飞轮储能系统技术与工程应用

我国风能、光能等可再生能源的发展已经进入快车道,风光发电的间歇性和波动特性给电网的频率稳定性和供电可靠性带来了极大挑战。储能技术能够实现电力系统的柔性调节,是解决高比例新能源接入引起电网稳定性问题的重要手段,是保障高敏感负荷供电质量的有效途径。飞轮储能技术是一种重要的物理储能技术,具备单机功率大、高频次充放电、循环寿命长、环境特性友好的优点,在满足可再生能源电网短时高频次储能需求中,必将发挥重要的作用。

飞轮储能技术涉及高速机械、电机、变流器等机械、电气学科,是多学科交叉的高新技术学科,需要进行系统而广泛的研究。目前,国内飞轮储能技术应用尚处于起步阶段,技术研发企业有10余家,研究机构有20余家,未来有广阔的发展前景。

本书系统、全面地论述飞轮储能系统技术特征、部件设计理论与方法,并通过飞轮储能系统案例研究论证飞轮储能技术的先进性和工程实用价值。内容主要包括飞轮储能系统原理、结构、关键技术与应用,分析了飞轮储能系统总体特性,提出了飞轮结构、永磁电机、微损耗轴承、变流器、辅助设备的设计方法,通过实验系统、动态UPS样机研制、油井钻机工程示范应用的研究案例检验设计理论与方法,展示飞轮储能系统技术的特性。

飞轮储能技术方面出版的著作非常少,国外的一本已有的专著偏重于飞轮结构、轴承技术,对电机、电机控制变流器技术内容涉及很少。国内的一本已有的专著主要讨论了永磁轴承技术。本书全面、系统,且通过多种飞轮储能案例研究论证飞轮储能技术特性,著述的设计理论方法更具有实用性。

本书可为飞轮储能技术开发企业技术人员、飞轮储能技术研究机构研发人员、研究生,相关机械、电气学科提供详实丰富的资料和基础技术以及可参考性强的案例。

《飞轮储能系统技术与工程应用》是在清华大学、中科院工程热物理研究所飞轮储能技术多年研究基础上编写而成的,并结合了国内国际的研究成果,参考文献均列入相关章节,再次感谢各位参考文献的作者,也感谢清华大学、中科院工程热物理研究所飞轮储能团队集体的付出。同时,本书出版得到国家重点

研发计划项目“MW级先进飞轮储能关键技术研究”(2018YFB0905500)资助,在此表示感谢。

限于时间和水平,本书难免存在疏漏和不足之处,请各位读者不吝指正。

戴兴建

2020年6月

第1章　飞轮储能技术概论001

1.1　储能技术简述002

1.2　飞轮储能原理与结构004

1.2.1　储能原理004

1.2.2　飞轮储能系统结构004

1.2.3　飞轮储能技术现状005

1.3　飞轮储能系统关键技术008

1.3.1　飞轮008

1.3.2　轴承010

1.3.3　电机012

1.3.4　变流器013

1.3.5　辅助设备013

1.4　飞轮储能应用014

1.4.1　高脉冲功率应用014

1.4.2　动态不间断电源015

1.4.3　车辆动能再生及利用015

1.4.4　起重机械释能回收利用016

1.4.5　新能源发电017

1.5　本章小结019

参考文献020

第2章　飞轮材料应用结构设计及试验032

2.1　概述033

2.2　合金材料飞轮结构优化034

2.2.1　材料特性034

2.2.2　旋转体弹性分析035

2.2.3　构型优化038

2.2.4　结构有限元分析038

2.2.5　合金飞轮结构设计案例分析039

2.3　复合材料飞轮结构优化047

2.3.1　概述047

2.3.2　纤维增强复合材料特性047

2.3.3　构型设计048

2.3.4　简化弹性分析051

2.3.5　有限元分析053

2.3.6　多层圆环工艺试验飞轮设计053

2.3.7　飞轮-芯轴连接结构优化054

2.3.8　10kW·h级复合材料飞轮设计案例分析055

2.4　高速飞轮旋转强度试验研究063

2.4.1　高速旋转驱动技术063

2.4.2　频闪光学应变片动态应变测量新方法064

2.4.3　圆标记法测量变形067

2.5　本章小结076

参考文献076

第3章　飞轮电机设计与分析079

3.1　飞轮储能电机分类080

3.1.1　飞轮电机类型080

3.1.2　飞轮电机数学模型082

3.1.3　飞轮储能电机特性要求086

3.2　飞轮储能永磁同步电机设计087

3.2.1　永磁同步电机电磁方案设计087

3.2.2　电机永磁材料090

3.2.3　永磁电机转子结构强度分析090

3.2.4　1MW永磁电机转子强度分析实例091

3.3　永磁同步电机参数测试方法093

3.3.1　定子电阻的测量093

3.3.2　直轴电感的测量093

3.3.3　交轴电感的测量094

3.3.4　反电势系数的测量094

3.3.5　转动惯量的测量095

3.3.6　电机电磁参数实例095

参考文献096

第4章　微损耗轴承系统研究设计097

4.1　飞轮储能装置轴承技术概述098

4.2　轴承工程应用099

4.2.1　机械轴承结合永磁轴承099

4.2.2　主动磁轴承100

4.3　重型永磁轴承设计101

4.3.1　永磁轴承构型101

4.3.2　永磁轴承设计103

4.3.3　50kN重载永磁轴承设计案例108

4.4　主动磁轴承设计110

4.4.1　电磁轴承结构110

4.4.2　电磁轴承磁铁及电磁力模型111

4.4.3　径向电磁轴承定转子设计113

4.4.4　轴向电磁轴承定转子设计115

4.4.5　永磁偏置径向磁轴承工作原理116

4.4.6　永磁偏置径向磁轴承设计117

4.4.7　永磁偏置径向磁轴承线性模型参量119

4.5　主动磁轴承控制器硬件单元121

4.5.1　磁轴承位移传感器121

4.5.2　磁轴承电流功率放大器124

4.5.3　磁轴承执行器带宽127

4.5.4　磁轴承控制平台129

4.6　单自由度电磁轴承系统建模131

4.7　刚性转子多自由度电磁轴承系统建模133

4.8　磁轴承飞轮陀螺力学与控制原理135

4.9　PID控制器性能分析149

4.10　交叉反馈控制性能分析151

4.11　低功耗控制器设计154

4.12　转子不平衡主动控制162

4.13　转子跌落保护及恢复165

4.14　磁轴承储能飞轮实例166

参考文献171

第5章　飞轮电机转子轴承系统动力学173

5.1　转子动力学理论174

5.1.1　刚体模型理论174

5.1.2　传递矩阵理论方法176

5.2　简化模态分析178

5.3　多自由度转子轴承系统分析181

5.3.1　系统设计181

5.3.2　振动力学模型182

5.3.3　模态力学特性183

5.3.4　阻尼参数对模态阻尼比的影响185

5.3.5　不平衡响应分析186

5.4　实验验证189

5.5　转子动力不稳定性和自激振动192

5.5.1　非同步振动192

5.5.2　涡动192

5.6　本章小结195

参考文献195

第6章　变流器控制技术研究196

6.1　拓扑结构197

6.1.1　两电平变流器拓扑198

6.1.2　三电平变流器拓扑198

6.1.3　无源滤波器199

6.2　控制原理200

6.2.1　矢量控制200

6.2.2　直接转矩控制202

6.3　脉冲宽度调制技术203

6.3.1　正弦脉宽调制技术203

6.3.2　空间矢量脉宽调制技术204

6.4　充放电控制策略205

6.4.1　电机侧充放电控制策略206

6.4.2　电网侧充放电控制策略208

6.5　无速度传感器控制算法210

6.5.1　基于反电势的无速度传感器控制算法211

6.5.2　基于模型参考自适应系统的无速度传感器控制算法212

6.6　飞轮储能系统充放电仿真模型及其仿真结果214

6.6.1　飞轮储能系统充放电仿真模型214

6.6.2　飞轮储能系统充放电仿真结果214

参考文献218

第7章　飞轮储能系统总体特性分析220

7.1　总体性能参数221

7.1.1　储能容量与储能密度221

7.1.2　功率及功率密度221

7.1.3　效率222

7.1.4　其他参数222

7.2　合金钢飞轮储能系统总体特性222

7.3　复合材料飞轮储能系统总体特性223

7.4　飞轮摩擦损耗224

7.4.1　转子外壁摩擦功耗的分析224

7.4.2　转子端面摩擦功率的计算227

7.4.3　分析与讨论228

7.4.4　实测结果与理论计算的比较230

7.5　轴承的损耗233

7.5.1　滚动轴承损耗233

7.5.2　流体动压轴承的损耗234

7.5.3　磁轴承损耗238

7.6　电机的损耗241

7.6.1　定子铁损耗242

7.6.2　定子铜损耗242

7.6.3　转子涡流损耗243

7.7　变流器的损耗243

7.7.1　功率器件损耗243

7.7.2　电路铜损耗244

7.7.3　控制电路损耗244

7.7.4　其他损耗244

7.8　辅助系统的损耗244

7.8.1　真空设备244

7.8.2　散热设备245

7.8.3　监控仪表245

7.9　充放电效率测量245

7.9.1　实验飞轮电机系统245

7.9.2　电能测量246

7.9.3　充电、放电效率分析247

7.9.4　飞轮系统效率测量247

7.9.5　飞轮充放电效率分析249

7.9.6　测试结论250

参考文献250

第8章　飞轮储能UPS设计与应用251

8.1　飞轮储能UPS的数学模型252

8.1.1　飞轮储能UPS的拓扑结构252

8.1.2　飞轮储能UPS的数学模型253

8.2　飞轮储能UPS的控制策略255

8.2.1　网侧变流器的控制策略255

8.2.2　机侧变流器控制策略258

8.3　飞轮储能UPS的仿真研究261

8.3.1　充电过程仿真分析261

8.3.2　放电过程仿真分析262

8.4　飞轮储能UPS的实验分析267

8.4.1　充放电实验268

8.4.2　电网频繁故障及恢复实验270

参考文献273

第9章　石油钻机中的飞轮储能研究及应用274

9.1　基于飞轮储能的石油钻机混合动力系统275

9.1.1　石油钻机机械传动系统275

9.1.2　含储能的混合动力运行模式278

9.2　大容量飞轮储能装置设计284

9.2.1　飞轮储能装置总体设计284

9.2.2　机械设计285

9.2.3　电机设计288

9.2.4　充放电控制系统设计293

9.3　飞轮转子轴承系统动力学296

9.3.1　轴系结构296

9.3.2　轴系动力学分析296

9.3.3　轴系和壳体的模态分析301

9.3.4　试验研究303

9.3.5　结论304

9.4　飞轮储能装置充放电试验304

9.4.1　飞轮储能系统实验平台304

9.4.2　飞轮储能系统充放电实验及结果分析305

9.4.3　小结310

9.5　大容量飞轮储能工程样机性能测试311

9.5.1　零部件制造总装和调试311

9.5.2　飞轮电机轴系装配及动平衡311

9.5.3　电动/发电控制312

9.5.4　损耗测试312

9.5.5　模拟钻井考核运行314

9.6　卫453井施工示范工程314

9.6.1　频繁充放电运转稳定性315

9.6.2　直流母线电压特性改进315

9.6.3　充电优化控制316

9.6.4　混合动力钻井施工节能效益分析317

9.6.5　小结323

参考文献323

第10章　飞轮储能阵列在风力发电中应用研究325

10.1　背景326

10.2　微电网模型与控制327

10.2.1　微电网拓扑结构327

10.2.2　微电网控制方式328

10.3　风力发电模型及其控制策略330

10.3.1　双馈异步风力发电系统数学模型330

10.3.2　双馈异步风力发电系统控制策略331

10.3.3　风力发电仿真模型332

10.3.4　风力发电仿真波形334

10.4　直流侧并联飞轮储能阵列及其协调控制策略335

10.4.1　直流侧并联飞轮储能阵列拓扑335

10.4.2　直流并联飞轮储能阵列协调控制策略336

10.4.3　直流侧并联飞轮阵列协调控制仿真339

10.5　微电网孤岛状态下交流侧并联飞轮储能阵列协调控制341

10.5.1　传统的下垂控制策略341

10.5.2　引入线性补偿的改进系数下垂控制策略341

10.5.3　改进系数下垂控制下飞轮储能阵列仿真342

10.5.4　引入虚拟电抗的改进系数下垂控制策略344

10.5.5　引入虚拟阻抗的改进系数下垂控制仿真346

10.5.6　微电网孤岛状态下交流侧并联飞轮储能阵列仿真349

10.6　微电网并网状态下交流侧并联飞轮储能阵列协调控制350

10.6.1　微电网控制架构350

10.6.2　可调度的飞轮储能阵列协调控制351

10.6.3　并网状态下飞轮储能阵列可调度协调控制仿真353

参考文献354

1.作者专业——戴兴建研究员从事飞轮储能研究近20年，书中涵盖其团队多年的研究成果，数据详实，内容可靠。

2.稀缺专著——市面上飞轮储能方面专著少，本专著通过飞轮储能关键设备的设计并辅助案例，更为实用，可参考性强。

3.原创性强——研究成果的总结，图书内容主要是戴兴建研究员团队的研究成果，结合国内外进展，内容前瞻，原创性好，对飞轮储能行业的指导性强。