新型机械弹性储能技术

如何实现“碳达峰、碳中和”，是能源电力行业未来很长一段时间的工作重点。毋庸置疑，发展风电、光伏等新能源产业将为“双碳”目标实现和新型电力系统构建贡献主要力量。不过，新能源具有空间尺度分散、时间尺度随机的固有特点，且不具备常规能源的自调节能力。储能技术是解决新能源带来的一系列问题的“牛鼻子”，是辅助电网调峰调频、保障间歇式新能源大规模入网的关键核心技术，能在电力系统发、输、配、用四大环节发挥巨大效用。当前，储能技术发展可谓方兴未艾、百家争鸣，物理储能作为储能技术的重要分支，也异常繁荣。技术成熟的抽水蓄能当下已经开启了加速建设模式，已商业化运行的飞轮储能正朝着更大容量、更大功率、更小损耗的目标迈进，补燃型、非补燃型压缩空气储能投运项目也频见报端。不过从现实需求和市场反映来看，由于不同储能技术各具优缺点，发展储能技术仍然面临成本、技术和市场多方面阻碍。

本书作者课题组于 2009 年开始思考能否借鉴传统涡簧储能思路使其应用于电能存储。为推进机械弹性储能技术的研发进度，华北电力大学专门组建了机械弹性储能技术研究室，形成了由电力工程系和机械工程系组成的跨学科研究团队。本着大胆假设、小心求证的科学研究思路，课题组 2010 年申报了项专利“电网用弹性储能发电系统”，十几年来我们的研究成果先后得到了*高校博士学科点专项基金、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金青年基金、河北省自然科学基金面上项目、国家自然科学基金面上项目、国家电网公司总部科技项目等基金与项目资助，也得到了新能源电力系统国家重点实验室多项课题连续资助。正是十几年来我国学术界和工业界对于机械弹性储能技术的大力支持，才让机械弹性储能技术从初脑海中的模糊构想，一步步变为案头设计图纸、原理性样机和实验性样机。

本书是机械弹性储能技术领域的一本学术专著。毋庸置疑，机械弹性储能是一个综合性跨学科研究领域，涉及储能科学与工程、材料学、机械设计及理论、电机运行与控制等多学科知识及应用。对于本书的定位和内容框架我们也思考良久，出版这本专著的首要目的是为我们过去十多年来关于机械弹性储能技术积淀的经验和教训做深度思考和研究总结，同时全面梳理机械弹性储能的关键科学与技术问题，以为后人和未来研究提供可借鉴和有价值的参考资料。全书共分 14 章。第 1 章储能技术及发展现状，在分析实现“双碳”目标和构建新能源为主体新型电力系统进程中储能技术研发的背景及意义，对储能技术研究现状做了简介，并对机械弹性储能技术的提出、技术优势与实现方式进行了概述。第 2 章分析了机械弹性储能涉及的关键技术，分析了机械弹性储能技术可行性，构建了机械弹性储能技术特性指标，并将机械弹性储能技术与其他储能技术进行了对比。第 3 章对机械弹性储能用大型涡簧的非线性力学特性进行了研究，分别构建了储能前、储能中涡簧力学模型，尤其是采用形态迭代法对储能过程中涡簧弯矩和转动惯量进行了通用计算。第 4 章采用有限元仿真方法对机械弹性储能用涡簧应力、稳定性、模态和结构力学进行了分析。第 5 章对机械弹性储能用涡簧的储能密度进行了分析计算，并对提高涡簧储能密度进行了优化设计。第 6 章为机械弹性储能用联动式储能箱结构设计及其模块化安装调试技术，设计了适宜于大规模储能的联动式储能箱结构，并对其工作原理进行了分析，还对涡簧标准化模块封装技术、涡簧模块推拉式装配技术和联动式储能箱安装调试技术进行了研究。第 7 章构建了不同坐标系下永磁电机式机械弹性储能系统的数学模型。第 8 章和第 9 章分别研究了永磁电机式机械弹性储能系统储能运行与发电运行控制技术。第 10 章对永磁电机式机械弹性储能系统振动进行了抑制，同时分析了系统振动与效率同时优化控制的方法。第 11 章构建了永磁电机式机械弹性储能系统新型闭环 I/f 控制框架，并基于该框架对系统振动与转矩脉动的同时抑制进行了控制设计及仿真验证。第 12 章设计了永磁电机式机械弹性储能系统逻辑保护与监控系统。第 13 章探讨了 10kW 永磁电机式机械弹性储能系统的集成技术，并开展了样机运行实验。第 14 章探析了机械弹性储能技术应用场景——城铁再生制动能量回收、岸桥集装箱起重机节能降耗、风力发电机组涡簧储能调速装置、汽车用机械弹性储能驱动技术、波浪能回收与利用、微电网冲击负荷功率波动平抑。

本书旨在探讨新型机械弹性储能技术的总体技术方案、系统性设计、模型和控制方法。由于机械弹性储能技术相关研究资料有限，本书作者怕误导后人，是以一种诚惶诚恐的姿态将本书呈现于读者，希望本书出版能为我国机械弹性储能技术的研究提供有益的前沿性理论和实践材料，也为推动我国机械弹性储能技术的进步贡献绵薄之力。

本书由华北电力大学电力工程系米增强教授和机械工程系王璋奇教授带领机械弹性储能研究团队根据十多年的研究成果和实践经验、结合国内外相关研究进行系统地归纳、编写而成。感谢华北电力大学电气与电子工程学院博士研究生郑晓明，机械工程系硕士研究生冯恒昌、刘美娇、方涛，电力工程系硕士研究生车一鸣、王磊、赵彤、徐以坤、吴婷、畅达、郭旭东、田夏、从乐瑶为课题研发付出的努力，感谢电力工程系硕士研究生卢健斌、谢仁杰为样机开发和调试付出的艰辛，感谢电力工程系硕士研究生王孟云、冯路婧为本书进行资料收集与整理工作。在此谨向他们致以深切的谢意！本书部分内容已在华北电力大学研究生教学、本科生教学中连续使用。

化学工业出版社对本书出版给予了大力支持和帮助，作者谨借此机会表达深切的谢意！

限于作者水平，书中难免有不妥之处，恳请读者批评、指正。

作者

2021年5月

本书是我国机械弹性储能科技领域的本著作，系统地阐述了华北电力大学机械弹性储能团队十几年来所取得的研究成果，并通过探讨国内外相关技术研究现状，系统地分析、总结新型机械弹性储能技术的基础理论、实现方案及其技术应用。从翔实的理论分析入手，到10kW永磁电机式机械弹性储能系统样机的具体设计和运行，再到机械弹性储能系统各类场景的应用设计展望，方便大家深入浅出地理解新型机械弹性储能技术。本书将系统性、前沿性、理论性与工程实践紧密结合，融合了电机、材料及机械专业相关知识，可供能源、电力、机械等专业师生参考，也为传播机械弹性储能技术起到抛砖引玉的作用。

余洋，男，2005年华北电力大学（保定）电气工程及其自动化专业本科毕业，2008年西安交通大学电力系统及其自动化专业硕士毕业，2016年华北电力大学电力系统及其自动化专业博士毕业。2019—年至2020年美国Lehigh University公派访问学者。

现为华北电力大学（保定）电力工程系副教授，硕士研究生导师，电自教研室副主任，九三学社华北电力大学支社副主委。IEEE抽水蓄能中国区储能技术委员会储能并网与运行技术分委会理事、储能市场与规划技术分委会理事，IEEE Member，中国电机工程学会会员，新能源电力系统国家重点实验室研究成员，河北省分布式储能与微网重点实验室研究成员。

长期从事电力储能技术、需求侧资源聚合建模与调度控制等领域的研究工作。在《IEEE Trans. Power Electronics》、《中国电机工程学报》、《储能科学与技术》等国内外重要期刊上发表论文30多篇，以主要发明人申请授权发明专利20余项。

承担国家自然科学基金青年基金、中央高校基本科研业务费基金、国家电网公司、南方电网公司、科研机构等纵横向项目10多项；参与国家重点研发计划项目、*高校博士学科点基金。曾获河北省科学技术进步奖二等奖1项，入选河北省“三三三人才工程”人选。目前正主持国家自然科学基金面上项目、河北省自然科学基金面上项目、新能源电力系统国家重点实验室自主课题、国家电网、南方电网等多个项目。

第 1 章　储能技术及发展现状　 1

1.1　新形势下储能技术的研发背景及意义 1

1.1.1　研发背景 1

1.1.2　研发意义 2

1.2　储能技术研究现状 3

1.2.1　物理储能 4

1.2.2　电化学储能 6

1.2.3　电磁储能 7

1.2.4　相变储能 8

1.2.5　对现有储能技术的评价 8

1.3　机械弹性储能技术概述 9

1.3.1　机械弹性储能技术的提出 9

1.3.2　机械弹性储能技术优势分析 10

1.3.3　机械弹性储能系统的技术实现形式 11

参考文献 12

第 2 章　机械弹性储能关键技术、可行性及储能指标　 14

2.1　引言 14

2.2　机械弹性储能关键技术分析 14

2.3　机械弹性储能技术的可行性 15

2.4　机械弹性储能技术的主要特性指标 17

2.4.1　储能技术的主要特性指标 17

2.4.2　机械弹性储能技术特性指标 19

2.4.3　不同涡簧材料的储能特性指标分析与比较 24

2.4.4　机械弹性储能与其他储能技术的特性比较 28

参考文献 33

第 3 章　机械弹性储能用涡簧非线性力学特性　 34

3.1　引言 34

3.2　关于涡簧的基本假设 34

3.3　非接触型涡簧的力学分析 35

3.4　接触型涡簧力学模型的建立及分析 37

3.4.1　储能前涡簧的两种状态 38

3.4.2　储能前涡簧力学特性的计算 41

3.4.3　初始状态涡簧弯矩计算结果 52

3.5　储能过程涡簧力学模型建立及分析 54

3.5.1　涡簧 3 种形态的划分 54

3.5.2　涡簧储能过程的非线性分析 56

3.5.3　涡簧 3 种形态及弯矩的计算 57

3.5.4　形态迭代法的建立 62

3.5.5　涡簧形状、弯矩变化计算结果 63

3.6　储能过程涡簧转动惯量计算 65

3.6.1　涡簧转动惯量计算方法分析 65

3.6.2　涡簧转动惯量的计算 66

3.6.3　转动惯量计算结果 70

参考文献 71

第 4 章　机械弹性储能用涡簧储能过程的有限元数值分析　 72

4.1　引言 72

4.2　储能过程涡簧的应力分析 72

4.2.1　涡簧极坐标方程的建立 73

4.2.2　涡簧应力的计算及分析 77

4.2.3　有限元建模及分析 78

4.3　储能过程涡簧的稳定性分析 81

4.3.1　钢梁的稳定性 81

4.3.2　有限元建模及分析 83

4.3.3　结果分析 85

4.4　涡簧模态分析 87

4.4.1　模态分析方法 87

4.4.2　单体涡簧模态分析 87

4.4.3　涡簧箱模态分析 89

4.5　涡簧连接结构力学分析 93

4.5.1　涡簧内端连接强度分析 93

4.5.2　涡簧外端连接强度分析 98

参考文献 103

第 5 章　机械弹性储能用涡簧储能密度的计算及设计优化　 104

5.1　引言 104

5.2　涡簧储能密度概述 104

5.3　涡簧储能密度的分析计算及优化 105

5.3.1　涡簧储能量的分析计算 105

5.3.2　涡簧储能密度影响因素的分析 107

5.3.3　提高涡簧储能密度的方法 110

5.3.4　涡簧储能密度的优化 111

5.3.5　优化结果分析 113

5.3.6　有限元建模分析 115

5.3.7　储能密度结构优化的实现 118

5.4　基于微分进化的涡簧结构优化设计 119

5.4.1　优化问题的描述 119

5.4.2　3 种目标函数下涡簧的优化设计结果 121

5.4.3　3 种目标函数下优化设计后涡簧储能特性的比较 123

5.4.4　3 种目标函数下取不同弹簧厚度范围时涡簧的优化设计 125

参考文献 130

第 6 章　机械弹性储能用联动式储能箱结构设计及其模块化安装调试技术　 131

6.1　引言 131

6.2　现有提高涡簧储能量的结构设计分析 131

6.3　联动式储能箱结构设计及工作原理分析 132

6.3.1　联动式储能箱的结构设计 132

6.3.2　联动式储能箱的工作原理 133

6.3.3　联动式储能箱用支撑装置 134

6.3.4　联动式储能箱的优点分析 136

6.4　涡簧标准化模块封装技术 137

6.5　涡簧模块推拉式装配技术 138

6.6　联动储能箱组安装调试技术 139

参考文献 141

第 7 章　永磁电机式机械弹性储能系统的数学模型　 142

7.1　引言 142

7.2　永磁同步电机的数学模型 142

7.2.1　永磁同步电机结构 142

7.2.2　建模假设 143

7.2.3　静止 ABC 坐标系下的数学模型 143

7.2.4　静止 αβ 坐标系下的数学模型 145

7.2.5　旋转 dq0 坐标系下的数学模型 146

7.3　双 PWM 变频器模型 147

7.3.1　双 PWM 变频器结构及工作原理 147

7.3.2　SVPWM 控制技术 148

参考文献 153

第 8 章　永磁电机式机械弹性储能系统储能运行控制技术　 154

8.1　引言 154

8.2　控制问题的形成 154

8.2.1　永磁同步电动机控制技术分析 154

8.2.2　机械弹性储能用永磁同步电动机控制问题提出 155

8.3　负载惯量、扭矩同时变化情形下永磁同步电动机低速运行控制 156

8.3.1　储能箱转动惯量及转矩同时辨识 156

8.3.2　非线性反推控制器设计 157

8.3.3　稳定性证明及分析 161

8.3.4　控制参数优化 162

8.3.5　仿真实验与分析 164

8.4　负载惯量、扭矩同时变化情形下系统反推 DTC 控制 167

8.4.1　反推控制器设计 167

8.4.2　控制参数优化 170

8.4.3　仿真实验与分析 171

参考文献 174

第 9 章　永磁电机式机械弹性储能系统发电运行控制技术　 176

9.1　引言 176

9.2　控制问题的形成 176

9.2.1　永磁同步发电机控制技术分析 176

9.2.2　机械弹性储能用永磁同步发电机控制问题提出 177

9.3　动力源惯量、输出扭矩同时变化时永磁同步发电机运行控制 178

9.3.1　动力源转动惯量和转矩同时变化的数学描述 178

9.3.2　电机内部结构参数不确定的数学表达 179

9.3.3　高增益干扰观测器设计 180

9.3.4　L2 鲁棒反推控制器设计 181

9.3.5　稳定性分析与证明 183

9.3.6　仿真实验与分析 185

9.4　动力源惯量、输出扭矩同时变化时系统自适应调速及并网控制 186

9.4.1　自适应调速控制算法 186

9.4.2　并网控制算法 190

9.4.3　仿真实验与分析 192

参考文献 195

第 10 章　永磁电机式机械弹性储能系统振动抑制及振动与效率同时优化控制　 196

10.1　引言 196

10.2　国内外研究现状 196

10.2.1　柔性负载振动抑制研究现状 196

10.2.2　PMSM 驱动系统效率优化控制方法现状 197

10.3　系统运行振动抑制 198

10.3.1　基于反推原理的机组储能运行振动抑制控制器设计 198

10.3.2　基于小二乘法的涡簧振动模态估计 205

10.3.3　反推控制器稳定性证明 206

10.3.4　实验验证及分析 206

10.4　系统运行振动与效率同时优化控制 211

10.4.1　基于损耗模型的机组统一控制反推控制器设计 211

10.4.2　基于自适应神经模糊推理的铁耗电阻辨识 216

10.4.3　控制器稳定性证明 219

10.4.4　实验验证及分析 219

参考文献 224

第 11 章　永磁电机式机械弹性储能系统新型闭环 I/f控制及振动与转矩脉动同时优化控制　 225

11.1　引言 225

11.2　国内外研究现状 226

11.3　系统新型闭环 I/f控制 228

11.3.1　I/f控制的可行性分析 228

11.3.2　对传统 I/f控制的改进策略 230

11.3.3　仿真实验分析 233

11.4　系统运行振动与转矩脉动同时优化控制 237

11.4.1　机械弹性储能机组控制性能提升的必要性分析 237

11.4.2　考虑转矩脉动的 PMSM 电磁转矩模型 238

11.4.3　考虑涡簧振动及电机转矩脉动的闭环 I/f 控制策略优化 240

11.4.4　仿真及实验验证 243

参考文献 248

第 12 章　永磁电机式机械弹性储能系统逻辑保护与监控系统设计　 251

12.1　引言 251

12.2　逻辑保护和监控系统功能要求和设计原则 252

12.2.1　逻辑保护系统功能要求和设计原则 252

12.2.2　监测控制系统功能要求和设计原则 253

12.3　机械弹性储能机组逻辑保护系统设计 254

12.3.1　部件使能逻辑保护 254

12.3.2　运行动作逻辑保护 255

12.3.3　运行状态显示保护 256

12.4　机械弹性储能机组监测控制系统设计 258

12.4.1　监控系统控制面版 259

12.4.2　监控系统运行程序 262

12.4.3　监控系统故障保护 276

参考文献 277

第 13 章　10kW 永磁电机式机械弹性储能系统技术集成及运行实验　 278

13.1　引言 278

13.2　10kW 机械弹性储能实验性样机技术集成 278

13.2.1　实验性样机总体技术方案 278

13.2.2　实验性样机储能箱组参数计算 279

13.2.3　实验性样机机械传动及电气控制装置配套设计 281

13.3　10kW 机械弹性储能实验性样机运行实验及结果分析 286

13.3.1　实验性样机转速恒定运行实验 286

13.3.2　实验性样机功率恒定运行实验 291

参考文献 297

第 14 章　机械弹性储能技术应用探析　 298

14.1　引言 298

14.2　机械弹性储能技术应用于城铁再生制动能量回收 298

14.2.1　城铁再生制动能量回收常见方案 298

14.2.2　配备储能设备的功率和能量计算 299

14.3　机械弹性