飛輪儲能系統(tǒng)技術與工程應用

第1章　飛輪儲能技術概論001
1.1　儲能技術簡述002
1.2　飛輪儲能原理與結構004
1.2.1　儲能原理004
1.2.2　飛輪儲能系統(tǒng)結構004
1.2.3　飛輪儲能技術現(xiàn)狀005
1.3　飛輪儲能系統(tǒng)關鍵技術008
1.3.1　飛輪008
1.3.2　軸承010
1.3.3　電機012
1.3.4　變流器013
1.3.5　輔助設備013
1.4　飛輪儲能應用014
1.4.1　高脈沖功率應用014
1.4.2　動態(tài)不間斷電源015
1.4.3　車輛動能再生及利用015
1.4.4　起重機械釋能回收利用016
1.4.5　新能源發(fā)電017
1.5　本章小結019
參考文獻020

第2章　飛輪材料應用結構設計及試驗032
2.1　概述033
2.2　合金材料飛輪結構優(yōu)化034
2.2.1　材料特性034
2.2.2　旋轉體彈性分析035
2.2.3　構型優(yōu)化038
2.2.4　結構有限元分析038
2.2.5　合金飛輪結構設計案例分析039
2.3　復合材料飛輪結構優(yōu)化047
2.3.1　概述047
2.3.2　纖維增強復合材料特性047
2.3.3　構型設計048
2.3.4　簡化彈性分析051
2.3.5　有限元分析053
2.3.6　多層圓環(huán)工藝試驗飛輪設計053
2.3.7　飛輪-芯軸連接結構優(yōu)化054
2.3.8　10kW·h級復合材料飛輪設計案例分析055
2.4　高速飛輪旋轉強度試驗研究063
2.4.1　高速旋轉驅動技術063
2.4.2　頻閃光學應變片動態(tài)應變測量新方法064
2.4.3　圓標記法測量變形067
2.5　本章小結076
參考文獻076

第3章　飛輪電機設計與分析079
3.1　飛輪儲能電機分類080
3.1.1　飛輪電機類型080
3.1.2　飛輪電機數(shù)學模型082
3.1.3　飛輪儲能電機特性要求086
3.2　飛輪儲能永磁同步電機設計087
3.2.1　永磁同步電機電磁方案設計087
3.2.2　電機永磁材料090
3.2.3　永磁電機轉子結構強度分析090
3.2.4　1MW永磁電機轉子強度分析實例091
3.3　永磁同步電機參數(shù)測試方法093
3.3.1　定子電阻的測量093
3.3.2　直軸電感的測量093
3.3.3　交軸電感的測量094
3.3.4　反電勢系數(shù)的測量094
3.3.5　轉動慣量的測量095
3.3.6　電機電磁參數(shù)實例095
參考文獻096

第4章　微損耗軸承系統(tǒng)研究設計097
4.1　飛輪儲能裝置軸承技術概述098
4.2　軸承工程應用099
4.2.1　機械軸承結合永磁軸承099
4.2.2　主動磁軸承100
4.3　重型永磁軸承設計101
4.3.1　永磁軸承構型101
4.3.2　永磁軸承設計103
4.3.3　50kN重載永磁軸承設計案例108
4.4　主動磁軸承設計110
4.4.1　電磁軸承結構110
4.4.2　電磁軸承磁鐵及電磁力模型111
4.4.3　徑向電磁軸承定轉子設計113
4.4.4　軸向電磁軸承定轉子設計115
4.4.5　永磁偏置徑向磁軸承工作原理116
4.4.6　永磁偏置徑向磁軸承設計117
4.4.7　永磁偏置徑向磁軸承線性模型參量119
4.5　主動磁軸承控制器硬件單元121
4.5.1　磁軸承位移傳感器121
4.5.2　磁軸承電流功率放大器124
4.5.3　磁軸承執(zhí)行器帶寬127
4.5.4　磁軸承控制平臺129
4.6　單自由度電磁軸承系統(tǒng)建模131
4.7　剛性轉子多自由度電磁軸承系統(tǒng)建模133
4.8　磁軸承飛輪陀螺力學與控制原理135
4.9　PID控制器性能分析149
4.10　交叉反饋控制性能分析151
4.11　低功耗控制器設計154
4.12　轉子不平衡主動控制162
4.13　轉子跌落保護及恢復165
4.14　磁軸承儲能飛輪實例166
參考文獻171

第5章　飛輪電機轉子軸承系統(tǒng)動力學173
5.1　轉子動力學理論174
5.1.1　剛體模型理論174
5.1.2　傳遞矩陣理論方法176
5.2　簡化模態(tài)分析178
5.3　多自由度轉子軸承系統(tǒng)分析181
5.3.1　系統(tǒng)設計181
5.3.2　振動力學模型182
5.3.3　模態(tài)力學特性183
5.3.4　阻尼參數(shù)對模態(tài)阻尼比的影響185
5.3.5　不平衡響應分析186
5.4　實驗驗證189
5.5　轉子動力不穩(wěn)定性和自激振動192
5.5.1　非同步振動192
5.5.2　渦動192
5.6　本章小結195
參考文獻195

第6章　變流器控制技術研究196
6.1　拓撲結構197
6.1.1　兩電平變流器拓撲198
6.1.2　三電平變流器拓撲198
6.1.3　無源濾波器199
6.2　控制原理200
6.2.1　矢量控制200
6.2.2　直接轉矩控制202
6.3　脈沖寬度調制技術203
6.3.1　正弦脈寬調制技術203
6.3.2　空間矢量脈寬調制技術204
6.4　充放電控制策略205
6.4.1　電機側充放電控制策略206
6.4.2　電網(wǎng)側充放電控制策略208
6.5　無速度傳感器控制算法210
6.5.1　基于反電勢的無速度傳感器控制算法211
6.5.2　基于模型參考自適應系統(tǒng)的無速度傳感器控制算法212
6.6　飛輪儲能系統(tǒng)充放電仿真模型及其仿真結果214
6.6.1　飛輪儲能系統(tǒng)充放電仿真模型214
6.6.2　飛輪儲能系統(tǒng)充放電仿真結果214
參考文獻218

第7章　飛輪儲能系統(tǒng)總體特性分析220
7.1　總體性能參數(shù)221
7.1.1　儲能容量與儲能密度221
7.1.2　功率及功率密度221
7.1.3　效率222
7.1.4　其他參數(shù)222
7.2　合金鋼飛輪儲能系統(tǒng)總體特性222
7.3　復合材料飛輪儲能系統(tǒng)總體特性223
7.4　飛輪摩擦損耗224
7.4.1　轉子外壁摩擦功耗的分析224
7.4.2　轉子端面摩擦功率的計算227
7.4.3　分析與討論228
7.4.4　實測結果與理論計算的比較230
7.5　軸承的損耗233
7.5.1　滾動軸承損耗233
7.5.2　流體動壓軸承的損耗234
7.5.3　磁軸承損耗238
7.6　電機的損耗241
7.6.1　定子鐵損耗242
7.6.2　定子銅損耗242
7.6.3　轉子渦流損耗243
7.7　變流器的損耗243
7.7.1　功率器件損耗243
7.7.2　電路銅損耗244
7.7.3　控制電路損耗244
7.7.4　其他損耗244
7.8　輔助系統(tǒng)的損耗244
7.8.1　真空設備244
7.8.2　散熱設備245
7.8.3　監(jiān)控儀表245
7.9　充放電效率測量245
7.9.1　實驗飛輪電機系統(tǒng)245
7.9.2　電能測量246
7.9.3　充電、放電效率分析247
7.9.4　飛輪系統(tǒng)效率測量247
7.9.5　飛輪充放電效率分析249
7.9.6　測試結論250
參考文獻250

第8章　飛輪儲能UPS設計與應用251
8.1　飛輪儲能UPS的數(shù)學模型252
8.1.1　飛輪儲能UPS的拓撲結構252
8.1.2　飛輪儲能UPS的數(shù)學模型253
8.2　飛輪儲能UPS的控制策略255
8.2.1　網(wǎng)側變流器的控制策略255
8.2.2　機側變流器控制策略258
8.3　飛輪儲能UPS的仿真研究261
8.3.1　充電過程仿真分析261
8.3.2　放電過程仿真分析262
8.4　飛輪儲能UPS的實驗分析267
8.4.1　充放電實驗268
8.4.2　電網(wǎng)頻繁故障及恢復實驗270
參考文獻273

第9章　石油鉆機中的飛輪儲能研究及應用274
9.1　基于飛輪儲能的石油鉆機混合動力系統(tǒng)275
9.1.1　石油鉆機機械傳動系統(tǒng)275
9.1.2　含儲能的混合動力運行模式278
9.2　大容量飛輪儲能裝置設計284
9.2.1　飛輪儲能裝置總體設計284
9.2.2　機械設計285
9.2.3　電機設計288
9.2.4　充放電控制系統(tǒng)設計293
9.3　飛輪轉子軸承系統(tǒng)動力學296
9.3.1　軸系結構296
9.3.2　軸系動力學分析296
9.3.3　軸系和殼體的模態(tài)分析301
9.3.4　試驗研究303
9.3.5　結論304
9.4　飛輪儲能裝置充放電試驗304
9.4.1　飛輪儲能系統(tǒng)實驗平臺304
9.4.2　飛輪儲能系統(tǒng)充放電實驗及結果分析305
9.4.3　小結310
9.5　大容量飛輪儲能工程樣機性能測試311
9.5.1　零部件制造總裝和調試311
9.5.2　飛輪電機軸系裝配及動平衡311
9.5.3　電動/發(fā)電控制312
9.5.4　損耗測試312
9.5.5　模擬鉆井考核運行314
9.6　衛(wèi)453井施工示范工程314
9.6.1　頻繁充放電運轉穩(wěn)定性315
9.6.2　直流母線電壓特性改進315
9.6.3　充電優(yōu)化控制316
9.6.4　混合動力鉆井施工節(jié)能效益分析317
9.6.5　小結323
參考文獻323

第10章　飛輪儲能陣列在風力發(fā)電中應用研究325
10.1　背景326
10.2　微電網(wǎng)模型與控制327
10.2.1　微電網(wǎng)拓撲結構327
10.2.2　微電網(wǎng)控制方式328
10.3　風力發(fā)電模型及其控制策略330
10.3.1　雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型330
10.3.2　雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略331
10.3.3　風力發(fā)電仿真模型332
10.3.4　風力發(fā)電仿真波形334
10.4　直流側并聯(lián)飛輪儲能陣列及其協(xié)調控制策略335
10.4.1　直流側并聯(lián)飛輪儲能陣列拓撲335
10.4.2　直流并聯(lián)飛輪儲能陣列協(xié)調控制策略336
10.4.3　直流側并聯(lián)飛輪陣列協(xié)調控制仿真339
10.5　微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下交流側并聯(lián)飛輪儲能陣列協(xié)調控制341
10.5.1　傳統(tǒng)的下垂控制策略341
10.5.2　引入線性補償?shù)母倪M系數(shù)下垂控制策略341
10.5.3　改進系數(shù)下垂控制下飛輪儲能陣列仿真342
10.5.4　引入虛擬電抗的改進系數(shù)下垂控制策略344
10.5.5　引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制仿真346
10.5.6　微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下交流側并聯(lián)飛輪儲能陣列仿真349
10.6　微電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)下交流側并聯(lián)飛輪儲能陣列協(xié)調控制350
10.6.1　微電網(wǎng)控制架構350
10.6.2　可調度的飛輪儲能陣列協(xié)調控制351
10.6.3　并網(wǎng)狀態(tài)下飛輪儲能陣列可調度協(xié)調控制仿真353
參考文獻354