飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)與工程應(yīng)用

第1章　飛輪儲(chǔ)能技術(shù)概論001
1.1　儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)述002
1.2　飛輪儲(chǔ)能原理與結(jié)構(gòu)004
1.2.1　儲(chǔ)能原理004
1.2.2　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)004
1.2.3　飛輪儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀005
1.3　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)008
1.3.1　飛輪008
1.3.2　軸承010
1.3.3　電機(jī)012
1.3.4　變流器013
1.3.5　輔助設(shè)備013
1.4　飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用014
1.4.1　高脈沖功率應(yīng)用014
1.4.2　動(dòng)態(tài)不間斷電源015
1.4.3　車(chē)輛動(dòng)能再生及利用015
1.4.4　起重機(jī)械釋能回收利用016
1.4.5　新能源發(fā)電017
1.5　本章小結(jié)019
參考文獻(xiàn)020

第2章　飛輪材料應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)032
2.1　概述033
2.2　合金材料飛輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化034
2.2.1　材料特性034
2.2.2　旋轉(zhuǎn)體彈性分析035
2.2.3　構(gòu)型優(yōu)化038
2.2.4　結(jié)構(gòu)有限元分析038
2.2.5　合金飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析039
2.3　復(fù)合材料飛輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化047
2.3.1　概述047
2.3.2　纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性047
2.3.3　構(gòu)型設(shè)計(jì)048
2.3.4　簡(jiǎn)化彈性分析051
2.3.5　有限元分析053
2.3.6　多層圓環(huán)工藝試驗(yàn)飛輪設(shè)計(jì)053
2.3.7　飛輪-芯軸連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化054
2.3.8　10kW·h級(jí)復(fù)合材料飛輪設(shè)計(jì)案例分析055
2.4　高速飛輪旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)研究063
2.4.1　高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)063
2.4.2　頻閃光學(xué)應(yīng)變片動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量新方法064
2.4.3　圓標(biāo)記法測(cè)量變形067
2.5　本章小結(jié)076
參考文獻(xiàn)076

第3章　飛輪電機(jī)設(shè)計(jì)與分析079
3.1　飛輪儲(chǔ)能電機(jī)分類(lèi)080
3.1.1　飛輪電機(jī)類(lèi)型080
3.1.2　飛輪電機(jī)數(shù)學(xué)模型082
3.1.3　飛輪儲(chǔ)能電機(jī)特性要求086
3.2　飛輪儲(chǔ)能永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)087
3.2.1　永磁同步電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)087
3.2.2　電機(jī)永磁材料090
3.2.3　永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析090
3.2.4　1MW永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析實(shí)例091
3.3　永磁同步電機(jī)參數(shù)測(cè)試方法093
3.3.1　定子電阻的測(cè)量093
3.3.2　直軸電感的測(cè)量093
3.3.3　交軸電感的測(cè)量094
3.3.4　反電勢(shì)系數(shù)的測(cè)量094
3.3.5　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量095
3.3.6　電機(jī)電磁參數(shù)實(shí)例095
參考文獻(xiàn)096

第4章　微損耗軸承系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)097
4.1　飛輪儲(chǔ)能裝置軸承技術(shù)概述098
4.2　軸承工程應(yīng)用099
4.2.1　機(jī)械軸承結(jié)合永磁軸承099
4.2.2　主動(dòng)磁軸承100
4.3　重型永磁軸承設(shè)計(jì)101
4.3.1　永磁軸承構(gòu)型101
4.3.2　永磁軸承設(shè)計(jì)103
4.3.3　50kN重載永磁軸承設(shè)計(jì)案例108
4.4　主動(dòng)磁軸承設(shè)計(jì)110
4.4.1　電磁軸承結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子設(shè)計(jì)113
4.4.4　軸向電磁軸承定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)117
4.4.7　永磁偏置徑向磁軸承線(xiàn)性模型參量119
4.5　主動(dòng)磁軸承控制器硬件單元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(zhí)行器帶寬127
4.5.4　磁軸承控制平臺(tái)129
4.6　單自由度電磁軸承系統(tǒng)建模131
4.7　剛性轉(zhuǎn)子多自由度電磁軸承系統(tǒng)建模133
4.8　磁軸承飛輪陀螺力學(xué)與控制原理135
4.9　PID控制器性能分析149
4.10　交叉反饋控制性能分析151
4.11　低功耗控制器設(shè)計(jì)154
4.12　轉(zhuǎn)子不平衡主動(dòng)控制162
4.13　轉(zhuǎn)子跌落保護(hù)及恢復(fù)165
4.14　磁軸承儲(chǔ)能飛輪實(shí)例166
參考文獻(xiàn)171

第5章　飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)173
5.1　轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論174
5.1.1　剛體模型理論174
5.1.2　傳遞矩陣?yán)碚摲椒?76
5.2　簡(jiǎn)化模態(tài)分析178
5.3　多自由度轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)分析181
5.3.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)181
5.3.2　振動(dòng)力學(xué)模型182
5.3.3　模態(tài)力學(xué)特性183
5.3.4　阻尼參數(shù)對(duì)模態(tài)阻尼比的影響185
5.3.5　不平衡響應(yīng)分析186
5.4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證189
5.5　轉(zhuǎn)子動(dòng)力不穩(wěn)定性和自激振動(dòng)192
5.5.1　非同步振動(dòng)192
5.5.2　渦動(dòng)192
5.6　本章小結(jié)195
參考文獻(xiàn)195

第6章　變流器控制技術(shù)研究196
6.1　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)197
6.1.1　兩電平變流器拓?fù)?98
6.1.2　三電平變流器拓?fù)?98
6.1.3　無(wú)源濾波器199
6.2　控制原理200
6.2.1　矢量控制200
6.2.2　直接轉(zhuǎn)矩控制202
6.3　脈沖寬度調(diào)制技術(shù)203
6.3.1　正弦脈寬調(diào)制技術(shù)203
6.3.2　空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)204
6.4　充放電控制策略205
6.4.1　電機(jī)側(cè)充放電控制策略206
6.4.2　電網(wǎng)側(cè)充放電控制策略208
6.5　無(wú)速度傳感器控制算法210
6.5.1　基于反電勢(shì)的無(wú)速度傳感器控制算法211
6.5.2　基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的無(wú)速度傳感器控制算法212
6.6　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電仿真模型及其仿真結(jié)果214
6.6.1　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電仿真模型214
6.6.2　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電仿真結(jié)果214
參考文獻(xiàn)218

第7章　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總體特性分析220
7.1　總體性能參數(shù)221
7.1.1　儲(chǔ)能容量與儲(chǔ)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(shù)222
7.2　合金鋼飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總體特性222
7.3　復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總體特性223
7.4　飛輪摩擦損耗224
7.4.1　轉(zhuǎn)子外壁摩擦功耗的分析224
7.4.2　轉(zhuǎn)子端面摩擦功率的計(jì)算227
7.4.3　分析與討論228
7.4.4　實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算的比較230
7.5　軸承的損耗233
7.5.1　滾動(dòng)軸承損耗233
7.5.2　流體動(dòng)壓軸承的損耗234
7.5.3　磁軸承損耗238
7.6　電機(jī)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(zhuǎn)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(tǒng)的損耗244
7.8.1　真空設(shè)備244
7.8.2　散熱設(shè)備245
7.8.3　監(jiān)控儀表245
7.9　充放電效率測(cè)量245
7.9.1　實(shí)驗(yàn)飛輪電機(jī)系統(tǒng)245
7.9.2　電能測(cè)量246
7.9.3　充電、放電效率分析247
7.9.4　飛輪系統(tǒng)效率測(cè)量247
7.9.5　飛輪充放電效率分析249
7.9.6　測(cè)試結(jié)論250
參考文獻(xiàn)250

第8章　飛輪儲(chǔ)能UPS設(shè)計(jì)與應(yīng)用251
8.1　飛輪儲(chǔ)能UPS的數(shù)學(xué)模型252
8.1.1　飛輪儲(chǔ)能UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)252
8.1.2　飛輪儲(chǔ)能UPS的數(shù)學(xué)模型253
8.2　飛輪儲(chǔ)能UPS的控制策略255
8.2.1　網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略255
8.2.2　機(jī)側(cè)變流器控制策略258
8.3　飛輪儲(chǔ)能UPS的仿真研究261
8.3.1　充電過(guò)程仿真分析261
8.3.2　放電過(guò)程仿真分析262
8.4　飛輪儲(chǔ)能UPS的實(shí)驗(yàn)分析267
8.4.1　充放電實(shí)驗(yàn)268
8.4.2　電網(wǎng)頻繁故障及恢復(fù)實(shí)驗(yàn)270
參考文獻(xiàn)273

第9章　石油鉆機(jī)中的飛輪儲(chǔ)能研究及應(yīng)用274
9.1　基于飛輪儲(chǔ)能的石油鉆機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)275
9.1.1　石油鉆機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)275
9.1.2　含儲(chǔ)能的混合動(dòng)力運(yùn)行模式278
9.2　大容量飛輪儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)284
9.2.1　飛輪儲(chǔ)能裝置總體設(shè)計(jì)284
9.2.2　機(jī)械設(shè)計(jì)285
9.2.3　電機(jī)設(shè)計(jì)288
9.2.4　充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)293
9.3　飛輪轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)296
9.3.1　軸系結(jié)構(gòu)296
9.3.2　軸系動(dòng)力學(xué)分析296
9.3.3　軸系和殼體的模態(tài)分析301
9.3.4　試驗(yàn)研究303
9.3.5　結(jié)論304
9.4　飛輪儲(chǔ)能裝置充放電試驗(yàn)304
9.4.1　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)304
9.4.2　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析305
9.4.3　小結(jié)310
9.5　大容量飛輪儲(chǔ)能工程樣機(jī)性能測(cè)試311
9.5.1　零部件制造總裝和調(diào)試311
9.5.2　飛輪電機(jī)軸系裝配及動(dòng)平衡311
9.5.3　電動(dòng)/發(fā)電控制312
9.5.4　損耗測(cè)試312
9.5.5　模擬鉆井考核運(yùn)行314
9.6　衛(wèi)453井施工示范工程314
9.6.1　頻繁充放電運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性315
9.6.2　直流母線(xiàn)電壓特性改進(jìn)315
9.6.3　充電優(yōu)化控制316
9.6.4　混合動(dòng)力鉆井施工節(jié)能效益分析317
9.6.5　小結(jié)323
參考文獻(xiàn)323

第10章　飛輪儲(chǔ)能陣列在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用研究325
10.1　背景326
10.2　微電網(wǎng)模型與控制327
10.2.1　微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)327
10.2.2　微電網(wǎng)控制方式328
10.3　風(fēng)力發(fā)電模型及其控制策略330
10.3.1　雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型330
10.3.2　雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略331
10.3.3　風(fēng)力發(fā)電仿真模型332
10.3.4　風(fēng)力發(fā)電仿真波形334
10.4　直流側(cè)并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能陣列及其協(xié)調(diào)控制策略335
10.4.1　直流側(cè)并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能陣列拓?fù)?35
10.4.2　直流并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能陣列協(xié)調(diào)控制策略336
10.4.3　直流側(cè)并聯(lián)飛輪陣列協(xié)調(diào)控制仿真339
10.5　微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下交流側(cè)并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能陣列協(xié)調(diào)控制341
10.5.1　傳統(tǒng)的下垂控制策略341
10.5.2　引入線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)系數(shù)下垂控制策略341
10.5.3　改進(jìn)系數(shù)下垂控制下飛輪儲(chǔ)能陣列仿真342
10.5.4　引入虛擬電抗的改進(jìn)系數(shù)下垂控制策略344
10.5.5　引入虛擬阻抗的改進(jìn)系數(shù)下垂控制仿真346
10.5.6　微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下交流側(cè)并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能陣列仿真349
10.6　微電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)下交流側(cè)并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能陣列協(xié)調(diào)控制350
10.6.1　微電網(wǎng)控制架構(gòu)350
10.6.2　可調(diào)度的飛輪儲(chǔ)能陣列協(xié)調(diào)控制351
10.6.3　并網(wǎng)狀態(tài)下飛輪儲(chǔ)能陣列可調(diào)度協(xié)調(diào)控制仿真353
參考文獻(xiàn)354