基于TMS320C31+FPGA数字控制器的主被动磁悬浮飞轮一体化控制

针对轴向三自由度被动、径向两自由度主动控制的主被动磁悬浮飞轮的低功耗、高可靠、一体化需求,对其控制器进行了一体化设计。首先,建立了主动磁轴承的数学模型,并选择合适的控制策略。在此基础上,提出一种以DSP+FPGA为核心,包含信号调理、外部存储、驱动及功放模块的一体化集成数字控制系统,并对其进行实验验证。实验结果表明,飞轮在静态悬浮时,转子径向跳动量为70 mV左右,约为保护间隙(峰-峰值约8 V)8.7%;加速至额定转速时,转子跳动量为1.2 V左右,约为保护间隙的15%左右,磁悬浮飞轮以额定转速工作时磁轴承系统功耗为5.5 W,满足飞轮性能要求。     

一种飞轮储能系统用被动磁轴承组设计与分析

介绍了一种用于飞轮储能系统的磁轴承组,该磁轴承组由永磁轴承（PMB）和超导磁轴承（SMB）组成。基于Halbach 阵列的永磁轴承设计了一种具有Nd-Fe-B磁环和后轭的PMB的新结构,并与现有结构进行了比较。利用有限元法（FEM）比较2种不同的PMB配置,在2个SMB拓扑的零场冷却（ZFC）和现场冷却（FC）过程中测量径向力和轴向力。对测量结果进行了研究分析,结果表明：轴向磁环充磁的新型拓扑结构的悬浮力大、径向恢复力高,尤其适合飞轮储能样机,因此所提出的新结构对飞轮储能系统用磁轴承新结构的设计提出具有重要指导意义。     

储能飞轮径向磁轴承的H∞鲁棒控制器

磁轴承已广泛应用于飞轮储能技术中,但磁轴承建模时存在不确定性问题,采用常规方法整定的控制器难以保证其优良的稳定性和抑制扰动能力。研究基于状态空间的径向磁轴承参数不确定H∞控制,运用于磁轴承状态反馈控制器设计中,并借助于MATLAB仿真工具给出了不同情况下H∞控制的仿真波形。研究结果表明:在所考虑的刚度参数不确定性范围内,基于H∞理论的控制器具有较好的稳定性、鲁棒性和抑制扰动能力。     

复杂工况下储能飞轮转子传力支承与减振设计

针对复杂工况下飞轮转子上、下传力支承角接触球轴承与支座间隙配合导致的振动问题,以及真空环境下振动控制问题,提出飞轮转子上支承采用圆柱滚子轴承,下支承采用深沟球轴承+成对角接触球轴承联合传力支承方案,解决了复杂工况下轴向力调整、磁轴承失效、轴向力平衡、支承刚度连续、支承系统变形协调等结构设计难题。同时引入一种主控式弹支干摩擦阻尼器（ESDFD）,抑制转子径向振动。采用有限元法建立ESDFD-储能飞轮转子系统耦合动力学模型,计算飞轮转子动力学特性,分析单/双阻尼器对转子振动的控制效果。结果表明：针对转子一阶、二阶模态振动,采用单/双阻尼器控制方式,最大响应均低于30μm,减振比超过90%。     

Analyses and experimental validation testing of rotor dynamics of a flywheel

以250 kW/3 kW·h的磁悬浮储能飞轮为研究对象,通过理论分析、仿真计算、测试试验相结合的方式,研究储能飞轮转子系统的动力学特性。首先,基于转子动力学有限元法的Timoshenko梁理论推导出了转子单元的运动方程。其次,利用ANSYS软件分别对转子的临界转速和不平衡响应进行仿真有限元分析。最后,通过径向磁轴承的传感器采集位移信号,测试储能飞轮转子在升速过程中的振动波形,验证转子的动力学参数及仿真分析结果的准确性。通过转子的频谱瀑布图和振动位移响应曲线,与仿真分析的Campbell图和不平衡响应图进行对比。结果表明,测试试验结果与仿真分析结果一致。通过研究储能飞轮转子的转子动力学特性,设计出了合理的转子动力学的参数,并得到了试验验证。     

直驱风力发电机径向二自由度磁悬浮支承方案研究

为从根本上解决传统直驱风机系统的机械摩擦问题以有效提高风能利用率,提出直驱风力发电机径向二自由度磁悬浮支承方案,即采用径向二自由度混合磁轴承和机械轴承共同支承直驱风力发电机,采用等效磁路法对该混合磁轴承进行数学建模,并利用有限元分析软件对其进行参数设计及机理分析。在此基础上,搭建直驱风力发电机径向二自由度磁悬浮支承系统的数控平台进行试验,试验结果证明该磁悬浮支承方案的正确性和合理性。     

微电网环境下飞轮储能系统信息建模与分布式运行机制

主要研究了在微电网具有分布式发电及设备运行机制环境中,飞轮储能系统的信息建模方法与分布式运行机制。应用IEC61850机制,建立微电网环境中的飞轮储能系统的信息模型,以将具有机电一体化设备特征的飞轮储能系统顺利转化为电力系统领域内的生产设备,并有效地与周围其他电力设备进行通讯与信息交换。重点说明了信息模型内部逻辑节点的建模方法。在基于IEC61850机制的飞轮储能系统信息模型基础上,进一步综合应用IEC61499分布式控制机制规划与描述FESS的充放电运行过程,研究了逻辑节点向标准功能块的转化方法。通过IEC61850和IEC61499对微电网中的飞轮储能系统综合应用,说明了2种机制结合应用的有效性,同时也为有效控制电力系统中飞轮储能系统的充放电过程提供技术途径。     

Flywheel based energy storage systems and their engineering applications

飞轮储能系统是一种具有广阔应用前景的机械储能装置.本文介绍了飞轮储能系统的原理和基本结构,并阐述了飞轮储能系统在相应工程领域的应用情况.     

清华大学飞轮储能技术研究概况

全面回顾了清华大学在过去17 年内坚持飞轮储能技术研究开发的总体情况。介绍了6 种飞轮储能试验研究系统和工程样机的技术特征,分析了研制过程中遇到的飞轮轴系稳定性、电机设计、充放电控制器调试等关键技术难题,探讨了飞轮储能技术工业化应用开发中应注意的问题。     

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。     

电磁悬浮储能飞轮系统的动力学分析

本文对五自由度飞轮储能系统模块进行了动力学分析。先完成了电磁轴承在单自由度方向上电磁力描述，给出了电磁力和控制电流、位移之间的关系；建立整个系统的动力学微分方程，在此基础上，推导出状态空间表达式。基于状态空间完成了系统的稳定性分析，给出了基于线性二次型最优控制的控制器设计方法。     

飞轮储能系统E型径向电磁轴承动态工作区分析CSCD

以10 kW·h飞轮储能系统的电磁轴承为对象,分析了E型12极径向电磁轴承的动态载荷特性。通过电磁轴承动态载荷区图,建立了转子不平衡激励载荷与动态载荷区的联系,以提高最大承载能力为目标,合理匹配了电磁轴承磁铁与功率放大器组合。确定了执行器的主要技术参数和转子动平衡精度等级,为磁悬浮储能飞轮系统总体设计、电磁轴承系统设计提供了设计方法和理论依据。     

Flywheel energy storage systems: Review and simulation for an isolated wind power system

In flywheel based energy storage systems (FESSs), a flywheel stores mechanical energy that interchanges in form of electrical energy by means of an electrical machine with a bidirectional power converter. FESSs are suitable whenever numerous charge and discharge cycles (hundred of thousands) are needed with medium to high power (kW to MW) during short-time periods (seconds–minutes). Monitoring of the FESS state of charge is simple and reliable as only the spinning speed is needed. The materials for the flywheel, the type of electrical machine, the type of bearings and the confinement atmosphere which all together determine the FESSs energy efficiency (>85%) are reviewed. Main FESS applications: power quality, traction and aerospace are presented. Additionally in this paper it is presented the simulation of an isolated wind power system (IWPS) consisting of a wind turbine generator (WTG), a consumer load, a synchronous machine (SM) and a FESS. A low-speed iron flywheel driven by an asynchronous machine (ASM) is sized for the presented IWPS. The simulation results with graphs for system frequency, system voltage, active powers of the different elements, and FESS-ASM speed, direct and quadrature currents are presented showing that the FESS effectively smoothes the wind power and consumer load variations.     

飞轮储能装置设计初探

讨论了具有广泛应用前景的新型机械储能技术中飞轮储能装置设计的几个关键问题，包括飞轮转子材料的选择，飞轮最佳转速的确定及工作空间的计算，轴承支承的选择，轴承承载力，刚度与结构参数的计算，电机的选择，以及能量转换控制方式的分析等，为飞轮储能装置设计的进一步研究奠定了基础。     

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。     

飞轮储能技术及其耦合发电机组研究进展

  目的  双碳目标的提出增加了新能源电力嵌入的必要性,为了研究提高机组灵活性的方法,文章对飞轮储能技术及其耦合发电机组的相关研究进行了详细介绍。  方法  文章概括总结了飞轮储能的工作原理、研究现状与成果以及应用难点与措施,分析了研究飞轮储能的系统建模与运行策略的具体方法,并对飞轮储能分别耦合火力发电、风力发电以及太阳能发电的原理与应用特点进行了重点分析。  结果  我国的飞轮储能系统研究已经取得较为先进的成果,并且形成了一套有效的研究方法,在飞轮储能技术耦合多能源发电机组方面也进行了一定的研究。  结论  在当今环境下,飞轮储能技术耦合多能源发电机组已经成为研究趋势与重点,本文所总结内容为后续飞轮储能技术的应用提供了参考。     

Flywheel energy and power storage systems

For ages flywheels have been used to achieve smooth operation of machines. The early models where purely mechanical consisting of only a stone wheel attached to an axle. Nowadays flywheels are complex constructions where energy is stored mechanically and transferred to and from the flywheel by an integrated motor/generator. The stone wheel has been replaced by a steel or composite rotor and magnetic bearings have been introduced. Today flywheels are used as supplementary UPS storage at several industries world over. Future applications span a wide range including electric vehicles, intermediate storage for renewable energy generation and direct grid applications from power quality issues to offering an alternative to strengthening transmission.One of the key issues for viable flywheel construction is a high overall efficiency, hence a reduction of the total losses. By increasing the voltage, current losses are decreased and otherwise necessary transformer steps become redundant. So far flywheels over 10 kV have not been constructed, mainly due to isolation problems associated with high voltage, but also because of limitations in the power electronics. Recent progress in semi-conductor technology enables faster switching and lower costs. The predominant part of prior studies have been directed towards optimising mechanical issues whereas the electro technical part now seem to show great potential for improvement. An overview of flywheel technology and previous projects are presented and moreover a 200 kW flywheel using high voltage technology is simulated.     

飞轮储能技术研究五十年评述CSCD

本文回顾了飞轮储能技术研发50年的历程,分析了飞轮储能技术特点、应用领域以及关键技术问题。飞轮储能具有功率密度高、循环寿命长、响应迅速、能量可观性好以及环境友好的优点。当前,研制的飞轮储能系统单体能量为0.5~130 kW·h,功率为0.3~3000 kW。重点关注了飞轮用低成本高比强度新材料、高温超导磁悬浮技术。飞轮储能在电能质量调控、不间断过渡电源以及电网调频领域实现了商业化应用,在车辆混合动力领域的示范应用中实现节能20%~30%,处于产业应用的临界点。针对电网规模大功率、高能量储能需求,发展趋势是由数十千瓦时以下发展到百千瓦时,并通过阵列化组装成10~100 MW储能系统,放电时间可拓展到1 h。     

1130型柴油机组件的非线性接触分析

建立1130型柴油机机体、曲轴、飞轮、气缸盖等主要组件的有限元模型,施加合理的边界条件和栽荷后,通过非线性接触分析后得到在预紧工况和工作工况下各组件的应力分布、缸盖螺栓张力的变化、气缸垫片压力的变化、轴承孔接触力分布等信息.计算结果表明,该机体的整体应力水平不高,气缸垫片具有足够高的压力,满足燃烧室的密封要求.有限元计算为柴油机的整机结构改进、性能强化等提供了合理有效的解决方法.