机械弹性储能系统的储能运行控制技术分析
——评《新型机械弹性储能技术》

李 松

(1. 江苏省江阴中等专业学校,江苏 无锡 214433; 2. 江苏联合职业技术学院江阴中专办学点,江苏 无锡 214433)

为实现“双碳”目标和构建以新能源为主体的新型电力系统,需提高可再生能源的消纳能力,并保证能源供应的稳定性和可靠性。 可再生能源如风能、光能等不稳定的特点,给电网带来很大的不确定性,尤其在高温和寒冷季节。 储能技术能将多余的可再生能源储存起来,在电力供应不足时向电网供电,实现可再生能源的平稳消纳,还能提高电网的可靠性和稳定性,抵御天气等突发事件的影响,确保电力供应的安全稳定。 储能技术是推动新能源发展和构建新型电力系统的重要保障。 储能技术主要分为物理储能和化学储能两类,机械弹性储能(MEES)属于物理储能中的一种新型储能技术,可用于短时间内需要大功率储能的复杂环境,如抽油机能量回收、地铁再生制动能量回收以及低温环境下车辆的启动电源等场合。

为全面梳理MEES 的关键技术问题,为未来研究提供可借鉴的参考资料,余洋等人主编完成了《新型机械弹性储能技术》一书,共14 个章节。 第1 章为储能技术及发展现状;第2 章为MEES 关键技术、可行性及储能指标;第3 章为MEES 用涡簧非线性力学特性;第4 章为MEES 用涡簧储能过程的有限元数值分析;第5 章为MEES 用涡簧储能密度的计算及设计优化;第6 章为MEES 用联动式储能箱结构设计及其模块化安装调试技术;第7 章为永磁电机式MEES 系统的数学模型;第8 章和第9 章分别为永磁电机式MEES 系统储能运行与发电运行控制技术;第10 章为永磁电机式MEES系统振动抑制及振动与效率同时优化控制;第11 章为永磁电机式MEES 系统新型闭环I/f 控制及振动与转矩脉动同时优化控制;第12 章为永磁电机式MEES 系统逻辑保护与监控系统设计;第13 章为10 kW 永磁电机式MEES 系统技术集成及运行实验;第14 章为MEES 技术应用探析。

1 机械弹性储能(MEES)的优势与实现方式

机械储能方式具有储能容量大、效率高、成本低和无污染等优点,MEES 技术不仅具有机械储能技术的所有优点,还具有很强的可控性和灵活性,适用于多种环境和场所。MEES 的储能介质为大型平面涡卷弹簧(以下简称涡簧),能量存储形式为机械弹性势能。 平面涡卷弹簧具有优异的机械性能,作为MEES 的储能元件,具有可再生利用的特点,在储能元件失效后,还可以进行回收再利用,这与当前社会倡导的节能减排等重要政策方向相符。 同时,通过机械手段实现储能场地的规模化,可以进一步扩大储能量。

MEES 技术将电力储存到弹性储能元件中,并在需要时释放能量,因此MEES 技术包括储能和发电两个基本过程。 储能时,通过电动机拧紧涡簧,电能转化为弹性势能;发电时,涡簧释放弹性势能,转化为电能,向电网或负载供电。 MEES 系统可通过对多种机械元件的合理设计来实现高效的储能。

2 MEES 的关键技术

MEES 的关键技术包括:涡簧材料的弹性模量、密度、抗疲劳性能等;联动式储能箱的机械结构设计与优化;机组系统数学建模;永磁同步电机的储能运行和发电运行控制技术;变流器并网控制策略等。

弹性涡簧作为联动式储能箱的储能元件,其材料性能、整体结构和动力学特性等是影响储能效果的关键,因此,应给予充分的研究。 在此基础上,研究联动式储能箱的结构优化、制造和安装,建立其结构与关键性能参数之间的关联理论,关键性能参数包括储能密度、储能容量和动态特性等。此外,还需要建立机组各子系统的动态数学模型,构建MEES机组全仿真模型,实现机组的优化设计和性能分析。 在MEES 机组的运行过程中,需要针对机组的储能、并网和发电等不同运行状态,研究优化控制策略和方法,以确保机组在不同状态下的安全稳定和高效运行。 这些研究需要考虑到机组各个子系统之间的相互耦合关系,并结合实验研发、制造和运行生产过程进行综合应用和验证。

3 MEES 用联动式储能箱设计

储能箱是MEES 系统中的关键部件。 MEES 联动式储能箱由多个涡簧箱构成,涡簧箱由主轴、箱体轴承、筒状箱体和片状涡簧等组成。 主轴由机座、机座轴承支撑,筒状箱体由主轴、箱体轴承支撑。 相邻涡簧箱之间通过主轴或筒状箱体相连,当储能和释能时,各涡簧箱之间能够形成联动。

联动式储能箱的工作原理是将涡簧材料的弹性形变用于能量储存和释放。 在储能时,动力轴正向旋转,使第一个涡簧箱的涡簧被拧紧,该涡簧所在的箱体随之正向转动,带动其他涡簧箱箱体依次转动,所有涡簧被拧紧,实现能量储存。 在释能时,当第一个涡簧箱的涡簧被松开后,动力轴反向旋转,带动其他箱体依次随之反向转动,所有涡簧松开,实现能量释放,因此,涡簧箱的筒状箱体起到机械联动的作用,通过旋转带动涡簧完成储能和释能的过程。 涡簧箱的联动设计和施工质量的优良程度,直接决定了机组的储能效率和能量输出效率。 在不改变涡簧箱尺寸的情况下,这一特殊的联动式连接方式,增大了储能箱的储能容量,省去了齿轮等传动部件,降低了制造难度和成本,同时降低了运行噪音。涡簧箱内的涡簧由多组宽度受一定限制的片状涡簧构成,不仅易于加工和安装,也增强了片状涡簧的抗不均匀能力。

4 MEES 系统储能运行控制技术

储能系统需要不断进行储能和释能的转换,因此,需要实现对储能和释能过程的精确控制,以确保实现稳定的能量储存和释放。 储能元件的弹性势能高效且稳定地转化为电能,是储能机组的核心技术指标。 永磁同步电动机因运行效率高和高转矩电流体积比的优点被选作MEES 系统的执行机构。 永磁同步电机是能量转化的核心元件,技术要求为:①在储能过程中,应具备高效储能的能力;②在释能过程中,能够及时响应运行需求,输出电能;③在机组并网时,能够快速实现电机功率的无冲击并网,并保持电网和电机的稳定运行状态。 对永磁同步电机的优化设计,如电机转矩控制、电磁场分析、电机温度管理和储能与发电之间的切换控制策略等方面进行研究,可提高MEES 系统的能量转化效率。

在控制永磁同步电动机储能和释能的过程中,仍存在一些问题:一是由于MEES 系统的能量输入和输出都依赖永磁同步电动机的控制,因此,对其控制要求很高,需要采用先进的控制算法来实现高效能量的转换;二是MEES 系统需要简单而有效的控制策略,以充分利用其能量密度优势,这对于永磁同步电机的参数进行准确测量和识别至关重要。

基于此,为确保高质量发电,需要根据储能箱组的运行特性进行优化设计。 建立基于永磁同步电机设计的MEES机组的数学模型,并进行全面仿真模拟。 为满足储能运行的需求,提出针对永磁同步电机式MEES 机组的控制策略,电机侧变流器采用转速、电流双闭环控制,电网侧变流器则采用电压、电流双闭环控制。 仿真分析了在储能运行状态下,永磁同步电机的电机转速、定子电流d轴和q轴分量和电磁转矩的运行特性。 仿真结果表明,电机能够快速跟踪指定转速,并在三相定子电流上很好地实现解耦,同时也能够较好地实现恒定转速的控制。 综合考虑永磁同步电机的控制策略和储能运行特性,可以实现MEES 机组的高效储能和稳定发电。 这些研究成果,可为MEES 机组的设计和控制提供理论依据和技术支持。

关于MEES 系统中永磁同步电动机低速运行控制的具体问题,主要涉及负载惯量和扭矩同时变化情况下的控制方法。 首先,需要辨识出储能箱的转动惯量和转矩,再通过设计非线性反推控制器来实现永磁同步电动机低速运行控制。这种控制器可以根据永磁同步电动机的电流、速度和负载变化等信息,实时采取相应的控制措施,以确保永磁同步电动机在低速运行时能够稳定工作。 在控制器设计过程中,需要进行稳定性验证和分析,以便确保控制系统的稳定性和鲁棒性。 此外,还需要对控制参数进行优化,以提高系统响应速度。 最后,通过仿真测试,对所设计的控制系统进行验证和分析,评估控制系统的性能、稳定性和鲁棒性,确认控制系统设计的可行性。

反推控制器是建立在比例积分(PI)控制器基础上的,其工作原理是对永磁同步电动机的电动力和负载扭矩进行反推,再根据反推结果来控制永磁同步电动机的转速和电流。反推控制器的设计包括以下主要步骤。 首先,需要设计一个合适的反推算法来计算电动力和负载扭矩的值。 一种常用的方法是基于磁链观测器的反推算法。 基于这种算法,可以通过观察永磁同步电动机的磁链来计算电动力和负载扭矩的值,实现对永磁同步电动机的控制。 其次,需要对反推控制器的参数进行优化。 反推控制器的参数包括比例和积分系数等。 在参数优化中,需要通过实验或仿真等方式来确定反推控制器的最佳参数。 参数的优化可以使设备更好地适应负载惯量和扭矩同时变化的情况,提高永磁同步电动机的控制效果和稳定性。 最后,需要通过仿真实验来验证和分析反推直接转矩控制(DTC)系统的性能。 通过仿真实验,可以评估反推DTC 系统的控制效果和稳定性,在不同负载惯量和扭矩条件下,验证反推DTC 控制器的效果,为进一步应用和推广提供数据支持和技术保障。

5 结语

《新型机械弹性储能技术》一书系统地分析、总结了新型MEES 技术的基础理论、实现方案及技术应用。 该书将系统性、前沿性、理论性与工程实践紧密结合,融合了电机、材料及机械专业相关知识,方便读者深入浅出地理解新型MEES技术,实用性较强。 可供能源、电力、机械等专业师生参考,也为传播MEES 技术起到抛砖引玉的作用。

书名:新型机械弹性储能技术

作者:余洋 汤敬秋 段巍 米增强主编

ISBN:9787122397591

出版社:化学工业出版社

出版时间:2022-01

定价:¥128.00 元