Analysis and optimization of an interference fitted composite material rotor of a superconducting energy storage flywheel

为了提高储能飞轮的储能密度,设计了一种金属轮毂和3个复合材料圆环过盈装配的磁悬浮外转子飞轮;采用平面应力方法建立了转子的应力模型,以复合材料圆环的厚度和环间过盈量为优化变量,以储能量为优化目标,在强度约束条件下,通过序列二次规划法对转子进行优化设计,将转子的极限转速从50000 r/min提高到57797 r/min,储能密度由40 W∙h/kg升高到53.8 W∙h/kg,储能量升高34.5%.该研究方法和结果可以为复合材料储能飞轮的设计,制造和优化提供依据.     

Metallic materials for energy storage flywheel rotors

飞轮储能是利用高速旋转的转子来储存能量,是一种理想的绿色环保储能方式,高效清洁且寿命持久.由于储能飞轮的储能密度与比强度呈正比的关系,因此开发与制备新型高比强度材料的飞轮转子是提高其储能能力的重要途径.作者叙述了储能飞轮用金属材料的发展历程与应用现状:储能飞轮的研制初期一般采用储能密度较低的金属转子,目前储能飞轮的研究重点已转到密度低而强度高的复合材料飞轮,其最优的转子形状具有沿半径方向中间薄,两端厚的特征,以获得更高的储能密度.阐述了金属转子与轮毂的铸造,锻造,机加工,热处理以及质量检验等加工工艺的研究现状.储能飞轮转子用金属材料的发展最终取决于超高强度钢及合金的开发与研究,如超高纯冶炼技术的发展,热处理工艺的优化等.     

复合材料飞轮结构与储能密度

为提高飞轮的储能密度,需采用合适的转子材料和合理的转子结构。复合材料与各向同性材料相比具有明显优势。多层转子结构突破了单层转子内外半径比的限制,可明显改善转子内部的应力分布,提高飞轮的储能密度。该文论述了复合材料飞轮储能密度的影响因素,对复合材料转子的应力分布作了定量分析,比较了单层和多层转子的特点,综合考虑了飞轮设计的各种因素,提出了飞轮结构参数的设计方法。     

盘式和柱式飞轮转子系统临界转速分析CSCD

针对飞轮储能系统升降速实验中极限转速为9300 r/min,小于飞轮储能的最高工作转速15000 r/min,这会大幅降低飞轮储能系统的最大储能量。为提高飞轮储能实验中极限转速,从结构设计角度出发,采用理论公式分析、SAMCEF Rotor有限元仿真分析并结合实验数据来研究盘式飞轮转子和柱式飞轮转子的临界转速分布规律及其稳定性。分析发现,质量相同、结构不同的盘式飞轮转子其二阶临界转速远远超过柱式飞轮转子,两者的一阶临界转速相同。根据不同工作转速和储能量要求的飞轮转子,采取不同的结构方案,确保其达到工作转速要求并稳定运行。     

外转子储能飞轮结构优化设计研究

储能飞轮属于功率型储能技术,利用现代电力电子技术,实现电能与飞轮动能之间的转化。飞轮储能系统利用上、下主动电磁轴承将飞轮旋转体处于无接触悬浮。选择一种阶梯变截面近似等应力转子金属材料飞轮,以获得更高的储能密度,在高形状系数与加工制造难度之间合理优化。针对此飞轮进行强度以及转子动力学分析,此一体化外转子飞轮方案可有效解决飞轮转子轴向长度影响转子动力力学特性并将导致飞轮储能系统结构紧凑性欠佳的问题。     

Analysis of a two-stage flywheel unit for automobile braking energy recovery

相比于其他储能方式,飞轮储能的高功率密度和高效率能量存储方法有很大的优越性,但也带来了其质量较大的困扰。基于传统模式单级飞轮储能结构,提出了一种新型两级式飞轮储能装置,并通过选用某种确定车型的车辆制动时所能够回收的能量,证明在一定程度上提供相同的储能容量时,该装置的质量可以明显降低。基于证明结果,通过Ansys软件对飞轮转子系统进行了10阶的模态分析和等效应力分析。仿真结果表明：该飞轮转子系统不会发生共振情况且满足强度要求,可以安全可靠的工作。     

Theoretical calculations and experimental validation of flywheel energy storage density

飞轮储能密度是衡量转子材料结构技术水平的重要指标,分析了储能密度的计算方法和工程制约因素,提出了一种简要的工程计算方法,并应用于一文献所给出的飞轮结构的储能密度分析和校核.目前我国的实验飞轮线速度没有超过800 m/s,储能密度小于60 W·h/kg.     

Analysis and design of the capacity and efficiency of a flywheel energy storage system

分析了飞轮储能系统能量、功率参数特性。飞轮储能系统单机可实现储能0.5 ～ 100 kW·h、功率2～ 3000 kW。提出了储能100 kW·h级飞轮的方案,采用中低转速合金钢飞轮转子,储能密度13～ 18 W·h/kg,计算许用应力为800 MPa。尺寸为米级的飞轮转子整体锻造难度较高,可采用多圆盘轴向联接的结构设计。采用3层或4层纤维缠绕复合材料高速飞轮转子结构,分别进行了径向等应力结构设计,计算表明9000 r/min三层纤维缠绕复合材料飞轮和15000 r/min四层纤维缠绕复合材料飞轮均能够满足工作转速下的结构强度要求,储能密度50 ～ 70 W·h/kg。     

Structural design and optimization of metallic flywheel based on FEM

金属飞轮功率密度大,可靠性高,是我国推广飞轮储能技术应用的重要途径。本文综合考虑应力强度、金属疲劳、储能总量、储能密度和加工工艺,依托有限元计算优化金属飞轮设计,以应对不同工况要求。飞轮材料选用35CrMoA,设计储能量大于20 kW·h。频繁充放电飞轮采用4倍安全系数,具备高可靠性;高速待机飞轮以疲劳极限强度作为设计准则,平衡储能量和寿命。计算对比发现,“哑铃”形截面有利于实现轻质量大转动惯量,相同储能量下降低轴承负荷。此外,文章依托模块化设计思想,提出叠层铆合飞轮设计,评估轴孔螺孔应力集中影响。上述讨论为低速大功率金属飞轮进一步设计和量产化提供了有力参考。     

基于有限元的金属飞轮结构设计优化

金属飞轮功率密度大,可靠性高,是我国推广飞轮储能技术应用的重要途径。本文综合考虑应力强度、金属疲劳、储能总量、储能密度和加工工艺,依托有限元计算优化金属飞轮设计,以应对不同工况要求。飞轮材料选用35Cr Mo A,设计储能量大于20 k W·h。频繁充放电飞轮采用4倍安全系数,具备高可靠性;高速待机飞轮以疲劳极限强度作为设计准则,平衡储能量和寿命。计算对比发现,"哑铃"形截面有利于实现轻质量大转动惯量,相同储能量下降低轴承负荷。此外,文章依托模块化设计思想,提出叠层铆合飞轮设计,评估轴孔螺孔应力集中影响。上述讨论为低速大功率金属飞轮进一步设计和量产化提供了有力参考。     

Flywheel array energy storage system

飞轮储能系统将能量储存在高速旋转的飞轮转子中,具有高功率密度,无环境污染,使用寿命长,运行温度范围广,充放电次数无限制等优点,已获得了广泛的应用.将多台模块化的飞轮储能单元并联起来组成飞轮阵列储能系统,是获得大容量,高功率储能的解决方案.文章首先论述了飞轮阵列储能系统的国内外发展现状与要解决的关键问题, 然后详细给出了飞轮阵列储能系统的设计方法,并联拓扑结构与控制策略.随着飞轮储能单元并联技术的逐渐成熟,飞轮阵列储能系统应用领域将逐步扩展到电力系统调频,间歇式可再生能源发电等领域,并将在提高电网对可再生能源的接纳能力等方面发挥重要作用.     

运用虚拟同步机技术的新型兆瓦级光-储并网结构

提出一种新型的VSG光-储分布式发电系统结构,该方案在传统光-储并网发电系统的逆变器后端另外添置了一套储能电池。这样不但可提高光伏组件的工作效率,避免光伏出力变化对系统频率造成影响,而且还可根据电网负荷的异常波动情况及时有效地输出有功及无功功率,达到稳定电网频率、电压的作用。系统的动态分析及仿真结果证明了该新型光-储并网发电系统结构能够实现新能源并网的目标与要求。     

改善风电并网电能质量的飞轮储能系统能量管理系统设计

设计了应用于改善电网电能质量场景下飞轮储能系统的双层结构能量管理系统,其中能量管理系统的上层——决策管理层利用模糊算法,考虑飞轮储能系统状态和平抑风电功率波动需求来确定飞轮储能装置的充放电功率参考值,下层——调度控制层通过双环控制背靠背双PWM变流器实现飞轮储能与电网间的功率交换。在Matlab/Simulink下仿真分析飞轮储能的运行状态和比较风电场采用飞轮储能调节有功功率前后的公共连接点(point of common coupling,PCC)处电压波动,仿真结果验证了飞轮储能系统能量管理系统的有效性,可提高储能装置的利用效率,改善电能质量。     

The study of control strategy for urban mass transit based on flywheel energy storage system

针对城市轨道交通列车运行密度高,起制动功率大的特点,采用飞轮型再生制动能量回收装置可有效降低直流牵引网压波动,降低牵引能耗。由于该装置采用基于直流牵引网母线电压高低进行充放电的控制策略,在实际运行工况中可能存在无法准确识别再生能或储能设备SOC值无法自动调整导致无法再响应牵引网压波动的情况,本文提出空载网压识别和SOC自适应控制策略进行解决,通过轨道交通试验平台的试验验证,得出该控制策略的有效性。     

基于电池储能系统和双重扩展卡尔曼滤波的风能发电智能调度技术研究

风能等新能源发电系统在供电体系中的占比越来越大,但其随机性和波动性问题,将风力发电厂输出的电力直接向电网调度会造成安全隐患。为了解决这一问题,基于电池储能系统提出了一种风能发电智能调度技术,该技术以风力发电动力学模型和电池储能系统状态模型为基础,利用双重扩展卡尔曼滤波算法实现了风能发电系统的稳定输出。以某地风速实测数据和电网需求功率为参考,对不同算法的输出功率预测值进行了仿真分析和实验对比。结果表明：提出的改进算法预测的风速值误差相比于传感器观测值平均误差降低了28%以上,可以更准确地提供发电系统输出功率;提出的智能调度技术可以使电压波动幅度降低60%以上,系统整体输出功率稳定在参考功率附近,误差不超过2%,有一定的实用意义。     

Control of wind generator associated to a flywheel energy storage system

In this paper, a doubly fed variable speed wind induction generator connected to the grid associated to a flywheel energy storage system (FESS) is investigated. The dynamic behaviour of a wind generator, including the models of the wind turbine (aerodynamic), the doubly fed induction generator (DFIG), a ac/ac direct converter, the converter control (algorithm of VENTURINI) and the power control of this system, is studied. Also investigated is a control method of the FESS system, which consists of the classical squirrel-cage induction machine supplied off the variable speed wind generator (VSWG) through a rectifier–inverter cascade arrangement. Simulation results obtained on the basis of the dynamic models of the wind generator are presented, for different operating points, to demonstrate the performance of the proposed system.     

基于指标关联的分布式电源并网规划策略

为解决新能源并网时的电源规划与风光消纳问题,考虑风光能源功率波动特性并计及储能单元提出一种计及风光协调出力的电网规划策略.综合考虑电压波动、新能源消纳及新能源发电效益建立多指标规划模型,采用引入指标关联策略的粒子群优化方法对模型进行求解,确定分布式电源及储能的位置和容量.进一步分析优化方案在电能质量方面的规划效果,统计...     

基于分层控制的微电网混合储能协调优化策略研究

复合储能是保障微电网安全稳定的关键技术之一,本文根据储能电源的各自运行优势特点,提出了基于上层下垂-下层倒下垂的分层协调控制策略,上层全钒液流电池储能运用自主下垂控制,超级电容运用倒下垂控制策略,以增加系统稳定性、减少系统建设成本、增加实际工程可行性为优化目标,应用PSCAD专业软件对系统进行模拟仿真,仿真验证本文所采用的控制策略可控制微电网稳定运行,对微电网大容量储能系统的配置与设计提供有价值的参考和帮助。     

电化学储能电站NPC三电平变流器仿真建模研究

利用仿真软件及实验设备对中点钳位型（NPC）三电平储能变流器进行研究。首先建立1500 V高压直流储能系统,其能量密度、功率密度、系统循环效率较高,且成本和占地面积较低,正逐渐成为主流;然后建立单台NPC三电平变流器（PCS）模型,结合储能系统、滤波电路、变压器等形成电站基本结构,并将多台设备并联建立储能电站模型;最后通过dq坐标系全解耦控制策略实现对PCS输出功率的控制,从而实现与电网的功率互动。仿真和实验结果表明,储能电站可迅速切换充、放电工作状态,并准确跟踪目标功率,输出波形良好、畸变率低的并网电压,从而实现对电网的调节。