飛輪儲能系統技術與工程應用（簡體書）

我國風能、光能等可再生能源的發展已經進入快車道,風光發電的間歇性和波動特性給電網的頻率穩定性和供電可靠性帶來了極大挑戰。儲能技術能夠實現電力系統的柔性調節,是解決高比例新能源接入引起電網穩定性問題的重要手段,是保障高敏感負荷供電質量的有效途徑。飛輪儲能技術是一種重要的物理儲能技術,具備單機功率大、高頻次充放電、迴圈壽命長、環境特性友好的優點,在滿足可再生能源電網短時高頻次儲能需求中,必將發揮重要的作用。
飛輪儲能技術涉及高速機械、電機、變流器等機械、電氣學科,是多學科交叉的高新技術學科,需要進行系統而廣泛的研究。目前,國內飛輪儲能技術應用尚處於起步階段,技術研發企業有10餘家,研究機構有20余家,未來有廣闊的發展前景。
本書系統、全面地論述飛輪儲能系統技術特徵、部件設計理論與方法,並通過飛輪儲能系統案例研究論證飛輪儲能技術的先進性和工程實用價值。內容主要包括飛輪儲能系統原理、結構、關鍵技術與應用,分析了飛輪儲能系統總體特性,提出了飛輪結構、永磁電機、微損耗軸承、變流器、輔助設備的設計方法,通過實驗系統、動態UPS樣機研製、油井鑽機工程示範應用的研究案例檢驗設計理論與方法,展示飛輪儲能系統技術的特性。
飛輪儲能技術方面出版的著作非常少,國外的一本已有的專著偏重於飛輪結構、軸承技術,對電機、電機控制變流器技術內容涉及很少。國內的一本已有的專著主要討論了永磁軸承技術。本書全面、系統,且通過多種飛輪儲能案例研究論證飛輪儲能技術特性,著述的設計理論方法更具有實用性。
本書可為飛輪儲能技術開發企業技術人員、飛輪儲能技術研究機構研發人員、研究生,相關機械、電氣學科提供詳實豐富的資料和基礎技術以及可參考性強的案例。
《飛輪儲能系統技術與工程應用》是在清華大學、中科院工程熱物理研究所飛輪儲能技術多年研究基礎上編寫而成的,並結合了國內國際最新的研究成果,參考文獻均列入相關章節,再次感謝各位參考文獻的作者,也感謝清華大學、中科院工程熱物理研究所飛輪儲能團隊集體的付出。同時,本書出版得到國家重點
研發計畫項目“MW級先進飛輪儲能關鍵技術研究”(2018YFB0905500)資助,在此表示感謝。
限於時間和水準,本書難免存在疏漏和不足之處,請各位讀者不吝指正。

戴興建
2020年6月

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　飛輪儲能系統結構004
1.2.3　飛輪儲能技術現狀005
1.3　飛輪儲能系統關鍵技術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　高脈衝功率應用014
1.4.2　動態不斷電供應系統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　複合材料飛輪結構優化047
2.3.1　概述047
2.3.2　纖維增強複合材料特性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　多層圓環工藝試驗飛輪設計053
2.3.7　飛輪-芯軸連接結構優化054
2.3.8　10kW·h級複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　反電勢係數的測量094
3.3.5　轉動慣量的測量095
3.3.6　電機電磁參數實例095
參考文獻096

第4章　微損耗軸承系統研究設計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體單元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　磁軸承執行器頻寬127
4.5.4　磁軸承控制平臺129
4.6　單自由度電磁軸承系統建模131
4.7　剛性轉子多自由度電磁軸承系統建模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　交叉回饋控制性能分析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　簡化模態分析178
5.3　多自由度轉子軸承系統分析181
5.3.1　系統設計181
5.3.2　振動力學模型182
5.3.3　模態力學特性183
5.3.4　阻尼參數對模態阻尼比的影響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　向量控制200
6.2.2　直接轉矩控制202
6.3　脈衝寬度調製技術203
6.3.1　正弦脈寬調製技術203
6.3.2　空間向量脈寬調製技術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　基於反電勢的無速度傳感器控制算法211
6.5.2　基於模型參考自我調整系統的無速度傳感器控制算法212
6.6　飛輪儲能系統充放電模擬模型及其模擬結果214
6.6.1　飛輪儲能系統充放電模擬模型214
6.6.2　飛輪儲能系統充放電模擬結果214
參考文獻218

第7章　飛輪儲能系統總體特性分析220
7.1　總體性能參數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222
7.2　合金鋼飛輪儲能系統總體特性222
7.3　複合材料飛輪儲能系統總體特性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　輔助系統的損耗244
7.8.1　真空設備244
7.8.2　散熱設備245
7.8.3　監控儀錶245
7.9　充放電效率測量245
7.9.1　實驗飛輪電機系統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的數學模型253
8.2　飛輪儲能UPS的控制策略255
8.2.1　網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的模擬研究261
8.3.1　充電過程模擬分析261
8.3.2　放電過程模擬分析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　電網頻繁故障及恢復實驗270
參考文獻273

第9章　石油鑽機中的飛輪儲能研究及應用274
9.1　基於飛輪儲能的石油鑽機混合動力系統275
9.1.1　石油鑽機機械傳動系統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　充放電控制系統設計293
9.3　飛輪轉子軸承系統動力學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　飛輪儲能系統實驗平臺304
9.4.2　飛輪儲能系統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　零部件製造總裝和調試311
9.5.2　飛輪電機軸系裝配及動平衡311
9.5.3　電動/發電控制312
9.5.4　損耗測試312
9.5.5　模擬鑽井考核運行314
9.6　衛453井施工示範工程314
9.6.1　頻繁充放電運轉穩定性315
9.6.2　直流母線電壓特性改進315
9.6.3　充電優化控制316
9.6.4　混合動力鑽井施工節能效益分析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電中應用研究325
10.1　背景326
10.2　微電網模型與控制327
10.2.1　微電網拓撲結構327
10.2.2　微電網控制方式328
10.3　風力發電模型及其控制策略330
10.3.1　雙饋非同步風力發電系統數學模型330
10.3.2　雙饋非同步風力發電系統控制策略331
10.3.3　風力發電模擬模型332
10.3.4　風力發電模擬波形334
10.4　直流側並聯飛輪儲能陣列及其協調控制策略335
10.4.1　直流側並聯飛輪儲能陣列拓撲335
10.4.2　直流並聯飛輪儲能陣列協調控制策略336
10.4.3　直流側並聯飛輪陣列協調控制模擬339
10.5　微電網孤島狀態下交流側並聯飛輪儲能陣列協調控制341
10.5.1　傳統的下垂控制策略341
10.5.2　引入線性補償的改進係數下垂控制策略341
10.5.3　改進係數下垂控制下飛輪儲能陣列模擬342
10.5.4　引入虛擬電抗的改進係數下垂控制策略344
10.5.5　引入虛擬阻抗的改進係數下垂控制模擬346
10.5.6　微電網孤島狀態下交流側並聯飛輪儲能陣列模擬349
10.6　微電網並網狀態下交流側並聯飛輪儲能陣列協調控制350
10.6.1　微電網控制架構350
10.6.2　可調度的飛輪儲能陣列協調控制351
10.6.3　並網狀態下飛輪儲能陣列可調度協調控制模擬353
參考文獻354