李 松

(1. 江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 無(wú)錫 214433; 2. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院江陰中專辦學(xué)點(diǎn),江蘇 無(wú)錫 214433)

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),需提高可再生能源的消納能力,并保證能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。 可再生能源如風(fēng)能、光能等不穩(wěn)定的特點(diǎn),給電網(wǎng)帶來(lái)很大的不確定性,尤其在高溫和寒冷季節(jié)。 儲(chǔ)能技術(shù)能將多余的可再生能源儲(chǔ)存起來(lái),在電力供應(yīng)不足時(shí)向電網(wǎng)供電,實(shí)現(xiàn)可再生能源的平穩(wěn)消納,還能提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性,抵御天氣等突發(fā)事件的影響,確保電力供應(yīng)的安全穩(wěn)定。 儲(chǔ)能技術(shù)是推動(dòng)新能源發(fā)展和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要保障。 儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能兩類,機(jī)械彈性儲(chǔ)能(MEES)屬于物理儲(chǔ)能中的一種新型儲(chǔ)能技術(shù),可用于短時(shí)間內(nèi)需要大功率儲(chǔ)能的復(fù)雜環(huán)境,如抽油機(jī)能量回收、地鐵再生制動(dòng)能量回收以及低溫環(huán)境下車輛的啟動(dòng)電源等場(chǎng)合。

為全面梳理MEES 的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,為未來(lái)研究提供可借鑒的參考資料,余洋等人主編完成了《新型機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)》一書(shū),共14 個(gè)章節(jié)。 第1 章為儲(chǔ)能技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀;第2 章為MEES 關(guān)鍵技術(shù)、可行性及儲(chǔ)能指標(biāo);第3 章為MEES 用渦簧非線性力學(xué)特性;第4 章為MEES 用渦簧儲(chǔ)能過(guò)程的有限元數(shù)值分析;第5 章為MEES 用渦簧儲(chǔ)能密度的計(jì)算及設(shè)計(jì)優(yōu)化;第6 章為MEES 用聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其模塊化安裝調(diào)試技術(shù);第7 章為永磁電機(jī)式MEES 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型;第8 章和第9 章分別為永磁電機(jī)式MEES 系統(tǒng)儲(chǔ)能運(yùn)行與發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù);第10 章為永磁電機(jī)式MEES系統(tǒng)振動(dòng)抑制及振動(dòng)與效率同時(shí)優(yōu)化控制;第11 章為永磁電機(jī)式MEES 系統(tǒng)新型閉環(huán)I/f 控制及振動(dòng)與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)同時(shí)優(yōu)化控制;第12 章為永磁電機(jī)式MEES 系統(tǒng)邏輯保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì);第13 章為10 kW 永磁電機(jī)式MEES 系統(tǒng)技術(shù)集成及運(yùn)行實(shí)驗(yàn);第14 章為MEES 技術(shù)應(yīng)用探析。

1 機(jī)械彈性儲(chǔ)能(MEES)的優(yōu)勢(shì)與實(shí)現(xiàn)方式

機(jī)械儲(chǔ)能方式具有儲(chǔ)能容量大、效率高、成本低和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),MEES 技術(shù)不僅具有機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn),還具有很強(qiáng)的可控性和靈活性,適用于多種環(huán)境和場(chǎng)所。MEES 的儲(chǔ)能介質(zhì)為大型平面渦卷彈簧(以下簡(jiǎn)稱渦簧),能量存儲(chǔ)形式為機(jī)械彈性勢(shì)能。 平面渦卷彈簧具有優(yōu)異的機(jī)械性能,作為MEES 的儲(chǔ)能元件,具有可再生利用的特點(diǎn),在儲(chǔ)能元件失效后,還可以進(jìn)行回收再利用,這與當(dāng)前社會(huì)倡導(dǎo)的節(jié)能減排等重要政策方向相符。 同時(shí),通過(guò)機(jī)械手段實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能場(chǎng)地的規(guī)?；?可以進(jìn)一步擴(kuò)大儲(chǔ)能量。

MEES 技術(shù)將電力儲(chǔ)存到彈性儲(chǔ)能元件中,并在需要時(shí)釋放能量,因此MEES 技術(shù)包括儲(chǔ)能和發(fā)電兩個(gè)基本過(guò)程。 儲(chǔ)能時(shí),通過(guò)電動(dòng)機(jī)擰緊渦簧,電能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能;發(fā)電時(shí),渦簧釋放彈性勢(shì)能,轉(zhuǎn)化為電能,向電網(wǎng)或負(fù)載供電。 MEES 系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)多種機(jī)械元件的合理設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的儲(chǔ)能。

2 MEES 的關(guān)鍵技術(shù)

MEES 的關(guān)鍵技術(shù)包括:渦簧材料的彈性模量、密度、抗疲勞性能等;聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化;機(jī)組系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模;永磁同步電機(jī)的儲(chǔ)能運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù);變流器并網(wǎng)控制策略等。

彈性渦簧作為聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱的儲(chǔ)能元件,其材料性能、整體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性等是影響儲(chǔ)能效果的關(guān)鍵,因此,應(yīng)給予充分的研究。 在此基礎(chǔ)上,研究聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和安裝,建立其結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵性能參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)理論,關(guān)鍵性能參數(shù)包括儲(chǔ)能密度、儲(chǔ)能容量和動(dòng)態(tài)特性等。此外,還需要建立機(jī)組各子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,構(gòu)建MEES機(jī)組全仿真模型,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析。 在MEES 機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中,需要針對(duì)機(jī)組的儲(chǔ)能、并網(wǎng)和發(fā)電等不同運(yùn)行狀態(tài),研究?jī)?yōu)化控制策略和方法,以確保機(jī)組在不同狀態(tài)下的安全穩(wěn)定和高效運(yùn)行。 這些研究需要考慮到機(jī)組各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互耦合關(guān)系,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研發(fā)、制造和運(yùn)行生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行綜合應(yīng)用和驗(yàn)證。

3 MEES 用聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能箱是MEES 系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。 MEES 聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱由多個(gè)渦簧箱構(gòu)成,渦簧箱由主軸、箱體軸承、筒狀箱體和片狀渦簧等組成。 主軸由機(jī)座、機(jī)座軸承支撐,筒狀箱體由主軸、箱體軸承支撐。 相鄰渦簧箱之間通過(guò)主軸或筒狀箱體相連,當(dāng)儲(chǔ)能和釋能時(shí),各渦簧箱之間能夠形成聯(lián)動(dòng)。

聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱的工作原理是將渦簧材料的彈性形變用于能量?jī)?chǔ)存和釋放。 在儲(chǔ)能時(shí),動(dòng)力軸正向旋轉(zhuǎn),使第一個(gè)渦簧箱的渦簧被擰緊,該渦簧所在的箱體隨之正向轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)其他渦簧箱箱體依次轉(zhuǎn)動(dòng),所有渦簧被擰緊,實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存。 在釋能時(shí),當(dāng)?shù)谝粋€(gè)渦簧箱的渦簧被松開(kāi)后,動(dòng)力軸反向旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)其他箱體依次隨之反向轉(zhuǎn)動(dòng),所有渦簧松開(kāi),實(shí)現(xiàn)能量釋放,因此,渦簧箱的筒狀箱體起到機(jī)械聯(lián)動(dòng)的作用,通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)渦簧完成儲(chǔ)能和釋能的過(guò)程。 渦簧箱的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的優(yōu)良程度,直接決定了機(jī)組的儲(chǔ)能效率和能量輸出效率。 在不改變渦簧箱尺寸的情況下,這一特殊的聯(lián)動(dòng)式連接方式,增大了儲(chǔ)能箱的儲(chǔ)能容量,省去了齒輪等傳動(dòng)部件,降低了制造難度和成本,同時(shí)降低了運(yùn)行噪音。渦簧箱內(nèi)的渦簧由多組寬度受一定限制的片狀渦簧構(gòu)成,不僅易于加工和安裝,也增強(qiáng)了片狀渦簧的抗不均勻能力。

4 MEES 系統(tǒng)儲(chǔ)能運(yùn)行控制技術(shù)

儲(chǔ)能系統(tǒng)需要不斷進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能的轉(zhuǎn)換,因此,需要實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能和釋能過(guò)程的精確控制,以確保實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量?jī)?chǔ)存和釋放。 儲(chǔ)能元件的彈性勢(shì)能高效且穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為電能,是儲(chǔ)能機(jī)組的核心技術(shù)指標(biāo)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)因運(yùn)行效率高和高轉(zhuǎn)矩電流體積比的優(yōu)點(diǎn)被選作MEES 系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 永磁同步電機(jī)是能量轉(zhuǎn)化的核心元件,技術(shù)要求為:①在儲(chǔ)能過(guò)程中,應(yīng)具備高效儲(chǔ)能的能力;②在釋能過(guò)程中,能夠及時(shí)響應(yīng)運(yùn)行需求,輸出電能;③在機(jī)組并網(wǎng)時(shí),能夠快速實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率的無(wú)沖擊并網(wǎng),并保持電網(wǎng)和電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。 對(duì)永磁同步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì),如電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制、電磁場(chǎng)分析、電機(jī)溫度管理和儲(chǔ)能與發(fā)電之間的切換控制策略等方面進(jìn)行研究,可提高M(jìn)EES 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。

在控制永磁同步電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能和釋能的過(guò)程中,仍存在一些問(wèn)題:一是由于MEES 系統(tǒng)的能量輸入和輸出都依賴永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制,因此,對(duì)其控制要求很高,需要采用先進(jìn)的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)高效能量的轉(zhuǎn)換;二是MEES 系統(tǒng)需要簡(jiǎn)單而有效的控制策略,以充分利用其能量密度優(yōu)勢(shì),這對(duì)于永磁同步電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和識(shí)別至關(guān)重要。

基于此,為確保高質(zhì)量發(fā)電,需要根據(jù)儲(chǔ)能箱組的運(yùn)行特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 建立基于永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的MEES機(jī)組的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行全面仿真模擬。 為滿足儲(chǔ)能運(yùn)行的需求,提出針對(duì)永磁同步電機(jī)式MEES 機(jī)組的控制策略,電機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制,電網(wǎng)側(cè)變流器則采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。 仿真分析了在儲(chǔ)能運(yùn)行狀態(tài)下,永磁同步電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電流d軸和q軸分量和電磁轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行特性。 仿真結(jié)果表明,電機(jī)能夠快速跟蹤指定轉(zhuǎn)速,并在三相定子電流上很好地實(shí)現(xiàn)解耦,同時(shí)也能夠較好地實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)速的控制。 綜合考慮永磁同步電機(jī)的控制策略和儲(chǔ)能運(yùn)行特性,可以實(shí)現(xiàn)MEES 機(jī)組的高效儲(chǔ)能和穩(wěn)定發(fā)電。 這些研究成果,可為MEES 機(jī)組的設(shè)計(jì)和控制提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)于MEES 系統(tǒng)中永磁同步電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行控制的具體問(wèn)題,主要涉及負(fù)載慣量和扭矩同時(shí)變化情況下的控制方法。 首先,需要辨識(shí)出儲(chǔ)能箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩,再通過(guò)設(shè)計(jì)非線性反推控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行控制。這種控制器可以根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電流、速度和負(fù)載變化等信息,實(shí)時(shí)采取相應(yīng)的控制措施,以確保永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)能夠穩(wěn)定工作。 在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證和分析,以便確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。 此外,還需要對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。 最后,通過(guò)仿真測(cè)試,對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和分析,評(píng)估控制系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性和魯棒性,確認(rèn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

反推控制器是建立在比例積分(PI)控制器基礎(chǔ)上的,其工作原理是對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)力和負(fù)載扭矩進(jìn)行反推,再根據(jù)反推結(jié)果來(lái)控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流。反推控制器的設(shè)計(jì)包括以下主要步驟。 首先,需要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的反推算法來(lái)計(jì)算電動(dòng)力和負(fù)載扭矩的值。 一種常用的方法是基于磁鏈觀測(cè)器的反推算法。 基于這種算法,可以通過(guò)觀察永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁鏈來(lái)計(jì)算電動(dòng)力和負(fù)載扭矩的值,實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制。 其次,需要對(duì)反推控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 反推控制器的參數(shù)包括比例和積分系數(shù)等。 在參數(shù)優(yōu)化中,需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真等方式來(lái)確定反推控制器的最佳參數(shù)。 參數(shù)的優(yōu)化可以使設(shè)備更好地適應(yīng)負(fù)載慣量和扭矩同時(shí)變化的情況,提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制效果和穩(wěn)定性。 最后,需要通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和分析反推直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)的性能。 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),可以評(píng)估反推DTC 系統(tǒng)的控制效果和穩(wěn)定性,在不同負(fù)載慣量和扭矩條件下,驗(yàn)證反推DTC 控制器的效果,為進(jìn)一步應(yīng)用和推廣提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保障。

5 結(jié)語(yǔ)

《新型機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)》一書(shū)系統(tǒng)地分析、總結(jié)了新型MEES 技術(shù)的基礎(chǔ)理論、實(shí)現(xiàn)方案及技術(shù)應(yīng)用。 該書(shū)將系統(tǒng)性、前沿性、理論性與工程實(shí)踐緊密結(jié)合,融合了電機(jī)、材料及機(jī)械專業(yè)相關(guān)知識(shí),方便讀者深入淺出地理解新型MEES技術(shù),實(shí)用性較強(qiáng)。 可供能源、電力、機(jī)械等專業(yè)師生參考,也為傳播MEES 技術(shù)起到拋磚引玉的作用。

書(shū)名:新型機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)

作者:余洋 湯敬秋 段巍 米增強(qiáng)主編

ISBN:9787122397591

出版社:化學(xué)工業(yè)出版社

出版時(shí)間:2022-01

定價(jià):￥128.00 元