇彈黃長度l和彈簧厚度h的比值，最大不超過15000，所以該彈簧的極限工作長度為=1653MPa。

己知該彈簧的基本參數(shù)和材料特性，可以確定其所承受的極限轉(zhuǎn)矩Tj為:所以，可得到該彈簧的最大輸出轉(zhuǎn)矩T2為：

其中，K3是根據(jù)固定方式不同選擇的系數(shù)，本文選擇銷式固定。該彈簧所纏繞的芯軸的直徑d3可由公式：

確定，本文選擇放置該彈簧所需的彈簧盒的內(nèi)徑D2為：當(dāng)彈簧受載卷緊時，彈簧圈的外徑d2為：

由卷緊時渦簧的外徑d2和芯軸直徑d1可以確定彈簧在卷緊時候的圈數(shù)n2為:

當(dāng)彈簧卸載松卷時，彈簧的內(nèi)徑D1為：

由該彈簧的基本參數(shù)和其所能承受的最大輸出轉(zhuǎn)矩T2可以確定該彈簧的理論工作圈數(shù)n為:

由彈簧卷緊時的圈數(shù)減去其理論工作圈數(shù)可以得到彈簧在自由狀態(tài)下的圈數(shù)n0為:

當(dāng)彈簧置于彈簧盒內(nèi)后，由彈簧盒內(nèi)徑D2和彈簧卸載松卷時彈簧圈的內(nèi)徑D1可以確定該彈簧在未加轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下的圈數(shù)n1為:

由此可以得到該彈簧的有效工作轉(zhuǎn)數(shù)n有效為：

根據(jù)公式（3-6）可得彈簧的最大儲能U為

功率P為

所以，彈簧的儲能密度p為:

從上面看儲能密度比較大，再假設(shè)每個儲能彈簧重為30，又因為儲能彈簧的個數(shù)在彈簧數(shù)量能夠提供足夠多的情況下，可以實現(xiàn)儲能巨大（n為彈簧個數(shù)）W的值為：

在n為無限的條件下可以實現(xiàn)無限儲能。

3　結(jié)束語

新型的彈簧儲能系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是能實現(xiàn)多級儲能，并且每級儲好能后可以以能量子彈的形式分級移出來，在能量子彈足夠多的情況下可以實現(xiàn)無限儲能，所儲能量大大增加，所儲能量大，為解決微電網(wǎng)并網(wǎng)問題打下了基礎(chǔ)。移出的能量子彈也可以為電動汽車充電，只要把能量子彈移到電動汽車上可以讓電動汽車邊走邊充電，解決電動汽車充電等待時間長的問題。

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作者簡介：何勇（1988-），男，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.010

A New Type of Multistage Energy Storage System Based on Grid-Connected Micro-grid

HEYong,PENGXiao,ZENLi-qiong,FENGRen
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Hunan Zhuzhou, 412000)

Abstract:Anewtypeofelasticenergystoragesystemisproposedinthispaper,realizingtheautomaticcontrolofenergy storageandtheenergyreleasebytheco-operationoftherelatedautomaticcontrolsystem.Thisdesign,withalargestorageand highreuseratio,adoptsthemultistageclockworksrepeatedstorage,againstthedisadvantageofthetraditionalchemicalbattery. Theconceptofanewtypeofenergystorageenergybulletsintroducedforthefirsttime,inwhichtheenergybulletsandmatrix canbeseparatedbysomerelevantbrakingcontrolsystem.Suchenergybulletscansolvetheproblemoflargeenergy’sstorage andtransportinaelasticenergystorage,layingafoundationforgrid-connectedstabilityofthemicro-grid.

Keywords:Themicro-grid;Elasticenergystorage;Stability