飞轮储能技术基础
储能技术的基础知识
储能技术的基础知识一、基本介绍广义定义：储能即能量的存储。
是指通过介质或者设备，把能量存储起来，基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。
狭义定义：针对电能的存储。
指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来，并在需要时以电能形式释放的一系列技术和措施。
(后续介绍中均为狭义定义下的电力储能)01.术语和定义电池储能系统(BatteryEnergyStorageSystem，BESS)：是一个利用采锂电池或铅电池作为能量储存载体，一定时间内存储电能和供应电能的系统，而且提供的电能具有平滑过渡、削峰填谷、调频调压等功能。
电芯(BatteryCelI)：单个电池，电池的最小单元。
电池模组(BatteryModule/Pack)：一系列单个电池的标准封装。
电池架/簇(BatteryRack/Cluster)：一系列电池模组组成的储能单元。
电池汇流柜(BatteryCollectionPanel，BCP)：介于电池机架和储能逆变器之间，类似于光伏直流汇流箱。
储能变流器(PoWerCOnVerSionSyStern，PCS)：双向直流交流逆变器。
电池管理系统(BatteryManagementSystem，BMS)：智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。
能量管理系统(EnergyManagementSystem，EMS)：是一种集软硬件于一体的智能化系统，用于监控、控制和优化能源系统中的能量流动和能源消耗。
它基于数据采集、分析和决策支持技术，能够实时监测能源设备的运行状态、能源消耗情况以及环境条件，从而实现对能源的高效管理和优化。
暖通空调系统：通常用在电池集装箱内，保证电池通风散热和保暖。
电池容量(BatteryCapacity)：能够容纳或释放的电荷Q，即电池容量(Ah)=电流(A)X放电时间(h)，单位一般为Ah(安时)。
比如储能电池标注96Ah，那么在工作电流为96A的时候，理论上可以使用1小时。
飞轮储能技术的研究与应用
飞轮储能技术的研究与应用一、简介飞轮储能技术是一种将机械能转化为电能的储能技术。
近年来，该技术在各领域发展迅速，成为新能源技术研究的热点之一。
本文将从飞轮储能技术的基础原理、研究现状、应用前景三个方面进行介绍。
二、基础原理飞轮储能技术的基本原理是将机械能通过高速旋转的飞轮转化为电能。
在系统正常运行时，飞轮以高速旋转，具有较大的动能。
当系统需要释放储存的电能时，控制系统将飞轮转速调低，转动过程中动能转化为电能输出。
由于飞轮的旋转速度非常高，可以达到每分钟几万转的程度，所以飞轮储能技术在储能密度、高效转换、瞬时输出等方面具有明显优势。
三、研究现状目前，飞轮储能技术的研究重点主要集中在以下几个方面：1. 飞轮储能系统的控制策略研究由于飞轮储能系统的转速非常高，一旦失去控制可能会对人员和设备造成重大危害。
因此，研究如何科学地控制飞轮储能系统的转速，是飞轮储能技术的一个重要研究方向。
现在，研究人员已经探讨了多种控制策略，包括PID控制、限制半径控制、模糊控制等，并针对不同的应用场景进行了实验验证。
2. 飞轮材料的研究飞轮的旋转速度非常高，因此要求其材料能承受高频不断的振动和巨大的离心力。
目前，常用的飞轮材料有碳钎维、镁合金、高强度钢等。
但由于不同材料性能的不同，需要在具体研发过程中耐心实验，在发挥材料优势的同时克服其缺陷，以保证储能系统能够正常运行。
3. 飞轮储能系统的集成与优化飞轮储能技术的储能系统不仅需要高速旋转的飞轮，还需要与之配套的电子、电路、控制系统等组成。
如何合理地集成这些组件，并实现系统的优化控制，是现在需要解决的问题之一。
在实践中，研究人员常常进行模拟和仿真试验，以选择最优方案并保证系统的可靠性和安全性。
四、应用前景飞轮储能技术已经在多个领域得到了应用。
以下是部分应用领域的介绍：1. 交通运输领域飞轮储能技术可应用于汽车的动能再生系统中，将车辆行驶过程中的制动能转化为储存能量，通过控制系统驱动车辆继续行驶。
飞轮储能技术的发展现状
飞轮储能技术的发展现状摘要: 飞轮储能技术已成为国际能源界研究的热点之一。
从飞轮储能技术的技术进展(包括飞轮本体、转子支承系统、电动/发电机、电力转换器与真空室)角度出发，系统地介绍了该技术国内外的发展现状。
关键词: 飞轮储能系统，电动机/发电机，电力转换器，真空室近年来，飞轮储能技术发展非常迅速。
国内外都积极地投入大量资金和人力在这项储能技术上，目前已经有了可喜成果，以飞轮储能五大关键技术为出发点，分别对其技术发展现状进行阐述。
1飞轮转子技术现状美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺锤形飞轮开发，这是一种等应力设计，形状系数等于或接近1，材质同样为玻璃纤维复合材料，储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm。
美国Beacon 电力公司推出的Beacon 智能化储能系统，其飞轮转子以一种强度高、重量轻的石墨和玻璃纤维复合材料制成，用树脂胶合。
美国Satcon 技术公司开发的伞状飞轮，这种结构有利于电机的位置安放，对系统稳定性十分有利，转动惯量大，节省材料，轮毂强度设计合理。
NASA Glenn 中心和美国宾州州立大学高级复合材料制造中心等单位均采用湿法缠绕工艺制备了复合材料飞轮。
2飞轮储能的轴承支承系统技术现状2.1机械轴承美国TSI 公司应用高级的润滑剂、先进的轴承材料及设计方法和计算机动态分析，成功地开发出内部含有固体润滑剂的陶瓷轴承，最新又研制的基于真空罩的超低损耗轴承，其摩擦系数只有0.000 01。
2.2被动磁轴承（PMB）目前对永磁轴承的研究较少，目前主要集中在对超导磁轴承（SMB）的研究上。
西南交通大学超导技术研究所从20 世纪90 年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000 年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车。
日本ISTEC 正在对10kWh/400kW 等级飞轮系统中的SMB 进行组装实验，同时加工设计100kWh等级飞轮定子。
德国ATZ 公司则从2005 年开始对5kWh/250kW 等级的飞轮进行研究。
飞轮储能关键技术及其发展现状
飞轮储能关键技术及其发展现状一、本文概述飞轮储能技术，作为一种高效、环保的储能方式，近年来在全球范围内引起了广泛关注。
本文旨在全面解析飞轮储能的关键技术及其发展现状。
我们将深入探讨飞轮储能的基本原理、关键技术要素、应用领域以及当前的发展状况，同时展望其未来的发展趋势。
通过对飞轮储能技术的系统研究，我们期望能够为相关领域的研究者、从业者以及投资者提供有价值的参考信息，推动飞轮储能技术的进一步发展与应用。
文章将首先概述飞轮储能技术的基本概念和工作原理，为读者建立基础理解。
随后，将重点分析飞轮储能技术的关键技术，包括飞轮设计、材料选择、能量转换与存储等方面，揭示这些技术在推动飞轮储能技术发展中的核心作用。
紧接着，文章将讨论飞轮储能技术在不同领域的应用现状，如电力储能、轨道交通、航空航天等，展示其广泛的应用前景。
我们将对飞轮储能技术的发展趋势进行展望，分析当前面临的挑战与机遇，并提出相应的建议与策略。
通过本文的阐述，我们期望能够加深读者对飞轮储能技术的认识，为推动该技术的创新与发展贡献力量。
二、飞轮储能关键技术飞轮储能技术是一种利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的储能技术。
其关键技术主要包括飞轮设计、轴承技术、真空技术、磁悬浮技术、能量转换与控制技术等。
飞轮设计是飞轮储能技术的核心，它直接决定了储能密度和储能效率。
飞轮设计需要解决的关键问题包括飞轮材料的选择、飞轮形状的优化、飞轮强度的保证以及飞轮转动的稳定性等。
目前，常用的飞轮材料包括高强度钢、碳纤维复合材料等，而飞轮形状则多为圆柱形或盘形。
轴承技术是飞轮储能技术中的重要环节，它决定了飞轮转动的平稳性和效率。
飞轮轴承需要承受高速旋转带来的巨大离心力，同时还需要保证飞轮的转动精度和稳定性。
目前，常用的轴承技术包括滚动轴承和磁悬浮轴承，其中磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、低噪音等优点，因此在飞轮储能技术中得到了广泛应用。
为了减小空气阻力，提高飞轮储能效率，飞轮储能系统需要在高真空环境下运行。
光伏发电中的4种储能技术
光伏发电中的4种储能技术随着经济的快速发展，能源短缺现象越来越严重。
面对能源需要和环境保护的双重压力，世界各国采取了提高能源利用率、改善能源结构，发展可再生能源等策略。
太阳能光伏发电作为新能源发电的代表，已经正式应用于生产实际中。
光伏电源不同于传统电源，它的输出功率随着光照强度、温度等环境因素的改变而剧烈变化，而且具有不可控性，因此，光伏发电若要取代传统能源实现大规模并网发电，它对电网产生的冲击影响是不可忽视的。
并且，随着光伏系统在电网中所占比例的不断增大，它对电网带来的影响必须得到有效治理以保证供电的安全可靠。
储能系统在光伏发电系统中的应用可以解决光伏发电系统中的供电不平衡问题，以满足符合正常工作的需求。
储能系统对于光伏电站的稳定运行至关重要。
储能系统不仅保证系统的稳定可靠，还是解决电压脉冲、涌流、电压跌落和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效途径。
光伏发电系统中的储能技术蓄电池储能蓄电池储能是各类储能技术中最有前途的储能方式之一，具有可靠性高、模块化程度高等特点，常被用于对供电质量要求较高的负荷区域的配电网络中。
电池储能主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电。
蓄电池储能可以解决系统高峰负荷时的电能需求，也可用蓄电池储能来协助无功补偿装置，有利于抑制电压波动和闪变。
目前常见的蓄电池有铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫和液流电池等。
文献[9]分析了光伏发电系统中蓄电池的作用：储能，对太阳能电池工作电压钳位，提供较大的瞬间电流。
文献[10]重点关注目前常见的几种化学储能技术，选择关键技术指标，收集截至2011年最新的化学储能技术应用数据，结合数据包络(DEA)分析方法，探究各种化学储能技术的优势及应用效果，为化学储能技术未来的研究方向提供建议和参考。
超级电容器储能超级电容器是由特殊材料制作的多孔介质，与普通电容器相比，它具有更高的介电常数，更大的耐压能力和更大的存储容量，又保持了传统电容器释放能量快的特点，逐渐在储能领域中被接受。
飞轮储能
蒋书运研究领域：1、高速加工机床（高速精密电主轴；机床结构动、热态特性分析等）2、电能存储新技术（飞轮储能系统）项目1、飞轮储能系统机电耦合与解耦设计的理论与方法；国家自然科学基金；2002-2004；应用基础研究。
2、新型高效飞轮储能关键技术研究；国家863计划项目；2007-2009年；高技术研究。
3、带电涡流阻尼器与大承载永磁悬浮轴承的储能飞轮转子动力学研究；国家自然科学基金；2012-2015；应用基础研究。
4、中国博士后科学研究基金：飞轮储能系统机电耦合非线性振动与飞轮本体结构优化设计文章1、鞠立华, 蒋书运. 飞轮储能系统机电耦合非线性动力学分析[J]. 中国科学:技术科学, 2006, 36(1):68-83.2、Jiang S, Lihua J U. Study on electromechanical coupling nonlinear vibration of flywheel energy storage system[J]. 中国科学:技术科学, 2006, 49(1):61-77.飞轮储能系统机电耦合非线性振动研究3、Wang H, Jiang S, Shen Z. The Dynamic Analysis of an Energy Storage Flywheel System With Hybrid Bearing Support[J]. Journal of Vibration & Acoustics, 2009, 131(5):051006.具有混合轴承支撑的储能飞轮系统的动态分析4、Jiang S, Wang H, Wen S. Flywheel energy storage system with a permanent magnet bearing and a pair of hybrid ceramic ball bearings[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2014, 28(12):5043-5053.具有永磁轴承和一对混合陶瓷球轴承的飞轮储能系统一、什么是飞轮储能飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。
飞轮储能技术
飞轮储能技术研究汽车08-2班张吉泉0707130226摘要：介绍了飞轮储能技术的基本原理和应用.飞轮储能技术作为一种新型能源储备方式，具有大储能、高功率、无污染、适用广、维护简单、可实现连续工作等优点越来越为世界各国所重视，成为研究热点。
关键词:飞轮储能;电力;复合材料;飞轮电池引言：近年来.世界各地屡屡发生大面积停电等重人电力事故.美国、加拿人、英国、瑞典、意人利等都遭遇了地铁瘫痪、民航、铁路运输中断等事故.经济损失达上千亿美元.大面积停电和严重缺电能够迅速波及整个网络.其损失和造成的影响都是难以估量的.采取一些有效的措施把用电低谷时多余的电能储存起来.在用电高峰时释放出来缓解用电压力是各国都在积极考虑的问题.现在己采取的储能技术有机械储能（飞轮、抽水、弹簧、压缩空气等)、热能蓄能(显热、潜热、蒸发、融解、升华等)、电磁蓄能(电容器、超导等)和化学蓄能(蓄电池、合成燃料、浓度差发电、物理化学能量等).其中发展最快、规模最大的是抽水蓄能.其次是压缩空气蓄能.排在第二位的就是飞轮蓄能.飞轮蓄能装置可配置在城市和用电中心附近的变电所.用来调峰调频.它的规模己达几十和几百MW级.特别是由于高温超导磁力轴承的开发和应用.将加速飞轮储能技术的发展.与其他形式的储能方式相比较.飞轮储能具有大容量、高效率、无限循环寿命、零排放、无污染和装置对环境无要求等优点.1飞轮储能原理飞轮储能系统主要包括3个部分:(1)转子系统;(2)支撑转子的轴承系统;(3)转换能量和功率的电动/发电机系统.另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统.基木结构如图1所示.1 .1飞轮转子飞轮转子是飞轮储能系统的一个重要的组成部分.储存在飞轮内的动能E用下式表示为式中J和w分别表示飞轮的转动惯量和转动角速度.考虑到制造飞轮所用材料强度的限制.其转动角速度有一个上限.超过此上限.飞轮将会因离心力而发生破坏.因此.储能计算公式则可表示为式中e为飞轮单位重量的储能能。
飞轮储能技术及应用
飞轮储能技术及应用汤双清㊀著华中科技大学出版社内容提要本书是以作者多年来从事飞轮储能技术的研究成果,经过整理加工而成的㊂主要介绍了飞轮储能系统的发展历史与现状㊁飞轮电池的主要部件和一些关键技术㊂重点介绍了永磁磁力轴承悬浮力和刚度的计算理论㊁电动磁力轴承的原理和设计计算理论㊁飞轮电池能量转换理论以及飞轮储能系统在分布式发电系统中的应用㊂本书可作为科研院所和高等学校从事飞轮相关技术研究与开发的工程技术人员的参考书,也可作为从事磁力轴承和电机控制方面研究与开发的工程技术人员的参考书㊂作者简介汤双清,男,1962年7月出生于湖北孝感㊂1984年本科毕业于原葛洲坝水电工程学院机械工程系,1989年2月硕士毕业于东南大学机械工程系,1999年9月至2000年2月在法国瓦朗谢纳大学做访问学者,2004年2月博士毕业于华中科技大学机械科学与工程学院㊂现为三峡大学教授,中国机械工程学会会员,湖北省机械工程学会青年分会常务理事兼副秘书长,湖北省金工教学委员会常务理事,湖北省机械原理教学委员会常务理事,三峡大学 151 人才学术带头人㊂主要从事机械设计及理论方面的教学与科研工作,在机器人机构学和人工智能㊁计算机集成制造㊁加工过程数控㊁机电系统动态设计理论与方法㊁磁悬浮轴承及飞轮储能技术等领域有所成就㊂主持研究的课题及项目主要有: 工业机器人动力学参数识别 ㊁ 工业机器人的远㊁近程控制 ㊁ 新型磁力轴承悬浮机理研究 ㊁ 飞轮电池磁悬浮支承系统研究 ㊁ 超细长轴加工方案及制造设备研究 等项目㊂参与国家级研究项目有:国家自然科学基金3项,国家 九五 攀登计划项目子课题1项㊂在国内外刊物上发表论文近50篇,EI检索收录8篇㊂前㊀㊀言飞轮储能既是一个古老的话题,也是一个当今比较热门的话题㊂随着社会的进步和经济的发展,人类对能源的需求与日俱增;能源危机已经初现端倪,它将严重制约人类社会的飞速发展,甚至可能危及人类的生存㊂尽管采用飞轮储能技术并不能增加能源的供给,但它可以扩充能源的供应源,使原来不能直接应用的能源变得可以间接利用,从而可以从根本上缓解能源供应紧张的局面㊂此外,采用飞轮储能技术还可以改善电力供应质量,避免或减缓用电高峰拉闸限电的弊端,进而提高人们的生活质量㊂飞轮储能技术应用十分广泛,涉及卫星和空间站上的后备电源,多种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS),电动汽车㊁分布式发电㊁运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,电网负载调节㊁脉冲动力设备等㊂飞轮储能技术涉及多种学科与技术,主要包括:机械科学㊁电气科学㊁磁学㊁控制科学和材料科学等多学科,以及复合材料的成型与制造技术㊁高矫顽力稀土永磁材料技术㊁磁悬浮技术㊁传感技术㊁用于VVVF (变压变频)的电力电子技术㊁高速双向电动机/发电机技术等关键技术㊂为了让更多的读者了解飞轮储能技术,为努力营造一个节约型的和谐社会尽微薄之力,作者将近年来研究的成果经过整理和加工编写成这本专著,供从事飞轮储能研究与开发的工程技术人员参考㊂限于作者的水平,书中难免有错误和不妥之处,敬请读者批评指正㊂著㊀者序能源工业是现代文明的支柱之一,是工业发展的主体,也是国民经济持续发展的基础,缺少能源,社会将很难发展,没有能源,人类将无法生存㊂中国‘能源发展 十一五 规划“日前公布㊂规划指出, 十一五 时期我国能源建设的总体安排是:有序发展煤炭;加快开发石油天然气;在保护环境和做好移民工作的前提下积极开发水电,优化发展火电,推进核电建设;大力发展可再生能源㊂适度加快 三西 煤炭㊁中西部和海域油气㊁西南水电资源的勘探开发,增加能源基地输出能力;优化开发东部煤炭和陆上油气资源,稳定生产能力,缓解能源运输压力㊂十一五 期间,我国将重点建设五大能源工程:能源基地建设工程㊁能源储运工程㊁石油替代工程㊁可再生能源产业化工程㊁新农村能源工程㊂飞轮储能作为一种储能技术,早在蒸汽时代就有所应用,但直到20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究,那时才真正将飞轮作为一种单独的储能装置,而不是早期仅用于机器速度波动的调节㊂之后,对飞轮储能的研究如雨后春笋,方兴未艾㊂飞轮储能系统也称飞轮电池,与化学电池相比,它的优点主要体现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油还高,因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命只取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,因此较长,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~95%,这意味着有更多可利用的能量,更少的热耗散,而化学电池最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产天㊁国防㊁汽车工业㊁电力产业㊁医疗和通信等在内的多个行业与领域㊂因此,研究与开发飞轮电池的市场前景广阔㊂飞轮电池虽说不能 制造 能量,但它可以将零星的能量积聚起来使用,或将多余的能量储存起来在需要时再使用,而且还具备携带性,是一种储能更大的动力源,它的广泛使用将会引起电力工业的一场革命㊂本书是作者多年来对飞轮储能技术研究的一种总结与提炼,难免还有一些没有考虑周全的地方㊂因此,希望这本书的问世能得到同行专家和广大读者的帮助㊁批评与指正㊂2007年9月目㊀㊀录第1章㊀绪论(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.1㊀引言(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域(2)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理(2)………………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.2㊀飞轮电池的应用领域(4)……………………………………………㊀㊀1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况(5)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.1㊀磁力轴承研究现状(6)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.2㊀飞轮研究现状(10)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.3㊀飞轮电池辅件分析(14)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.4㊀飞轮电池其他研究热点(16)…………………………………………㊀㊀1.4㊀飞轮储能技术的发展机遇和展望(17)………………………………㊀㊀1.5㊀本书各章简介(18)……………………………………………………第2章㊀飞轮电池转子的支承、驱动和控制方案(20)………………………………㊀㊀2.1㊀飞轮电池系统结构方案(21)…………………………………………㊀㊀2.2㊀组合磁悬浮支承系统方案的拟定(22)………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.1㊀支承飞轮转子的磁力轴承(22)………………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.2㊀组合磁悬浮的支承系统方案(23)……………………………………㊀㊀2.3㊀集成式电动机/发电机的选型分析(24)………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.1㊀飞轮电池所用电机(24)………………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.2㊀永磁同步电机数学模型(27)…………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.3㊀永磁同步电机的控制策略(29)………………………………………㊀㊀2.4㊀电动机/发电机的控制方案拟定(31)…………………………………㊀㊀本章小结(32)…………………………………………………………………第3章㊀电动磁力轴承的悬浮机理(34)…………………………………………㊀㊀3.3㊀转子的磁力分析(38)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.1㊀导体环1所受电磁力分析(39)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.2㊀导体环i 所受电磁力分析(40)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.3㊀转子的受力分析(40)………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.4㊀最优的导体环数的确定(41)…………………………………………㊀㊀3.4㊀电动磁力轴承的稳定性分析(42)……………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.1㊀转子稳定运转条件的建立(42)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.2㊀系统稳定运转的最低速度和临界阻尼的确定(46)……………………㊀㊀3.5㊀阻尼系统的设计(46)…………………………………………………㊀㊀3.6㊀电动磁力轴承的可行性和特性分析(48)……………………………㊀㊀3.7㊀设计实例(50)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(51)…………………………………………………………………第4章㊀永磁体空间磁场的计算方法(53)………………………………………㊀㊀4.1㊀引言(53)………………………………………………………………㊀㊀4.2㊀磁化磁体的物理计算模型(54)………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.1㊀Maxwell 方程组及交界面条件(54)……………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.2㊀等效磁荷模型(56)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.3㊀等效电流模型(59)…………………………………………………㊀㊀4.3㊀永磁体周围空间磁场计算的数值方法(60)…………………………㊀㊀㊀㊀4.3.1㊀稳恒电磁场问题的统一表示形式和对应的变分方程(61)……………㊀㊀㊀㊀4.3.2㊀等效磁荷模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.3㊀等效电流模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.4㊀变分问题的有限元法(63)……………………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.5㊀轴对称问题的有限元格式(65)………………………………………㊀㊀4.4㊀圆柱形永磁体空间磁场的计算实例(67)……………………………㊀㊀㊀㊀4.4.1㊀永磁体及周围空间求解域的几何建模与网格划分(68)………………㊀㊀㊀㊀4.4.2㊀对整个求解域的求解(68)……………………………………………㊀㊀本章小结(70)…………………………………………………………………第5章㊀永磁轴承构形综合及其磁力和刚度的计算方法(72)…………………㊃2㊃飞轮储能技术及应用㊀㊀5.3㊀永磁轴承悬浮力的计算理论(76)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.1㊀重要的数学关系推导(76)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.2㊀Maxwell 应力张量及其磁力计算公式(77)……………………………㊀㊀㊀㊀5.3.3㊀虚功原理对应的磁力计算公式(79)…………………………………㊀㊀5.4㊀磁力计算的数值方法(80)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.1㊀Maxwell 力对应的数值方法(80)………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.2㊀虚功力对应的有限元法(81)…………………………………………㊀㊀5.5㊀磁力轴承刚度计算的有限元法(84)…………………………………㊀㊀5.6㊀永磁轴承应用实例分析(85)…………………………………………㊀㊀㊀㊀5.6.1㊀通用圆环形永磁体构成的永磁轴承特性分析(85)……………………㊀㊀㊀㊀5.6.2㊀带锥面磁隙的永磁轴承特性分析(88)………………………………㊀㊀5.7㊀永磁轴承磁场和悬浮力的实验分析(91)……………………………㊀㊀㊀㊀5.7.1㊀永磁轴承的实验方案(91)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.2㊀永磁轴承磁场和悬浮力测试(93)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.3㊀测试结果分析(96)…………………………………………………㊀㊀本章小结(98)…………………………………………………………………第6章㊀飞轮电池能量转换原理与矢量控制(100)……………………………㊀㊀6.1㊀引言(100)………………………………………………………………㊀㊀6.2㊀飞轮电池能量转换方案(100)…………………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.1㊀飞轮电池能量转换系统的要求(100)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.2㊀飞轮电池能量转换系统分析(101)……………………………………㊀㊀6.3㊀PWM 变流器的工作原理分析(103)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.1㊀单相PWM 变流器工作原理(103)……………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.2㊀三相电压型PWM 变流器工作原理(108)……………………………㊀㊀6.4㊀PWM 变流器的数学模型(111)………………………………………㊀㊀㊀㊀6.4.1㊀三相电压型PWM 变流器的数学模型(111)…………………………㊀㊀㊀㊀6.4.2㊀基于虚拟磁链的PWM 变流器数学模型(115)…………………………㊀㊀6.5㊀IGBT 模型和整流器的仿真模型(118)………………………………㊀㊀6.6㊀飞轮电池能量转换系统的矢量控制(119)……………………………㊃3㊃目录㊀㊀㊀㊀6.6.3㊀开关逻辑作用顺序(126)……………………………………………㊀㊀本章小结(127)………………………………………………………………第7章㊀飞轮电池在分布式发电系统中的应用(128)…………………………㊀㊀7.1㊀引言(128)………………………………………………………………㊀㊀7.2㊀含有飞轮电池的太阳能发电站的系统控制结构(129)………………㊀㊀7.3㊀太阳能电池的工作原理㊁种类及选用(131)…………………………㊀㊀7.4㊀飞轮储能单元(133)……………………………………………………㊀㊀7.5㊀动力系统的调节与控制(135)…………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.1㊀单相逆变器(135)……………………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.2㊀三相整流/逆变器(139)……………………………………………㊀㊀7.6㊀系统仿真(140)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(144)………………………………………………………………第8章㊀结语(145)………………………………………………………………㊀㊀8.1㊀全文总结(145)…………………………………………………………㊀㊀8.2㊀研究展望(146)…………………………………………………………参考文献(148)……………………………………………………………………㊃4㊃飞轮储能技术及应用第1章㊀绪㊀㊀论1.1㊀引㊀㊀言飞轮储能系统作为一种使能技术已经应用到包括航空航天㊁电动汽车㊁通信㊁医疗㊁电力等领域[1]㊂早在20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统的研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究㊂之后,英㊁法㊁德㊁日等西方国家也相继投入大量的人力㊁物力进行飞轮电池的研究,而我国从20世纪90年代才开始进行这方面的研究㊂飞轮储能系统又称飞轮电池或机电电池[2],它已经成为电池行业一支新生的力量,并在很多方面有取代化学电池的趋势㊂与化学电池相比,飞轮电池的优势主要表现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油的还高[3],因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命,而且飞轮也不会受到损害;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~ 95%,这意味着有更多可利用的能量㊁更少的热耗散,而化学电池的能量转换效率最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产品);⑧当它与某些其他装置组合使用时,如用于卫星上与卫星姿态控制装置结合在一起时,它的优势更加明显㊂现代飞轮电池使用复合材料飞轮和主动㊁被动组合磁悬浮支承系统[4]已实现飞轮转子转速达60000r/min以上,放电深度达75%以上,可用能量密度大于20Wh/lb(44W㊃h/kg)㊂而镍氢电池的能量密度仅有5~6W㊃h/lb(11~12 W㊃h/kg),放电最大深度不能超过40%㊂总体来说,目前飞轮电池的可用能量密度最低也在40W㊃h/kg以上,最高的已经达到944W㊃h/kg,可见它的优势是十分明显的㊂当它用于电动汽车上时[5],使得现代汽车制造业者完全不必考虑汽车废气的排放,从而真正开创无废气排放汽车的历史㊂不管飞轮电池应用于哪个领域,对飞轮电池的开发研究都会涉及以下几个方面的新技术:复合材料的成型与制造技术;高矫顽力稀土永磁材料技术;磁悬浮技术;用于VVVF(变压变频)电机的电力电子技术;高速双向电动机/发电机技术㊂这些技术通过系统工程技术(包括系统结构仿真和分析)而被融合在一起㊂尽管飞轮电池技术有了长足的进展,但由于它涉及机械科学与技术㊁电机学㊁电力电子技术㊁电磁学㊁传感技术与控制科学㊁材料科学等多学科诸方面的技术,所以到目前为止,国内外仍没有一套成熟的理论和设计方法指导飞轮储能系统的设计㊂即便在国外已有开发出的飞轮电池可供使用,但仍有诸多方面需要改善,而且价格昂贵㊂只有大幅降低其价格并提高其可靠性,才有大范围推广应用的可能㊂本书着重介绍作者这几年关于经济型飞轮电池的研究成果,使读者能更好地了解国内外飞轮电池的研究现状,也为有志于从事飞轮储能的读者提供研究参考㊂1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理1.飞轮电池的组成典型的飞轮储能系统一般是由三大主体㊁两个控制器和一些辅件所组成:①储能飞轮;②集成驱动的电动机/发电机;③磁悬浮支承系统;④磁力轴承控制器和电机变频调速控制器;⑤辅件(如着陆轴承㊁冷却系统㊁显示仪表㊁真空设备和安全容器等)㊂图1.1所示为一种飞轮电池的结构简图[6]㊂其中:1为飞轮;2为含有水冷却的径向磁轴承的定子;3为径向磁轴承;4为轴向磁轴承;5为含有水冷却的电㊃2㊃飞轮储能技术及应用机定子;6为电机内转子部分;7为电机外转子部分;8为真空壳体㊂图1.1㊀飞轮电池结构简图1 飞轮;2 径向磁轴承的定子;3 径向磁轴承;4 轴向磁轴承;5 电机定子;6 电机内转子部分;7 电机外转子部分;8 真空壳体㊀2.飞轮电池的工作原理飞轮电池类似于化学电池,它有以下两种工作模式㊂(1) 充电 模式㊂当飞轮电池充电器插头插入外部电源插座时,打开启动开关,电动机开始运转,吸收电能,使飞轮转子速度提升,直至达到额定转速时,由电机控制器切断与外界电源的连接㊂在整个充电过程中,电机作电动机用㊂(2) 放电 模式㊂当飞轮电池外接负载设备时,发电机开始工作,向外供电,飞轮转速下降,直至下降到最低转速时由电机控制器停止放电㊂在放电过程中,电机作为发电机使用㊂这两种工作模式全部由电机控制器负责完成㊂飞轮转子在运动时由磁力轴承实现转子无接触支承,而着陆轴承则主要负责转子静止或存在较大的外部扰动时的辅助支承,避免飞轮转子与定子直接相碰而导致灾难性破坏㊂真空设备用来保持壳体内始终处于真空状态,减少转子运转的风耗㊂冷却系统则负责电机和磁悬浮轴承的冷却㊂安全容器用于避免一旦转子产生爆裂或定子与转子相碰时发生意外㊂显示仪表则用来显示剩余电量㊃3㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃4㊃飞轮储能技术及应用和工作状态㊂1.2.2㊀飞轮电池的应用领域飞轮电池的应用十分广泛,但主要分为两大类型[1]~[7]:一是作为储能用的,如卫星和空间站的电源,车辆的动力装置,各种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS)等;二是作为峰值动力用的,如电力系统峰值负载的调节,分布式发电系统中电网电力的波动调节,混合动力车辆负载的调节,运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,脉冲动力设备等㊂1.在电动汽车和军用车辆上的应用目前,飞轮储能系统可以单独或与其他动力装置一起混合用于电动汽车上,极大地改善汽车的动力性和经济性以及汽车尾气的排放状况[8]~[11]㊂飞轮储能系统在军事车辆的脉动负载和运行负载调节方面也担负重要角色,如德克萨斯大学奥斯丁电动力学研究中心(UT-CEM)就为军用车辆开发了脉动负载和运行负载调节的飞轮储能系统[12],该系统能储存25MJ的能量,能提供5MW的瞬时功率,可满足14t级军用车辆的脉动动力要求㊂2.在卫星和航天器上的应用Fare公司㊁马里兰大学及受NASA资助的刘易斯(Lewis)研究中心共同开发了空心飞轮系统[13][14],它是将马里兰大学的500W㊃h的空心飞轮系统按比例缩小成50W㊃h的空心飞轮系统㊂该系统用于近距离地球轨道(LEO)卫星和地球同步轨道(GEO)卫星的动力装置,取代了原先的化学电池㊂同时,它结合飞轮储能和卫星的姿态控制,使其优势更加明显[15][16]㊂3.在电热化学炮、电磁炮上的应用飞轮储能系统在电磁炮应用中具有明显优势,有一种8级逐级驱动的线性感应线圈发射炮能将3kg的炮弹以2km/s的速度发射[17]㊂电热化学炮要求在1~5ms内将脉动动力传到枪炮后膛,而由飞轮储能装置构成的脉冲盘交流发电机(PDA)就能适应这种要求[18]㊂4.用于电力质量和电网负载调节电力质量问题是一直困扰着电力工业的老大难问题㊂但随着UPS市场的发展壮大,各种重要的敏感设备(如计算机㊁通信设备和医疗设备等)受电网电力波动或突然的电力供应中断而造成的损失问题逐步得到了解决[19]㊂作为飞轮储能系统,它完全可以担负起UPS的职能,而且电力供应质量可大大改善,供电时间可大大延长㊂此外,大功率㊁高储能的飞轮储能系统还可以用来调节电网用电高峰的电力供应,使其电网负载更加平稳[20]~[22]㊂在以风力发电的机组中,应用飞轮储能系统可使输出电压更加平稳[23][24]㊂5.不间断电源(UPS)不间断供应电源有着强大的应用市场㊂除目前通用的UPS 外,飞轮电池作为一支新生的力量已经逐步参与到UPS 市场中来[25][26]㊂1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况飞轮的起源可以追溯到一百多年以前的瓦特蒸气机时代,那时的飞轮主要用来保持机器的平稳运转,用途比较单一㊂第一次真正具有划时代意义的里程碑是A.Stodola 博士撰写的关于飞轮转子形状和应力分析的书[3],该书于1917年首次被翻译成英文,直到今天它仍然有很重要的参考价值㊂下一个大的里程碑诞生于20世纪70年代早期,由于出现的石油禁运和天然气危机[1],飞轮储能才开始引起人们的足够重视㊂当时,美国能量研究发展署(ERDA)和美国能源部(DoE)开始资助飞轮储能系统的许多应用研究与开发,如针对电动汽车的超级飞轮的研究㊂刘易斯(Lewis)研究中心(LeRC)在ERDA 的协助和美国航空航天局(NASA)的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于混合车辆的飞轮系统的传动系统㊂NASA 同时也资助戈达德(Goddard)空间飞行中心(GSFC)研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承㊂20世纪80年代,尽管DoE 削减了飞轮储能研究的资助,但NASA 继续资助空间飞行中心研究卫星飞轮系统的电磁轴承,同时还资助了兰利(Langley)研究中心(LaRC)及马歇尔(Marshall)空间飞行中心(MSFC)关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究㊂直到20世纪90年代,飞轮储能才真正进入高速发展期㊂这期间,磁悬浮技术的快速发展,提供了高速或超高速旋转机械的无接触支承,配合真空技术,使摩擦损耗包括风损耗降到最低水平;同时,高强度复合材料的大量涌现,如高强度的碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8.27Gpa)的出现,使飞轮转子不发生破坏的转速极大地提高,允许线速度可达500~1000m /s,已超过音速,从而大大地增加了飞轮储能系统的储能密度;电机技术的快速发展,尤其是大功率密度双向电动机/发电机的诞生使得飞轮电池驱动能力进一步增强;电力电子技术的新进展,尤其是变频调速技术的高速发展为飞轮储存的动能㊃5㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃6㊃飞轮储能技术及应用与电能之间高速㊁高效率的转化提供了条件㊂飞轮储能技术必须借助于磁悬浮技术㊁电机技术㊁电力电子技术㊁传感技术㊁控制技术和新型材料(复合材料和高矫顽力永磁材料)技术,并将这些技术有机地结合起来才能真正研制出具有实用价值的飞轮储能系统㊂迄今为止,国内外对飞轮电池的研究主要集中在以下几个方面:(1)磁力轴承(含高温超导磁力轴承);(2)飞轮技术;(3)电机及其控制技术;(4)安全与容器;(5)面向不同应用对象的飞轮储能系统的综合研究等㊂1.3.1㊀磁力轴承研究现状早在19世纪上半叶,人们就开始试验永磁体的无接触悬浮,但并未成功㊂1842年剑桥大学的昂箫(Earnshau)教授[27]通过大量的实验证明,永磁体与永磁体之间或永磁体与软磁体之间不可能实现全部6个自由度上的稳定悬浮,也就是说至少在1个自由度上是不稳定的㊂直到1937年,维吉尼亚大学的霍尔摩斯(B.A.Holmes)教授才利用磁化磁体㊁电磁铁和位置传感器等元器件成功地实现了物体的稳定悬浮,从而标志着磁悬浮时代的到来[28]㊂后来,经过人们大量的实验验证和理论分析,终于找出了实现物体无接触稳定悬浮的几种方法,如利用抗磁性材料[29],与时变场相互作用的导体[30],陀螺力矩[31],超导材料[32]和反馈控制系统[28]等㊂事实上,到目前为止,在上述5种悬浮物体的方法中仅有超导材料和反馈控制系统用于实际的工业应用之中㊂磁悬浮轴承(也称磁力轴承),按控制方式的不同主要有两大类[33][34]:其一是主动磁力轴承(active magnetic bearing,AMB),也就是人们通常称作的电磁轴承,是一种有源磁力轴承;其二是被动磁力轴承(passive magnetic bearing,PMB),也称无源磁力轴承㊂被动磁力轴承目前有两种,即永磁磁力轴承(permanent magnetic bearing,PMB)和超导磁力轴承(superconducting magnetic bearing,SMB),其中永磁磁力轴承简称永磁轴承㊂目前对磁力轴承的研究主要集中在对主动磁力轴承(即电磁轴承)[35][36]和超导磁力轴承[37]~[40]的研究上,而对永磁磁力轴承[41]的研究较少㊂主动磁力轴承最主要的特征是通过控制电磁铁线圈的电流变化来产生时变磁场,以便调整在受到外界干扰时轴承所需的悬浮力,确保转子始终在预定位置平稳运转㊂因此,这类轴承的承受变负载的能力很强,而且有较强的运动稳定性,这对于那些时常受到外界扰动的支承来说又是必须的,如高速切削机床主轴的电磁轴承就采用了主动磁力轴承㊂但这类轴承也存在几个方面的不足:其一,它必须安装多个位置传感器以便时刻监测转子的位置,一旦有一个传感器失效,轴承就不能正常工作,从而降低了系统的可靠性;其二,由于控制线圈的存在,要消耗系统一部分的电能,从而降低了储能效率;其三,由于控制系统的存在,增加了系统的复杂性,也增加了系统失效的可能性㊂所有这些除大幅增加了系统的费用外,也降低了系统的可靠性㊂尽管近期有人开始研究无传感器的主动磁力轴承[42],但控制难度很大,而且可靠性更低㊂超导磁力轴承的主要特征是利用超导体在临界温度以下具有的迈斯纳效应(meissner effect),磁通线不能穿过超导体,即超导体是在磁场中呈现完全抗磁性来实现物体悬浮的㊂但一般来说,超导体的临界温度很低,即使现在所称的高温超导体的临界温度最高的也只有-130ħ㊂因此,要保证超导体的正常工作就必须提供制冷设备,保障超导体始终工作在临界温度以下,这势必增加系统的能量消耗,也增加了系统的投资,同时也增加了失效的可能性㊂永磁磁力轴承的主要特征是利用定子和转子上的永磁体之间或永磁体与软磁体之间的吸力或斥力来支承轴向或径向的负载,结构简单,但承受变载荷的能力较差,稳定性没有主动磁力轴承好,不过,由于它无需传感器和控制线圈,也无需制冷设备,经济性较好,这对那些仅承受静态载荷的应用是具有明显优势的㊂1.电磁轴承电磁轴承是由致动器(actuator)㊁传感器和控制系统三个部件组成㊂致动器是由一组缠绕在定子铁芯上的线圈构成(每个象限至少有一个磁极)㊂对于径向轴承,在转子圆周上至少要安装三个传感器,传感器系统负责测量转子轴的位置,并将位置信号反馈到控制系统,控制系统再将位置信号与参考信号比较来确定转子的位置误差,再经功率放大器控制致动器电磁铁的电流㊂致动器可以用单独的电磁铁(EM)或者由电磁铁和永久磁铁(PM)组合构成,其对应的轴承分别称为EM 轴承和EM /PM 轴承[35]㊂图1.2所示为EM 轴承致动器的两种构形,其中图1.2(b)的布置是一种通用构形,它将产生比图1.2(a)布置更低的运动和磁滞损耗㊂图1.3所示为6种EM /PM 轴承致动器构形,除图1.3(f)仅有轴向主动控制外,其他5种既具有径向主动控制又具有轴向支承定位的功能㊂从上述两种致动器的构形可以看出,EM 致动器在构造上通常比EM /PM 致动器㊃7㊃第1章㊀绪㊀㊀论。
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8
飞轮储能系统结构
飞轮 轴承 电机 变频\逆变控制器 辅助系统
9
飞轮
10
轴承
11
Байду номын сангаас 电机
12
变频\逆变
13
应用
电动车
14
应用
轨道交通
15
应用
可再生能源
16
应用
电磁发射
17
应用
航天电源
Ni-H2 Ni-Cd Lion Flywheel?
18
NASA Flywheel
MR2
0.5Mr2 0.5M(r12+r22)
6
薄圆盘
厚圆环
能量/功率密度
Wh/kg;Wh/L 1Wh=?J 1度=?J W/kg:
W/L
7
充放电
电动
MmWt=E2-E1+dEm
发电
E2-E1-dEg=MgWt
效率=(E2-E1-dEg)/(E2-E1+dEm)
400 350
总 损耗(440wh)
发 电+停车(365wh)
300
能量(wh)
250 200 150 100 50 0 0 20 40 60
发 电量(285wh)
停车损耗(80.6wh)
80 100 120 140
时 间(分 钟)
33
21
飞轮储能技术试验方法与装置
强度试验
静压 旋转
振动试验
动力学 机电耦合 系统功能 功率 效率
22
充放电试验
旋转飞轮变形测量
高速驱动
涡轮 电主轴 电涡流 电感 频闪法 光电法
位移传感器
光学测量
23
光学方法
24
旋转飞轮振动测量分析
25
振动测量传感器
31
2000年11月20日 各 种功率测定 曲线
180 160 140 120 发 电功率 损耗总 功率 停车损耗功率 铜损
功率(w)
100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120
时 间(分 钟)
32
500 450
2000年11月20日 新转 子 各 种损耗曲线
注 :铜损为(75wh)
飞轮储能技术基础
戴兴建 清华大学技术物理研究所 2009.7
1
2
3
飞轮储能原理和技术介绍 国内研究概况 试验研究方法
4
飞轮的动能和动量矩
E=0.5JW2 Lo=JW
E=0.5mv2 L=mv
Mg=JW×w
J=?
5
转动惯量
绕端点旋转的细杆
1/3Ml2
薄圆环
1961 1973-1983 1994-2004
19
UPS
20
国内飞轮储能技术研究
华北电力大学(电能质量) 北京航空航天大学(IPACS)
美国研究了40年 北航10年-国家发明一等奖
武汉理工大学(电动车) 海军工程大学(电磁弹射) 东南大学 浙江大学
落后10-20年
26
信号采集与分析
27
动态信号分析
幅频特性 相频特性
同频振动 倍频振动 高频振动 低频振动
28
充放电测试
Ed • 充电功率 c Ei
Ed 1 2 2 J (nt2 nb ) 1800
• 放电功率 Wl d • 系统效率 Wl d 0.64 Ed
Ed
Pd J p Wd W d
d td
, d W d W
29
30
2000年11月20日 各 种功率随转 速的变 化曲线
150
发 电功率
*注 :试验真空度为0.01帕
功率(w)
100 各 种损耗功率和
停车损耗功率 50
铜损 0 0 100 200 300 400 转 速(周:Hz) 500 600