機械彈性儲能系統的儲能運行控制技術分析
——評《新型機械彈性儲能技術》

李 松

(1. 江蘇省江陰中等專業學校,江蘇 無錫 214433; 2. 江蘇聯合職業技術學院江陰中專辦學點,江蘇 無錫 214433)

為實現“雙碳”目標和構建以新能源為主體的新型電力系統,需提高可再生能源的消納能力,并保證能源供應的穩定性和可靠性。 可再生能源如風能、光能等不穩定的特點,給電網帶來很大的不確定性,尤其在高溫和寒冷季節。 儲能技術能將多余的可再生能源儲存起來,在電力供應不足時向電網供電,實現可再生能源的平穩消納,還能提高電網的可靠性和穩定性,抵御天氣等突發事件的影響,確保電力供應的安全穩定。 儲能技術是推動新能源發展和構建新型電力系統的重要保障。 儲能技術主要分為物理儲能和化學儲能兩類,機械彈性儲能(MEES)屬于物理儲能中的一種新型儲能技術,可用于短時間內需要大功率儲能的復雜環境,如抽油機能量回收、地鐵再生制動能量回收以及低溫環境下車輛的啟動電源等場合。

為全面梳理MEES 的關鍵技術問題,為未來研究提供可借鑒的參考資料,余洋等人主編完成了《新型機械彈性儲能技術》一書,共14 個章節。 第1 章為儲能技術及發展現狀;第2 章為MEES 關鍵技術、可行性及儲能指標;第3 章為MEES 用渦簧非線性力學特性;第4 章為MEES 用渦簧儲能過程的有限元數值分析;第5 章為MEES 用渦簧儲能密度的計算及設計優化;第6 章為MEES 用聯動式儲能箱結構設計及其模塊化安裝調試技術;第7 章為永磁電機式MEES 系統的數學模型;第8 章和第9 章分別為永磁電機式MEES 系統儲能運行與發電運行控制技術;第10 章為永磁電機式MEES系統振動抑制及振動與效率同時優化控制;第11 章為永磁電機式MEES 系統新型閉環I/f 控制及振動與轉矩脈動同時優化控制;第12 章為永磁電機式MEES 系統邏輯保護與監控系統設計;第13 章為10 kW 永磁電機式MEES 系統技術集成及運行實驗;第14 章為MEES 技術應用探析。

1 機械彈性儲能(MEES)的優勢與實現方式

機械儲能方式具有儲能容量大、效率高、成本低和無污染等優點,MEES 技術不僅具有機械儲能技術的所有優點,還具有很強的可控性和靈活性,適用于多種環境和場所。MEES 的儲能介質為大型平面渦卷彈簧(以下簡稱渦簧),能量存儲形式為機械彈性勢能。 平面渦卷彈簧具有優異的機械性能,作為MEES 的儲能元件,具有可再生利用的特點,在儲能元件失效后,還可以進行回收再利用,這與當前社會倡導的節能減排等重要政策方向相符。 同時,通過機械手段實現儲能場地的規?；?可以進一步擴大儲能量。

MEES 技術將電力儲存到彈性儲能元件中,并在需要時釋放能量,因此MEES 技術包括儲能和發電兩個基本過程。 儲能時,通過電動機擰緊渦簧,電能轉化為彈性勢能;發電時,渦簧釋放彈性勢能,轉化為電能,向電網或負載供電。 MEES 系統可通過對多種機械元件的合理設計來實現高效的儲能。

2 MEES 的關鍵技術

MEES 的關鍵技術包括:渦簧材料的彈性模量、密度、抗疲勞性能等;聯動式儲能箱的機械結構設計與優化;機組系統數學建模;永磁同步電機的儲能運行和發電運行控制技術;變流器并網控制策略等。

彈性渦簧作為聯動式儲能箱的儲能元件,其材料性能、整體結構和動力學特性等是影響儲能效果的關鍵,因此,應給予充分的研究。 在此基礎上,研究聯動式儲能箱的結構優化、制造和安裝,建立其結構與關鍵性能參數之間的關聯理論,關鍵性能參數包括儲能密度、儲能容量和動態特性等。此外,還需要建立機組各子系統的動態數學模型,構建MEES機組全仿真模型,實現機組的優化設計和性能分析。 在MEES 機組的運行過程中,需要針對機組的儲能、并網和發電等不同運行狀態,研究優化控制策略和方法,以確保機組在不同狀態下的安全穩定和高效運行。 這些研究需要考慮到機組各個子系統之間的相互耦合關系,并結合實驗研發、制造和運行生產過程進行綜合應用和驗證。

3 MEES 用聯動式儲能箱設計

儲能箱是MEES 系統中的關鍵部件。 MEES 聯動式儲能箱由多個渦簧箱構成,渦簧箱由主軸、箱體軸承、筒狀箱體和片狀渦簧等組成。 主軸由機座、機座軸承支撐,筒狀箱體由主軸、箱體軸承支撐。 相鄰渦簧箱之間通過主軸或筒狀箱體相連,當儲能和釋能時,各渦簧箱之間能夠形成聯動。

聯動式儲能箱的工作原理是將渦簧材料的彈性形變用于能量儲存和釋放。 在儲能時,動力軸正向旋轉,使第一個渦簧箱的渦簧被擰緊,該渦簧所在的箱體隨之正向轉動,帶動其他渦簧箱箱體依次轉動,所有渦簧被擰緊,實現能量儲存。 在釋能時,當第一個渦簧箱的渦簧被松開后,動力軸反向旋轉,帶動其他箱體依次隨之反向轉動,所有渦簧松開,實現能量釋放,因此,渦簧箱的筒狀箱體起到機械聯動的作用,通過旋轉帶動渦簧完成儲能和釋能的過程。 渦簧箱的聯動設計和施工質量的優良程度,直接決定了機組的儲能效率和能量輸出效率。 在不改變渦簧箱尺寸的情況下,這一特殊的聯動式連接方式,增大了儲能箱的儲能容量,省去了齒輪等傳動部件,降低了制造難度和成本,同時降低了運行噪音。渦簧箱內的渦簧由多組寬度受一定限制的片狀渦簧構成,不僅易于加工和安裝,也增強了片狀渦簧的抗不均勻能力。

4 MEES 系統儲能運行控制技術

儲能系統需要不斷進行儲能和釋能的轉換,因此,需要實現對儲能和釋能過程的精確控制,以確保實現穩定的能量儲存和釋放。 儲能元件的彈性勢能高效且穩定地轉化為電能,是儲能機組的核心技術指標。 永磁同步電動機因運行效率高和高轉矩電流體積比的優點被選作MEES 系統的執行機構。 永磁同步電機是能量轉化的核心元件,技術要求為:①在儲能過程中,應具備高效儲能的能力;②在釋能過程中,能夠及時響應運行需求,輸出電能;③在機組并網時,能夠快速實現電機功率的無沖擊并網,并保持電網和電機的穩定運行狀態。 對永磁同步電機的優化設計,如電機轉矩控制、電磁場分析、電機溫度管理和儲能與發電之間的切換控制策略等方面進行研究,可提高MEES 系統的能量轉化效率。

在控制永磁同步電動機儲能和釋能的過程中,仍存在一些問題:一是由于MEES 系統的能量輸入和輸出都依賴永磁同步電動機的控制,因此,對其控制要求很高,需要采用先進的控制算法來實現高效能量的轉換;二是MEES 系統需要簡單而有效的控制策略,以充分利用其能量密度優勢,這對于永磁同步電機的參數進行準確測量和識別至關重要。

基于此,為確保高質量發電,需要根據儲能箱組的運行特性進行優化設計。 建立基于永磁同步電機設計的MEES機組的數學模型,并進行全面仿真模擬。 為滿足儲能運行的需求,提出針對永磁同步電機式MEES 機組的控制策略,電機側變流器采用轉速、電流雙閉環控制,電網側變流器則采用電壓、電流雙閉環控制。 仿真分析了在儲能運行狀態下,永磁同步電機的電機轉速、定子電流d軸和q軸分量和電磁轉矩的運行特性。 仿真結果表明,電機能夠快速跟蹤指定轉速,并在三相定子電流上很好地實現解耦,同時也能夠較好地實現恒定轉速的控制。 綜合考慮永磁同步電機的控制策略和儲能運行特性,可以實現MEES 機組的高效儲能和穩定發電。 這些研究成果,可為MEES 機組的設計和控制提供理論依據和技術支持。

關于MEES 系統中永磁同步電動機低速運行控制的具體問題,主要涉及負載慣量和扭矩同時變化情況下的控制方法。 首先,需要辨識出儲能箱的轉動慣量和轉矩,再通過設計非線性反推控制器來實現永磁同步電動機低速運行控制。這種控制器可以根據永磁同步電動機的電流、速度和負載變化等信息,實時采取相應的控制措施,以確保永磁同步電動機在低速運行時能夠穩定工作。 在控制器設計過程中,需要進行穩定性驗證和分析,以便確?？刂葡到y的穩定性和魯棒性。 此外,還需要對控制參數進行優化,以提高系統響應速度。 最后,通過仿真測試,對所設計的控制系統進行驗證和分析,評估控制系統的性能、穩定性和魯棒性,確認控制系統設計的可行性。

反推控制器是建立在比例積分(PI)控制器基礎上的,其工作原理是對永磁同步電動機的電動力和負載扭矩進行反推,再根據反推結果來控制永磁同步電動機的轉速和電流。反推控制器的設計包括以下主要步驟。 首先,需要設計一個合適的反推算法來計算電動力和負載扭矩的值。 一種常用的方法是基于磁鏈觀測器的反推算法。 基于這種算法,可以通過觀察永磁同步電動機的磁鏈來計算電動力和負載扭矩的值,實現對永磁同步電動機的控制。 其次,需要對反推控制器的參數進行優化。 反推控制器的參數包括比例和積分系數等。 在參數優化中,需要通過實驗或仿真等方式來確定反推控制器的最佳參數。 參數的優化可以使設備更好地適應負載慣量和扭矩同時變化的情況,提高永磁同步電動機的控制效果和穩定性。 最后,需要通過仿真實驗來驗證和分析反推直接轉矩控制(DTC)系統的性能。 通過仿真實驗,可以評估反推DTC 系統的控制效果和穩定性,在不同負載慣量和扭矩條件下,驗證反推DTC 控制器的效果,為進一步應用和推廣提供數據支持和技術保障。

5 結語

《新型機械彈性儲能技術》一書系統地分析、總結了新型MEES 技術的基礎理論、實現方案及技術應用。 該書將系統性、前沿性、理論性與工程實踐緊密結合,融合了電機、材料及機械專業相關知識,方便讀者深入淺出地理解新型MEES技術,實用性較強。 可供能源、電力、機械等專業師生參考,也為傳播MEES 技術起到拋磚引玉的作用。

書名:新型機械彈性儲能技術

作者:余洋 湯敬秋 段巍 米增強主編

ISBN:9787122397591

出版社:化學工業出版社

出版時間:2022-01

定價:￥128.00 元