飞轮储能热管理研究现状分析

飞轮储能可广泛应用于不间断电源、可再生能源并网、电力调峰调频、轨道交通和航空航天等领域。在真空环境下,电机及电磁轴承的散热问题关系到飞轮储能系统是否能够安全运行,是飞轮储能技术发展中亟待解决的关键科学技术问题,针对飞轮储能系统热管理的研究具有重要意义。飞轮储能系统发热主要由电机和电磁轴承引起,电机发热主要来自定子铁心铁损、绕组铜损及转子涡流损耗,电磁轴承发热主要由铁损和铜损构成。转子涡流损耗的分析是准确预测飞轮储能系统发热的基础。电机定子冷却手段主要有风冷、水冷、油冷、热管冷却以及相变冷却等,电机转子冷却手段主要有填充惰性气体增强对流换热、轴孔内油冷、扩展表面强化辐射换热等。目前高速飞轮储能系统采用的轴承主要有电磁轴承和高温超导磁悬浮轴承,传统电磁轴承的主要冷却方式是水冷,高温超导磁悬浮轴承的主要冷却方式是填充低压氦气。系统转子散热是飞轮储能系统热管理的难点,在转子散热技术方案设计中,需要考虑冷却流体挥发、密封和腐蚀问题,以及高黏度冷却流体随转子转动过程中的发热和动能损失问题。转子散热可行的解决方案主要有填充低温惰性气体以强化转子对流换热、电机低损耗设计以消除高频激波以及真空油冷等。     

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。     

飞轮用永磁悬浮轴承的磁路设计及磁力解析模型

飞轮储能以其突出优势广泛应用于电网调频领域,为进一步提升飞轮储能技术的能量密度和功率密度,飞轮储能转子趋向于重型化、高速化,其通常采用磁悬浮轴承进行轴向卸载,而大承载力、高安全性、低损耗能的永磁轴承设计是关键技术.目前研究的双环、多环和Halbach阵列的永磁轴承卸载结构,在长期高速旋转下存在着与转子固联的动磁环材料会...     

基于有限单元和模型降阶的储能飞轮转子动力学建模及分析

针对使用Jeffcott转子模型的集中质量法建立飞轮转子-轴承系统动力学模型时将转子段视为集中质量点,未考虑转子轮盘厚度的问题,提出一种基于有限单元法和模型降阶法的飞轮转子-轴承系统建模方法.以飞轮转子-电机转子-轴承系统为对象,基于此建模方法进行动特性计算,求解飞轮转子在不同轮盘厚度下的固有频率,并与Jeffcott...     

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。     

飞轮储能系统关键技术及其研究现状

飞轮储能作为一种物理储能方式以其在使用寿命、充电时间、充放电效率方面的突出特点得到了广泛关注。本文首先介绍了飞轮储能系统的结构组成、工作原理、工作模式,并对其各结构的功用进行了简要说明。重点对目前飞轮储能系统的飞轮转子技术、支承轴承技术、电动/发电机技术、电力电子装置技术、真空室技术等关键技术进行了全面分析,并对各部件的关键技术国内外研究现状逐一进行阐述。随着与飞轮储能相关的关键技术快速发展,作为一种新型储能方式,其应用领域将不断扩大。     

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。     

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。     

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。     

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.     

用于支撑HTR_10GT氦气轮机的磁力轴承设计研究

介绍了10 MW高温气冷堆氦气透平发电项目(HTR -10GT)磁力轴承的设计原理及技术特点,给出了磁力轴承的详细结构设计及关键设计参数.氯气轮机转子采用立式一体化布置的结构方式,由两个径向磁力轴承和一个轴向磁力轴承支撑.轴向磁力轴承的设计承载力为9.800 kN,气隙为0.7 mm.径向磁力轴承的设计承栽能力为1.9...     

基于动态负荷跟踪的水蓄冷空调系统节能研究

以中原经济区职业教育培训学校水蓄冷空调系统为研究对象,针对实际工程案例,采用配合蓄冷空调动态负荷的跟踪监测系统,相比传统空调系统日平均节约电费为12 704.60$,可转移非低谷电量41.28%。通过对系统负荷进行动态跟踪监测,分析了空调输出负荷与实际所用负荷匹配技术的相关性,以期合理调控空调区域负荷需求、适时提供制冷量,旨在实现系统节能降耗和减少实际开机容量,为类似空调系统的工程设计、运行及空调动态负荷监测的研究提供参考和借鉴。     

Application of superconducting magnetic energy storage unit toimprove the damping of synchronous generator

A systematic approach to the design of a controller for superconducting magnetic energy storage (SMES) units to improve the dynamic stability of a power system is presented. The scheme employs a proportional-integral (PI) controller to enhance the damping of the electromechanical mode oscillation of synchronous generators. The parameters of the PI controller are determined by the pole assignment method based on modal control theory. Eigenvalue analysis and nonlinear computer simulations show that SMES with the PI controller can greatly improve the damping of the system under various operating conditions. Although the PI controller is designed for a special load condition, it can also provide good damping under other load conditions     

Rotor design of a 1000 MW superconducting generator

A conceptual rotor design was developed for a 1000 MW superconducting generator having a high-initial-response excitation system. Field winding design, magnetic field analysis of the field winding, and loss calculations and force and stress analyses for the rotor body were carried out. The results are as follows: (1) the operating point of the field winding at the transient state is 72% of the short sample characteristics; (3) the stress in the rotor teeth at the steady state is 405 Pa; and (4) high initial response excitation can cause quenching of the field winding, so the shaft should have a higher resistivity. The maximum flux density at the field winding end region can be small due to optimum magnetometer force distribution     

Voltage and frequency control of self-excited slip-ring induction generators

By varying the effective rotor resistance of a self-excited slip-ring induction generator (SESRIG), the magnitude and frequency of the output voltage can be controlled over a wide speed range. A steady-state analysis based on a normalized equivalent circuit enables the control characteristics to be deduced. For a given stator load impedance, both the frequency and the voltage can be maintained constant as the speed is varied, without changing the excitation capacitance. When the stator load is variable, simultaneous voltage and frequency control requires the excitation capacitance to be changed as the rotor resistance is varied. Experiments performed on a 1.8-kW laboratory machine confirm the feasibility of the method of control. Practical implementation of a closed-loop control scheme for an SESRIG using chopper-controlled rotor resistance is also discussed. With a properly tuned proportional-plus-integral (PI) controller, satisfactory dynamic performance of the SESRIG is obtained. The proposed scheme may be used in a low-cost variable-speed wind energy system for providing good-quality electric power to remote regions.     

储能飞轮中的主动磁轴承技术CSCD

主动磁轴承作为一种先进的支承技术,在飞轮储能系统中得到了成功应用。本文首先介绍了国内外研究机构在飞轮系统中应用主动磁轴承的情况。之后,分别探讨了主动磁轴承应用于高速飞轮需要解决的各个关键技术问题,展望了它在高速飞轮系统中的应用前景。     

基于动态运行策略的太阳能分布式供能系统设计运行联合优化

提出将光伏剩余电量按照可变比例分配给储能电池及市政电网的动态运行策略,建立基于该策略的并网太阳能分布式供能系统设计运行联合优化模型,在不同分时电价下基于遗传算法对模型寻优,并将动态运行策略与对照运行策略（剩余电量优先并网或优先分配储能电池）下的系统运行结果进行比较分析。以陕西某乡村典型民居建筑为例进行分析,结果表明：1）分时电价的峰谷价差较大时,动态运行策略可有效降低太阳能分布式供能系统成本;2）分时电价的峰谷价差对于动态运行策略下储能电池的容量配置具有较大影响：峰谷价差越大,储能电池的配置容量越大;3）光伏度电补贴对3种运行策略下的系统成本影响程度为：动态运行策略>策略B（剩余电量优先分配储能电池）>策略A（剩余电量优先并网）。