2021飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能技術(shù)目錄TOC\o"1-3"\h\u270221.1.儲能原理和發(fā)展歷程 4315941.1.1.?輪儲能原理 4309221.1.2.?輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 72531.1.3.發(fā)展歷程 9235171.1.3.1.?程化應?探索 9213771.1.3.2.?程實?產(chǎn)品的研制與推? 10275741.1.3.3.基于超導磁軸承技術(shù)的先進?輪儲能系統(tǒng)研究 1176551.2.關(guān)鍵技術(shù)概論 11282471.2.1.轉(zhuǎn)?材料與結(jié)構(gòu) 114291.2.1.1.儲能密度的理論分析 12196201.2.1.2.結(jié)構(gòu)和材料對儲能密度的影響 13256091.2.1.3.?輪軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計 16244341.2.1.4.設(shè)計實例 16269071.2.2.微損耗軸承技術(shù) 21221091.2.2.1.?溫超導磁懸浮軸承（SMB） 22138461.2.2.2.電磁懸浮軸承（AMB） 2335561.2.2.3.永磁懸浮軸承和機械軸承 2464581.2.2.4.國外?輪軸承技術(shù)研究進展 2561151.2.2.5.國內(nèi)儲能?輪軸承技術(shù)研究進展 26284381.2.2.6.結(jié)論 2641971.2.3.電機技術(shù) 2757441.2.3.1.電機類型 27272241.2.3.2.電機損耗分析 2842821.2.3.3.?速電機研究?向 29314141.2.4.?輪儲能電?電?技術(shù) 3069231.2.4.1.概述 30322841.2.4.2.控制器結(jié)構(gòu)與控制?法 31112441.2.4.3.控制器算法研究 31296661.2.4.4.500kW?輪儲能電機控制器設(shè)計舉例[60] 32257221.2.5.真空及系統(tǒng)集成技術(shù) 35172061.3.產(chǎn)業(yè)應?概況 35142511.3.1.研究開發(fā)機構(gòu)概述 354521.3.2.?產(chǎn)企業(yè) 36247651.4.技術(shù)經(jīng)濟分析與發(fā)展趨勢 36125331.4.1.技術(shù)指標 37189661.4.1.1.功率及功率密度 37117211.4.1.2.能量及能量密度 37205061.4.1.3.儲能系統(tǒng)效率 37125021.4.2.經(jīng)濟性估計 41265661.4.2.1.?輪電機軸系 42263601.4.2.2.電?控制器 42120501.4.2.3.輔助系統(tǒng) 42124571.5.?結(jié) 43儲能原理和發(fā)展歷程?輪儲能原理?輪儲能是利?改變物體的慣性需要做功這?原理來實現(xiàn)能量的輸?（儲能）或輸出（釋能）的。?輪是?個繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)的圓輪、圓盤或圓柱剛體。剛體繞定軸轉(zhuǎn)動時（圖12-1），剛體上各點都繞同?直線（轉(zhuǎn)軸）做圓周運動，?軸本?在空間的位置不變[1]。設(shè)剛體繞Oz軸以?速度ω轉(zhuǎn)動，把剛體看作n個質(zhì)元構(gòu)成的質(zhì)點系，每個質(zhì)元質(zhì)量為δmi，則剛體動能：（12-1）圖12-1 剛體繞定軸轉(zhuǎn)動定義剛體繞Oz軸轉(zhuǎn)動慣量（圖12-2）：（12-2）圖12-2 剛體的轉(zhuǎn)動慣量質(zhì)量連續(xù)分布的剛體：于是旋轉(zhuǎn)剛體動能為：

（12-3）（12-4）?輪加速過程中，?速度從ω1增加到ω2，?位移從θ1增加到θ2，外?矩M對?輪做功轉(zhuǎn)化為?輪的動能增量：（12-5）?輪減速過程中，?速度從ω2減少到ω1，?位移從θ2減少到θ1，?輪動能釋放，轉(zhuǎn)化為輸出?矩M對外做功。轉(zhuǎn)速為ω時，增速儲能或減速釋能的瞬時功率：（12-7）因此?輪軸系慣性特性和變速特性與外?矩的平衡關(guān)系式為：（12-8）?輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?輪儲能早在蒸汽機、內(nèi)燃機上?為使?，但僅作為運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的調(diào)節(jié)部件2。具有類似電池功能的?輪電機充放電系統(tǒng)（?輪電池）的研制始于20世紀50年代，?程師設(shè)想?超級?輪儲能并作為?輛的主要動?源。如圖12-3所?，現(xiàn)代?輪儲能系統(tǒng)的典型特征是借助功率電?技術(shù)控制下的電機既作電動機驅(qū)動?輪儲能，?能作發(fā)電機在?輪帶動下發(fā)電運?釋放能量[3。圖12-3 ?輪軸承電機?輪儲能系統(tǒng)由?輪、軸承、電機、控制器和輔助系統(tǒng)組成。?圖12-4。輔助系統(tǒng)通常包括真空安全容器、真空獲得及維持設(shè)備、?輪狀態(tài)檢測儀器儀表和機座等。圖12-4 ?輪儲能系統(tǒng)發(fā)展歷程?程化應?探索早在20世紀50年代，瑞?蘇黎世Oerlikon公司開發(fā)出?輪儲能巴?并投?實際運?多年，這種?引線電動?載客32??進800m后充電2min，?輪重1362kg，轉(zhuǎn)速3000r/min，?輪置于氫?中4。70年代，美國?分重視電動汽?的研發(fā)，啟動了多個?輪儲能電動?輛應?研發(fā)項?，80年代紛紛因技術(shù)?法突破?終?。英國?油公司1984研制的400W·h復合材料?輪儲能系統(tǒng)，?于?輛剎?動能再??輪轉(zhuǎn)速為16000r/min（385m/s）時功率可達到200kW，待機損耗2kW。持久實驗進?了18000次，1000h5。?1982年ETH-Zurich在瑞?國家能源基?資助下到1988年研制出1套60kV·A/500W·h的?輪UPS系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速為12000?24000r/min，復合材料?輪儲能密度為12W·h/kg[6]。以航天和?輛電源為應??標，美國勞倫斯國家實驗室研制了870W·h的?輪儲能實驗系統(tǒng)，質(zhì)量為58kg的??體剛?輪邊緣線速度可達到480m/s，試驗轉(zhuǎn)速20000?10000r/min，?輪釋放能能量650W·h，放電效率967。1989年?本?岡技術(shù)?學與國?仙臺?學院聯(lián)合研制了230W·h/5kW的?輪不間斷電源實驗裝置[8]，鋼質(zhì)?輪重30kg?轉(zhuǎn)速30000r/min，20000?30000r/min升速充電效率88.3%，30000?20000r/min降速放電效率88.5%。1991年，美國勞倫斯國家實驗室研制了1kW·h/200kW的?輪電池實驗裝置，電機采?“Halbach”磁路分布設(shè)計以獲得?功率，?輪轉(zhuǎn)?采?多環(huán)組合結(jié)構(gòu)，使?被動磁軸承9。?程實?產(chǎn)品的研制與推?經(jīng)過20年的技術(shù)積累，90年代后期，?輪儲能系統(tǒng)實?產(chǎn)品逐步成熟。1997年BeaconPower推出2kW·h的?輪儲能系統(tǒng)，?輪轉(zhuǎn)速30000r/min，采?永磁/電磁混合?承，永磁?刷電機效率?達9610?；阝櫷凰胤蛛x?體離?機技術(shù)，Urenco研制成功100kW脈沖電源（持續(xù)時間30s），?輪最?轉(zhuǎn)速42000r/min[11]。由于電?電壓跌落故障時間在3s以內(nèi)的占總故障的95%以上，對儲能電源要求是?功率、短時間放電，?輪儲能作為儲能單元?傳統(tǒng)的化學電池技術(shù)有優(yōu)越特別是廉價的低速?輪Piller公司開發(fā)了1650kW/10s低速?輪儲能UPS12。據(jù)美國Active電源公司?站數(shù)據(jù)，到2013年底該公司已為商家提供約3000套?輪儲能不間斷電源。Beacon公司和Piller公司?輪儲能?圖12-5。圖12-5 Beacon公司/Piller公司?輪儲能裝置基于超導磁軸承技術(shù)的先進?輪儲能系統(tǒng)研究?輪軸承損耗的降低是?輪儲能技術(shù)孜孜以求的?標，?溫超導磁體軸承是?個重要的解決途徑，超導軸承技術(shù)的突破將為?規(guī)模?輪儲能提供可能，?前美國、?本、韓國和德國都在開發(fā)。德國正開發(fā)5kW·h/250kW的?容量?功率?輪UPS，質(zhì)量為450kg的?輪由?溫超導磁體軸承完全懸浮[13]。?本NEDO?輪項?（2000?2004年）資助建?了10kW·h級超導磁軸承?輪系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)運?到11250r/min，儲能5kW·h14。波?公司研發(fā)團隊研制了?溫超導軸承懸浮的5kW·h/100kW?輪儲能系統(tǒng)，質(zhì)量為164kg的?輪在?溫超導磁軸承中運轉(zhuǎn)到15000r/min?？刂破骺蓪崿F(xiàn)三相的電、放電電?轉(zhuǎn)換15。關(guān)鍵技術(shù)概論轉(zhuǎn)?材料與結(jié)構(gòu)?輪轉(zhuǎn)?是儲能的載體，?輪儲能密度是衡量?輪儲能技術(shù)?平的最重要指標[16，17]。儲能密度，即單位質(zhì)量的儲能量，通常有?輪系統(tǒng)儲能密度Us和?輪轉(zhuǎn)?儲能密度Ur兩種定義。?輪系統(tǒng)儲能密度Us定義為?輪在最??作轉(zhuǎn)速時的儲能總量與整個?輪儲能系統(tǒng)總質(zhì)量的?值；?輪轉(zhuǎn)?儲能密度Ur則定義為?輪在最??作轉(zhuǎn)速時的儲能總量與?輪轉(zhuǎn)?質(zhì)量的?值。在?輪儲能技術(shù)的研究中，?輪轉(zhuǎn)?儲能密度Ur應?得更為?泛，這主要是因為Ur能夠直接表明?輪轉(zhuǎn)?結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化設(shè)計和旋轉(zhuǎn)強度試驗所達到的?平，通常將其簡稱為?輪儲能密度Ur。由于?輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜，系統(tǒng)質(zhì)量?于儲能元件?輪轉(zhuǎn)?，因此Us為Ur的1/2到1/5。儲能密度的理論分析對于單?材料制成的?輪，儲能密度Ur的理論極限值（?輪的實際轉(zhuǎn)速達到極限轉(zhuǎn)速時）為：（12-9）式中，ρ為?輪材料密度；Ks為?輪結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)；σmax為?輪轉(zhuǎn)?極限離?應?。令σmax=Km·σb，σb為?輪材料強度極限，Km為?輪材料許?系數(shù)，由式（12-9）得：（12-10）由上式可知，為了提?儲能密度理論極限值U0，需要選??強度、低密度的玻璃纖維、碳纖維等復合材料作為轉(zhuǎn)?材料。實驗或?程應?中的?輪儲能密度Ur（≤U0）對應的轉(zhuǎn)速為?輪旋轉(zhuǎn)強度試驗或?輪系統(tǒng)充放電時的最?的?破壞轉(zhuǎn)速，特定?輪制作完成后，?輪儲能密度的?低就取決于實際達到的轉(zhuǎn)速，Ur??可由?輪轉(zhuǎn)?的外緣線速度直觀反映[18]。對于圓環(huán)形狀的?輪，軸轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量為：（12-11）式中，r1、re分別為?輪的內(nèi)、外徑；h為?輪的?度；ρ為材料密度。相應的?輪儲能密度Ur為：（12-12）式中，α為內(nèi)外徑?（r1/re）；ω、ve分別為?輪轉(zhuǎn)?在試驗中達到的旋轉(zhuǎn)?速度和外緣線速度?？?，?輪儲能密度Ur與轉(zhuǎn)?外緣線速度ve的平?成正?，α主要受輪轂的極限應?和?輪體積的限制。結(jié)構(gòu)和材料對儲能密度的影響各向同性材料制作的圓環(huán)狀?輪，當以?速度ω旋轉(zhuǎn)時，?輪內(nèi)部的主要應?是環(huán)向離?應?，環(huán)向最?應?為：（12-13）式中，μ為材料的泊松?；α為?輪的內(nèi)外半徑?。因此圓環(huán)均勻材料?輪的結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)為19：（12-14）圓環(huán)?輪的Ks=0.3?0.5，薄壁圓環(huán)?輪（≈1）的Ks=0.5，中?有孔的圓盤?輪（≈0）的Ks≈0.3。?圓環(huán)狀?輪可進?結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化以降低應?，如近似等應?設(shè)計的圓盤?輪，其Ks可接近于1。?輪常?材料可達到的最?儲能密度?表12-1。表12-1 等應?圓盤?輪材料及儲能密度（Ks=1）纖維纏繞復合材料的各向異性使得式（12-13）、式（12-14）不再適?，需要考慮環(huán)向和徑向兩個?向的應?狀態(tài)和許?強度。纖維復合料?輪的徑向應?將隨?輪厚度的增加（減?）?增加（減?），纏繞纖維樹脂圓環(huán)結(jié)構(gòu)的徑向強度?般只有20?30MPa，徑向強度成為限制?輪極限轉(zhuǎn)速的重要因素。圓環(huán)狀復合材料?輪通常以?強度纖維環(huán)向纏繞為主，因??輪的環(huán)向模量Eθ和環(huán)向許?應?Fθ較?，?徑向模量Er和徑向許?應?Fr較低。?輪結(jié)構(gòu)應?狀態(tài)?圖12-6。圖12-6 ?輪結(jié)構(gòu)應?狀態(tài)復合材料?輪減?內(nèi)外半徑?α=r/R，即采?徑向厚壁圓環(huán)?輪，可改善轉(zhuǎn)?的環(huán)向應?分布，有其優(yōu)越性，但同時徑向應?增加，由于復合材料的徑向強度Fr遠?于環(huán)向強度Fθ，往往是徑向?先破壞。因單層復合材料環(huán)向纏繞的?輪，徑向厚度增?時，徑向強度成為主要問題，會引起纖維層開裂，導致?輪破壞。設(shè)環(huán)向強度允許的?輪形狀結(jié)構(gòu)系數(shù)為KSθ，徑向強度允許的?輪形狀結(jié)構(gòu)系數(shù)為KSr，?輪所能達到的極限儲能密度為[19]：（12-15）增加徑向纖維鋪層，直接提?徑向強度是解決問題的?種?法，另?種?法是采?多層復合材料轉(zhuǎn)?[20~23]，改變徑向應?分布。多層復合材料?輪由若?單層復合材料圓環(huán)組裝?成，各層徑向厚度不?，各之間采?過盈裝配或張?纏繞，在層間產(chǎn)?預壓?。多層?輪?速運松脫，?各層由于徑向厚度不?，內(nèi)部徑向應?仍在允許范圍以內(nèi)此多層轉(zhuǎn)?結(jié)構(gòu)可使?輪線速度和儲能密度得到提?。?輪與芯軸之間需要輪轂傳遞轉(zhuǎn)矩，為充分發(fā)揮材料性能，?般采?纖維復合材料輪緣與?屬輪轂的復合結(jié)構(gòu)。國內(nèi)?輪結(jié)構(gòu)設(shè)計研究側(cè)重于理論分析與計算，盡管可以設(shè)計出數(shù)百?·時/千克的?儲能密度?輪，但是?輪轉(zhuǎn)?在試驗中所能達到的儲能密度指標（＜60W·h/kg）遠遠低于國際先進?平。這???是因為?程實際中的復合材料制品是細觀?均質(zhì)的、不連續(xù)的。由于原材料、?藝過程等諸多因素的影響，復合材料中存在的裂紋、脫層、界?結(jié)合不良、纖維斷裂和空隙等，對轉(zhuǎn)?結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)?重要影響。另???則是由于旋轉(zhuǎn)試驗對?輪轉(zhuǎn)??承系統(tǒng)動?學穩(wěn)定性、軸承技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)以及真空技術(shù)的要求苛刻，這兩??的困難，使得試驗中所能達到的轉(zhuǎn)?外緣線速度往往低于理論設(shè)計值，也就不能達到儲能密度的優(yōu)選值，?對于儲能密度的理論極限值U0，則往往需要進?超速爆破試驗和疲勞試驗，?前國內(nèi)在此??的研究?作很少。?輪轉(zhuǎn)?儲能密度的校核?法：假定?輪的質(zhì)量m全部集中到轉(zhuǎn)?最外緣上，則?輪處于最??作轉(zhuǎn)速時，所儲存的動能為mv2/2，v為?輪外緣線速度。動能與質(zhì)量之?即儲能密度為v2/2，這是所有旋轉(zhuǎn)物體儲能密度的極限。因此，?程試驗中，只要給出?輪邊緣線速度v，按0.5v2就可計算出極限能量密度。?輪軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計在?輪材料及形狀確定后，可以確定轉(zhuǎn)速，儲能密度與?輪的轉(zhuǎn)速或外緣線速度的平?成正?，轉(zhuǎn)速提?必須考慮軸承技術(shù)?平、電機技術(shù)?平的約束，機械軸承?于10000r/min，否則要采?技術(shù)難度?的電軸承技術(shù)和超導磁軸承技術(shù)，驅(qū)動電機受永磁材料結(jié)構(gòu)和?頻損耗限制，?般?于60000r/min。之后依據(jù)儲能量、?動量、轉(zhuǎn)速初步確定設(shè)計轉(zhuǎn)?尺?，然后利?有限元計算軟件對轉(zhuǎn)?進?結(jié)構(gòu)應?、應變分析。對轉(zhuǎn)?形狀結(jié)構(gòu)進?優(yōu)化，以獲得更?的?輪結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)KS，優(yōu)化各材料的應?分布，提?材料的利?系數(shù)Km。為提??能量指標，設(shè)計中盡可能選擇?的內(nèi)外半徑?。對于采?復合材料輪緣、合?輪轂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)?，其強度最危險點與復合材料內(nèi)外半徑?α有著密切的聯(lián)系。內(nèi)外半徑?α?，則強度最危險點位于合?輪轂內(nèi)；隨著內(nèi)外半徑?α的逐漸減?，合?輪轂的尺?逐漸減?，應??平逐漸降低，但同時復合材料增厚，復合材料的徑向應??平逐漸升?；在?定的內(nèi)外半徑?下，復合材料輪緣和合?輪轂內(nèi)同時達到應?極值，即為內(nèi)外半徑?的最優(yōu)值。為提?總儲能量，需要增加?輪的?度，?輪的?度主要影響動?學特性，對于具有陀螺效應的轉(zhuǎn)?，?道轉(zhuǎn)動慣量Jd與極轉(zhuǎn)動慣量Jp的?值Jd/Jp，?般希望其＜0.7或者＞1.4。即?輪應當是扁平形狀或?軸形狀，要避免慣量?接近1的?形轉(zhuǎn)?[24]。設(shè)計實例為進?500W·h?輪儲能系統(tǒng)試驗研究，依據(jù)前述設(shè)計思路和?法，設(shè)計并制造了?種?速復合材料?輪[18]。?輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要要求是：儲能量500W·h，?輪外徑?于320mm。?輪設(shè)計過程是：①確定輪緣纖維材料為T700和?強2號玻璃纖維，輪轂采?7050鋁合?；②根據(jù)國內(nèi)永磁-流體動壓混合軸承的技術(shù)?平并考慮永磁電機技術(shù)難度，確定最?轉(zhuǎn)速約為40000r/min；③依據(jù)試驗臺保護及真空室尺?條件，確定?輪外徑為300mm，輪緣內(nèi)外半徑?為0.5；④?輪的?度適合總能量要求?確定為150mm左右；⑤對初步確定的?輪結(jié)構(gòu)進?有限元分析，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)、輪轂的細致結(jié)構(gòu)和預應??平。試驗?輪總體結(jié)構(gòu)試驗?輪外徑為300mm，?度140mm。輪緣采?外層碳纖維（厚度35mm）、內(nèi)層玻璃纖維（厚度35mm）樹脂增強復合材料，輪緣內(nèi)徑160mm。輪緣與芯軸通過薄壁環(huán)殼與圓板復合鋁合?輪轂連接。轉(zhuǎn)?剖??圖12-7，?輪重14.5kg，?輪極轉(zhuǎn)動慣量為0.181kg·m2，慣量?為0.63。圖12-7 復合結(jié)構(gòu)?輪轉(zhuǎn)?剖?圖強度計算分析將圖12-7轉(zhuǎn)?體、上下輪轂與中?軸建在同?個ANSYS模型中進?有限元計算，檢驗?速運?時各部件的應?狀況以及配合處的徑向位移情況，保證轉(zhuǎn)?應?在許可的范圍內(nèi)并且中?軸-上下輪轂-轉(zhuǎn)?體之間保持緊貼的狀態(tài)，不致松脫。計算采?平?軸對稱模型，單元類型為plane183單元。三種材料參數(shù)?表12-2。表12-2 材料參數(shù)由于?彈性材料模擬計算，所以?兩載荷步模擬加載。第?載荷步為0轉(zhuǎn)速，模擬?輪轉(zhuǎn)?過盈裝配（輪轂與內(nèi)層復合材料間半徑過盈量0.3mm）后的情況；第?載荷步施加42000r/min的轉(zhuǎn)速，模擬旋轉(zhuǎn)到該轉(zhuǎn)速下的情況。在第?載荷步結(jié)束后，上輪轂外側(cè)徑向位移為-0.29mm，轉(zhuǎn)?內(nèi)側(cè)徑向位移為0.01mm，輪轂軸向測點位置軸向位移為-0.04mm。在此基礎(chǔ)上進?第?個載荷步的計算，得到的輪轂徑向位移如圖12-8所?（為顯?清楚變形趨勢，變形顯?設(shè)成實際的4倍）。上輪轂與轉(zhuǎn)?內(nèi)層配合處接觸壓?仍有數(shù)兆帕（圖12-9），且有?定的接觸?積，表明輪轂與轉(zhuǎn)?未松脫。圖12-8 700r/s上輪轂徑向位移（單位：m）圖12-9 700r/s上輪轂與轉(zhuǎn)?接觸壓?（單位：Pa）中?軸的最?vonMises應?為44.4MPa，上、下輪轂最?vonMises應?為330MPa，未超過鋁合?材料的應?極限550MPa。復合材料為單向（環(huán)向）纏繞，旋轉(zhuǎn)時應?狀態(tài)為三向受拉，按最?應?準則對正交各向進?校核。700r/s時各?向的最?應?和應?極限如表12-3所?。表12-3 700r/s轉(zhuǎn)?復合材料最?分應?計算結(jié)果表明：復合材料纖維?向的強度?夠安全，整個轉(zhuǎn)?體的最?徑向應?在內(nèi)層玻璃纖維內(nèi)部，在700r/s強度安全，但裕度不?。玻璃纖維內(nèi)層軸向縮短0.287mm，中間配合層縮短0.243mm，碳纖維外層縮短0.210mm。從復合材料內(nèi)層到外層徑向膨脹量總體趨勢是減?的，最?徑向膨脹量是在玻璃纖維內(nèi)側(cè)。這也說明兩層復合材料之間在旋轉(zhuǎn)況下是互相壓緊的。理論計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)?較將試驗?輪安裝于?輪儲能試驗臺中，進?升、降速試驗9。經(jīng)過多次運?試驗，最后達到700r/s。徑向測點在輪轂外環(huán)的內(nèi)側(cè)，利?電渦流位移傳感器測量轉(zhuǎn)?內(nèi)側(cè)在升速過程中的位移變化，為消除?輪運?偏擺引起測量系統(tǒng)偏差，需要反向放置兩個電渦流位移傳感器。輪轂與內(nèi)層玻璃纖維層緊密配合，能反映出轉(zhuǎn)?內(nèi)側(cè)的真實位移。從圖12-10中看出，ANSYS計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合。圖12-10 徑向位移?較微損耗軸承技術(shù)軸承是?輪儲能的關(guān)鍵技術(shù)之?，這是決定?輪儲能系統(tǒng)效率和壽命的最主要因素。由于?輪的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量相對較?，轉(zhuǎn)速很?，其陀螺效應?分明顯，并存在通過臨界轉(zhuǎn)速問題，因此對?承軸承提出了較?的要求。傳統(tǒng)的滾動軸承、流體動壓軸承難以滿??速重載?摩擦損耗低的要求，?輪的先進?承?式主要有超導磁懸浮、永磁懸浮、電磁懸浮[25]。在速度不超過10000r/min時，采?低成本的永磁、電磁與滾動軸承混合?承?式也是?種可?的技術(shù)，在Piller公司和ActivePower公司都有采?磁浮減載滾動軸承混合?承的成熟?業(yè)產(chǎn)品。?溫超導磁懸浮軸承（SMB）SMB由永磁體與?溫超導體釔鋇銅氧（YBCO）組成。圖12-11是?本新能源和?業(yè)技術(shù)發(fā)展中?（NEDO）研制的儲能?輪系統(tǒng)中SMB結(jié)構(gòu)簡圖。當YBCO處于超導態(tài)時，具有抗磁性和磁通釘扎性。?溫超導懸浮軸承就是利?抗磁性提供靜態(tài)磁懸浮?，利?釘扎性提供穩(wěn)定?，從?實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮26。圖12-11 NEDOSMB結(jié)構(gòu)簡圖超導體在超導態(tài)有邁斯納效應（Meissnereffect），在磁場呈現(xiàn)完全抗磁性。當永磁體接近超導體時，超導體內(nèi)部產(chǎn)?感應電流。感應電流產(chǎn)?的磁場與外磁場?向相反，由此產(chǎn)?超導體和永磁體間的斥?，使超導體或永磁體穩(wěn)定在懸浮狀態(tài)27。超導體的磁化強度取決于超導材料的微觀晶體結(jié)構(gòu)。有明顯磁通釘扎性的YBCO超導體所產(chǎn)?的磁懸浮有黏滯?為，它???表現(xiàn)為剛度，另???也帶來阻尼。由于磁場的不均勻性，轉(zhuǎn)??轉(zhuǎn)時，定?和轉(zhuǎn)?之間的磁性相互作?會產(chǎn)?摩擦阻?。SMB的能量損耗主要包括磁滯損耗、渦流損耗和?損。由于?機械接觸，SMB的總能耗很?，當然，低溫液氮的獲取和維持需要消耗?定的能量。由于旋轉(zhuǎn)體為永磁材料，受結(jié)構(gòu)強度限制，轉(zhuǎn)速不能太?，?般不超過30000r/min。由于具有?穩(wěn)定性、能耗?、?承載?等優(yōu)點，SMB可以?作儲能?輪系統(tǒng)的?承，提?系統(tǒng)的穩(wěn)定性和儲能效率。電磁懸浮軸承（AMB）電磁懸浮軸承采?反饋控制技術(shù)[26]，根據(jù)轉(zhuǎn)?的位置調(diào)節(jié)電磁鐵的勵磁電流，以調(diào)節(jié)對轉(zhuǎn)?的電磁吸?，從?將轉(zhuǎn)?控制在合適的位置上。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖12-12所?。圖12-12 電磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖電磁軸承能在徑向和軸向?qū)χ鬏S進?定位，使?輪運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和安全性得到?定的提?，電磁軸承的突出優(yōu)點是可超?速運?，10000?60000r/min是電磁軸承通常的運?范圍。永磁懸浮軸承和機械軸承永磁懸浮軸承是利?磁場本?的特性將轉(zhuǎn)?懸浮起來，可以完全由徑向或軸向磁環(huán)組成（如圖12-13所?），也可以由永磁體和軟磁材料組成。永磁軸承可?作徑向軸承，也可?作抵消轉(zhuǎn)?重?的卸載軸承，都可以采?吸?型或斥?型。只?永磁軸承是不可能獲得穩(wěn)定平衡的，?少在?個坐標上是不穩(wěn)定的。因此，對于永磁軸承系統(tǒng)，?少要在?個?向上引?外?（如電磁?、機械?等）才能實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定28。永磁體要實現(xiàn)?速旋轉(zhuǎn)，必須減?徑向尺??降低卸載?，或者以導環(huán)代替永磁環(huán)。圖12-13 由磁環(huán)組成的永磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)圖機械軸承主要有滾動軸承、滑動軸承、陶瓷軸承和擠壓油膜阻尼軸承等，其中滾動軸承和滑動軸承常?作?輪系統(tǒng)的保護軸承，陶瓷軸承和擠壓油膜阻尼軸承在特定的?輪系統(tǒng)中獲得應?。以上四種?承?式各有優(yōu)缺點（如表12-4所?），因此在實際應?中常將?種?承?式組合使?。表12-4 四種軸承的特點國外?輪軸承技術(shù)研究進展?輪儲能系統(tǒng)的?承軸承需要考慮轉(zhuǎn)?-?承動?學、陀螺效應和功耗的影響，是各研究機構(gòu)的研究重點之?。美國宇航局Glenn研究中?研制的儲能?輪?作轉(zhuǎn)速達到了60000r/min，其?承系統(tǒng)包括：上端的組合磁軸承，提供軸向和徑向磁?；徑向磁軸承；?速滾珠軸承，作為保護軸承29。??蘭?學?期從事電磁懸浮儲能?輪開發(fā)，采?差動平衡磁軸承，已完成儲能20kW·h?輪研制，系統(tǒng)效率為8129。美國ActivePower、歐洲Urenco和德國Piller等公司?產(chǎn)的采??輪儲能技術(shù)的不間斷電源（UPS）已經(jīng)在世界范圍內(nèi)銷售，這些產(chǎn)品中?輪的?承系統(tǒng)采?的都是磁懸浮軸承和機械軸承組合技術(shù)。超導磁軸承在技術(shù)上尚未成熟，是現(xiàn)階段?輪儲能技術(shù)研究的熱點，德國、美國和?本在這??進?了?量研究，并取得了?定進展，如表12-5所?。應?超導技術(shù)的被動磁軸承和混合式磁軸承將成為?輪?承技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。表12-5 SMB在?輪儲能系統(tǒng)中的應?國內(nèi)儲能?輪軸承技術(shù)研究進展國內(nèi)的?輪儲能系統(tǒng)多采?永磁懸浮與機械軸承組合的?式，在超導磁懸浮技術(shù)??與發(fā)達國家存在較?差距，對于超導磁懸浮軸承在儲能?輪中的應?，主要進?的是理論分析和?案設(shè)計。華北電??學設(shè)計并制作的?輪儲能系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)?質(zhì)量334kg，轉(zhuǎn)動慣量10.43kg·m2，軸承采?的是永磁吸?軸承和油浮軸承組成的混合式軸承系統(tǒng)35。轉(zhuǎn)?可達到的最?轉(zhuǎn)速為6000r/min，對應的儲能量為2.05MJ。中國科學院電?研究所研制了?臺采?永磁軸承卸載，軸向位置確定，超導磁懸浮提供穩(wěn)定的?軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，徑向剛度?于3N/mm，徑向振動?于10μm。還提出了?式永磁有源超導混合磁?軸承研究?案26即采?PMB軸向卸載，?個SMB提供穩(wěn)定?個AMB提?徑向剛度及阻尼。清華?學儲能?輪實驗室設(shè)計制作的?套?輪儲能系統(tǒng)中，采?了三種?承?式，如表12-6所?。表12-6 清華?學?輪實驗室三種?承?式?較結(jié)論?前，機械軸承和永磁軸承技術(shù)被?泛地應?在?輪儲能系統(tǒng)中。采?電磁軸承的?輪儲能技術(shù)已?較成熟，并實現(xiàn)了產(chǎn)品化。超導磁承在技術(shù)上尚未成熟，是現(xiàn)階段?輪儲能技術(shù)研究的熱點，德國、美國、?本和韓國在這??進?了?量研究，應?超導技術(shù)的被動磁和混合式磁軸承將成為?輪?承技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。我國的?輪技術(shù)，尤其是在微損耗軸承技術(shù)??，與發(fā)達國家存在較?的差距。電機技術(shù)電機是?輪儲能系統(tǒng)的做功部件，實現(xiàn)電能與動能的變換，電機電動/發(fā)電雙向變速運?。當外界能量輸?系統(tǒng)時，電機轉(zhuǎn)速升?帶動?輪轉(zhuǎn)?轉(zhuǎn)速升?，將電能轉(zhuǎn)換成動能，當向外界輸送能量時，電機將?輪轉(zhuǎn)?減?的動能轉(zhuǎn)換成電能，?輪轉(zhuǎn)速降低38。電機類型?速?輪儲能?電機應具有以下基本性能要求：額定功率時具有很?的效率，空載時具有很低的損耗；具備電動/發(fā)電集成功能。感應電機、磁阻電機和永磁電機均能實現(xiàn)電動和發(fā)電。?輪儲能電機與常規(guī)電機的主要差別是?速、變速、變矩。感應電機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造?便等優(yōu)點，但是由于功率因數(shù)不?、效率較低以及調(diào)速性能較差，在?輪儲能系統(tǒng)中應?較少[39]。磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單，其突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)?不存在電磁損耗，待機狀態(tài)?損耗，較適合于內(nèi)燃機發(fā)電UPS系統(tǒng)的跨越電源。磁阻電機包括開關(guān)磁阻電機和同步磁阻電機兩種。開關(guān)磁阻電機存在噪聲?及轉(zhuǎn)矩脈動?等問題，在?輪儲能技術(shù)上的應?較少。同步磁阻電機能夠克服開關(guān)磁阻電機的缺陷，?且效率?、轉(zhuǎn)?損耗低?？蓱?于?輪儲能電能轉(zhuǎn)換的永磁電機包括永磁?刷直流電機和永磁同步電機[40?43]。永磁?刷直流電機結(jié)構(gòu)具有靈活多變的特點，按照磁場的?向不同可以分為徑向磁場結(jié)構(gòu)和軸向磁場結(jié)構(gòu)，按照轉(zhuǎn)?的位置不同可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)?和外轉(zhuǎn)?結(jié)構(gòu)，還包括?些特殊的電機結(jié)構(gòu)，如Halbach磁場轉(zhuǎn)?結(jié)構(gòu)、定??鐵芯結(jié)構(gòu)等。由于電機的轉(zhuǎn)速較?，轉(zhuǎn)?將承受很?的離??，轉(zhuǎn)?設(shè)計時應合理地選擇轉(zhuǎn)?的?徑?，使轉(zhuǎn)?既有?夠的強度和剛度，?有?夠的空間安放永磁體，輸出需要的轉(zhuǎn)矩和功率。燒結(jié)?成的永磁材料不能承受?速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)?的拉應?，保護永磁體的?法主要有三種[44，45]：?是采??強度的?導磁不銹鋼護套；?是采?碳纖維綁扎永磁體；三是采?窗式嵌?結(jié)構(gòu)（圖12-14）。圖12-14 永磁體嵌?“窗式”轉(zhuǎn)?結(jié)構(gòu)電機損耗分析永磁同步電機轉(zhuǎn)?與定?基波磁動勢同步旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)?渦流損耗較少。?速永磁同步電機諧波頻率較?，且由于定?開槽、定?磁勢空間和時間諧波的存在，會在轉(zhuǎn)?中產(chǎn)?渦流損耗。盡管與定?鐵芯損耗以及繞組銅耗相?，轉(zhuǎn)?渦流損耗較?，但是轉(zhuǎn)?散熱條件差，渦流損耗可能會引起轉(zhuǎn)?較?的溫升。且永磁材料性能與溫度有關(guān)，其是對于居?點較低、電導率較?、溫度系數(shù)較?的釹鐵硼材料，過的溫度會使釹鐵硼永磁電機性能下降，甚?引起磁鋼的退磁?損壞電機。國內(nèi)外學者提出了多種計算轉(zhuǎn)?渦流損耗的?法[46，47]，研究?法主要有兩種：?種為不計磁路飽和及?槽效應，如解析法；另?種為計及了磁路飽和及?槽效應的瞬態(tài)有限元法，但往往只計算總的磁鋼渦流損耗。在電機的溫升計算和散熱技術(shù)??，對于定?上的鐵芯損耗和繞組中的銅損，采?合適的冷卻措施（如油冷或?冷）就可以把定?的溫??降低。但是對于轉(zhuǎn)?上的渦流損耗，由于轉(zhuǎn)?的冷卻和散熱條件差，容易使轉(zhuǎn)?產(chǎn)?很?的溫升。?前針對?速電機轉(zhuǎn)?散熱的研究很少，?多數(shù)都集中在降低轉(zhuǎn)?渦流損耗和?阻損耗，控制熱源，來改善轉(zhuǎn)?散熱條件。?獻[48]通過選擇導熱性能更好的材料、增加材料的散熱?積和在電機軸上設(shè)置直徑為10mm的通孔來改善轉(zhuǎn)?散熱條件。對于在真空環(huán)境下?作的?輪儲能??速電機，由于沒有傳導介質(zhì)和空?的對流，轉(zhuǎn)?只能靠輻射散熱，散熱條件更差[49，50]。?速電機研究?向?速電機的研究?前正在成為國際電?領(lǐng)域的研究熱點。由于軍?和??對?速電機的需求，20世紀末以來發(fā)達國家競相開展對?速電機的研究，其中以美國發(fā)展最為迅速。美Calnetix公司開發(fā)的艦?2MW?速永磁發(fā)電機，轉(zhuǎn)速范圍為19000?22500r/min。?速電機轉(zhuǎn)?結(jié)構(gòu)與強度電機在?速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)?的離??很?，當線速度達到150m/s以上時，常規(guī)疊?轉(zhuǎn)?難以承受?速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)?的離??，需要采?特殊的?強度疊?或?qū)?轉(zhuǎn)?。?速感應電機的轉(zhuǎn)?損耗?，功率因數(shù)低，但其實?轉(zhuǎn)?能夠承受300m/s的表?速度，并能承受較?的溫度。?速永磁電機結(jié)構(gòu)有多種形式，即內(nèi)轉(zhuǎn)?周邊永磁體結(jié)構(gòu)、外轉(zhuǎn)?周邊永磁體結(jié)構(gòu)和內(nèi)轉(zhuǎn)?圓柱永磁體結(jié)構(gòu)。?速電機的定?結(jié)構(gòu)定?結(jié)構(gòu)對?速電機的性能有重要的影響。斯德歌爾莫皇家?學院研究?速永磁發(fā)電機的特性、參數(shù)、結(jié)構(gòu)，設(shè)計了?臺20kW樣機，該樣機采?了定??槽結(jié)構(gòu)，定?繞組采?環(huán)形繞組。在該結(jié)構(gòu)中，由于定?鐵芯沒有?槽，防?了因定?開槽在轉(zhuǎn)?表?引起的渦流損耗，這也是該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點所在。但是，在轉(zhuǎn)?永磁體和定?鐵芯之間，電樞繞組占了很?空間，這將使電機的?隙增?，導致電機輸出功率受到限制。?速電機的損耗和溫升計算?速電機的損耗計算和傳統(tǒng)電機的損耗計算有很?的不同。?速電機功率?，體積?，功率密度?，但同時?速電機單位體積內(nèi)的損?。雖然?前對各種普通電機的電磁性能和損耗研究?較多，但是對?速電機損耗的研究?較少。?速電機的定?損耗分為銅耗和鐵耗，定?銅耗計算?較簡單。要計算定?鐵耗，?先必須了解定?材料在頻下的損耗系數(shù)。?輪儲能電?電?技術(shù)?輪儲能電?電?裝置實現(xiàn)電機的升降速控制、?輪儲能系統(tǒng)與電?或負載之間的物理連接，實現(xiàn)電能的雙向流動。概述現(xiàn)代電?電?技術(shù)的發(fā)展使得變頻調(diào)速技術(shù)?益成熟，改變電源的頻率即可改變電機的運?速度，改變電流即可控制電機的轉(zhuǎn)矩。?輪儲能系統(tǒng)電機控制?法?般為：先通過整流器將三相交流電源整流成直流電源，再通過逆變器將直流電源逆變?yōu)殡妷汉皖l率可控的交流電源提供給電動機，然后由頻率的提?來達到提?電動機轉(zhuǎn)速的?的。因此基于功率電?模塊的?輪儲能電機控制系統(tǒng)的功能是：①調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩；②實現(xiàn)AC-DC-AC變頻和逆變，在電機-電源之間實現(xiàn)電能雙向流動[51]。?輪“電池”的“充電”和“放電”功能由PWM變流器來控制實現(xiàn)，PWM變流器能?作于整流和逆變兩種狀態(tài)，可以實現(xiàn)能量的雙向輸送。隨著電?電?技術(shù)的發(fā)展和新的功率器件IGBT和IGCT的應?，電?變換轉(zhuǎn)換效率和器件開關(guān)頻率更?，導通損耗更?。電?變換電路的實現(xiàn)?法主要有三種，即電壓型兩電平三相全橋逆變電路、三電平中點鉗位電路，以及基于矩陣變換器的電壓型交變頻拓撲[51]?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)與控制?法在?輪儲能系統(tǒng)中，電?變換電路的控制包括?輪電機的充放電控制器和?輪儲能應?于電?的功率調(diào)節(jié)器PCS。充放電控制器是指由逆變器驅(qū)動電機使其加速或者減速，功率調(diào)節(jié)器是將?輪轉(zhuǎn)?減速放電?成的制動能量轉(zhuǎn)換成滿?負載功率和電壓等級要求的能量。永磁同步電機可以采??量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制52。?量控制是基于磁場定向的控制策略，通過控制電機的電樞電流實現(xiàn)電磁?矩制，速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的存在，使電機電樞電流動態(tài)跟隨系統(tǒng)給定以滿?實際對象對電機電磁?矩的要求。電機的電磁?矩平穩(wěn)，可以?的轉(zhuǎn)速較低，調(diào)速范圍較寬。電機啟動、制動時，所有電流均?來產(chǎn)?電磁?矩。直接轉(zhuǎn)矩控制是由控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈??，?須精確掌握電機的各項參數(shù)，根據(jù)給定的電磁轉(zhuǎn)矩指令和實際轉(zhuǎn)矩觀測值?較得出轉(zhuǎn)矩誤差，確定轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)?向，然后根據(jù)定?磁鏈的??與相位?確定合適的定?電壓空間?量，從?確定兩電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使電磁轉(zhuǎn)矩快速跟蹤外部給定的轉(zhuǎn)矩指令值?；谵D(zhuǎn)矩?程，永磁同步電機有四種電流控制?式：①id=0的?量控制；②最?轉(zhuǎn)矩電流控制，即定?電流最?控制；③單位功率因數(shù)控制；④弱磁控制。?輪儲能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器PCS是將電機減速?成的變頻變壓的勢變換成適應于??使?的電能形式，?前的實現(xiàn)?式主要有兩種，?種是在永磁電機的?量控制的基礎(chǔ)上，將直流?線電壓和給定電壓的差值經(jīng)過電壓控制器?成電機的制動轉(zhuǎn)矩指令值，構(gòu)成電壓外環(huán)、速度內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。另?種是在?輪減速時把逆變器的可控開關(guān)管全部關(guān)斷，僅利?其續(xù)流?極管構(gòu)成不控整流橋，得到幅值持續(xù)降低的直流電壓，再經(jīng)過DC/DC升降壓控制把直流?線電壓穩(wěn)定在恒定值?？刂破魉惴ㄑ芯抗鶄メ槍?輪儲能系統(tǒng)（FESS）轉(zhuǎn)動慣量?、啟動時在零速附近容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速震蕩的問題，采?理論計算轉(zhuǎn)速替代模型參考?適應（MRAS）算法的觀測轉(zhuǎn)速，并?給定電流替代反饋電流對耦合項進?計算，減?電機轉(zhuǎn)速震蕩[53]。宋良全在分析了開關(guān)磁阻電機電動、發(fā)電運?原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合?輪的充放電過程控制，提出了?輪在加速儲能過程采?恒轉(zhuǎn)矩結(jié)合恒功率的控制?法，在減速發(fā)電過程采?閉環(huán)恒電壓輸出的控制?法[54]。杜?亮分析了永磁同步電機的弱磁控制原理，在負id補償弱磁控制策略中采?了復?量電流調(diào)節(jié)器，提?了?輪儲能系統(tǒng)控制器的動態(tài)性能和穩(wěn)定性[55]。荀尚峰基于電壓電流雙環(huán)PI控制算法基礎(chǔ)上，提出?輪儲能系統(tǒng)放電時雙環(huán)串級?線性控制算法。電壓外環(huán)采?魯棒性強的滑模變結(jié)構(gòu)控制，改善了?輪儲能系統(tǒng)放電時的動、靜態(tài)特性。在雙環(huán)之間添加環(huán)節(jié)，保證了?輪儲能系統(tǒng)的安全運?56。?宇淇等提出永磁?刷直流電機回饋制動新6拍脈寬調(diào)制?式，并將之應?于?速?輪儲能系統(tǒng)，改善了相電流波形，顯著減?了?刷直流電機在?速發(fā)電機狀態(tài)下的矩脈動57。朱俊星等研究了基于?輪儲能的DVR拓撲結(jié)構(gòu)及各?的充電策略，提出了兩種新型的拓撲結(jié)構(gòu)：并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并針聯(lián)結(jié)構(gòu)提出了?充電策略，對3種拓撲結(jié)構(gòu)進?了?較58。唐西勝等給出了?輪陣列儲能系統(tǒng)的設(shè)計?法、并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)與控制策略59。隨著?輪儲能單元并聯(lián)技術(shù)的逐漸成熟，?輪陣列儲能系統(tǒng)應?領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U展到電?系統(tǒng)調(diào)頻、間歇式可再?能源發(fā)電等領(lǐng)域，并將在提?電?對可再?能源的接納能?等??發(fā)揮重要作?。500kW?輪儲能電機控制器設(shè)計舉例[60]?輪儲能系統(tǒng)的充電控制采?轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制策略，其中電流控制采?基于id=0的?量控制策略，?輪儲能系統(tǒng)充電控制框圖如圖12-15所?。圖12-15 ?輪儲能系統(tǒng)充電控制框圖?輪充電時，先啟動?某?轉(zhuǎn)速，然后進??作轉(zhuǎn)速運?，設(shè)定最低?作轉(zhuǎn)速和最??作轉(zhuǎn)速。根據(jù)?輪儲能系統(tǒng)的充電?作特性要求（即功率和時間限制），參考智能復合控制策略，提出?種改進復合制的充電控制策略：啟動?輪電機；在電機轉(zhuǎn)速低于最低?作轉(zhuǎn)速時采?恒轉(zhuǎn)矩?式運?；在電機最低?作轉(zhuǎn)速?最??作轉(zhuǎn)速之間，恒功率?式運?；到達最??作轉(zhuǎn)速后，以?功率維持?輪運?。充電控制策略如圖12-16所?。圖12-16 改進復合控制的充電控制策略?輪儲能系統(tǒng)放電時，電機電流和直流側(cè)電流均反向，雙向能量變換器實現(xiàn)三相PWM整流。采?直流?線電壓和永磁電機電流雙閉環(huán)的控制?式，?直流電阻充當直流負載。?輪儲能系統(tǒng)放電控制框圖如圖12-17所?。圖12-17 ?輪儲能系統(tǒng)放電控制框圖真空及系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)真空與安全技術(shù)?標是：研究解決?真空、密封技術(shù)以降低?損；研究?輪破毀防護措施，確保安全。采取的技術(shù)路線：①采??質(zhì)量的結(jié)構(gòu)材料、輔助結(jié)構(gòu)材料和真空密封物質(zhì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮使?低蒸?壓環(huán)氧樹脂材料加強密封，以降低系統(tǒng)的漏率；②?真空腔體與普通真空腔體連接處采?特殊設(shè)計，根據(jù)?輪轉(zhuǎn)?的特點，增加特殊結(jié)構(gòu)的螺旋分?泵裝置；③普通真空腔體內(nèi)設(shè)置?性能的吸?材料，?于吸收少量滲?腔體的?體，在沒有外接真空獲得設(shè)備時，只要系統(tǒng)的漏率滿?設(shè)計要求，就可以較?時間維持普通真空腔體內(nèi)的真空度。整個系統(tǒng)的初始真空由外接真空獲得設(shè)備（渦輪分?泵+前級機械真空泵）獲得，系統(tǒng)真空條件達標后，斷開真空獲得設(shè)備，當真空壓?升?到?定值（?如10Pa）后，再次啟動真空獲得設(shè)備，降低?輪系統(tǒng)的真空室內(nèi)壓?③。實時檢測?輪轉(zhuǎn)速、振動、軸承溫度、密封室內(nèi)壓?、電機繞組溫度、電?控制器電壓、電?控制器電流信息，并?動分析判斷?輪系統(tǒng)的狀態(tài)，在參數(shù)異常時，及時采取必要的對策并發(fā)布給電?控制器、電???系統(tǒng)，這對系統(tǒng)安全運??關(guān)重要，這就需要?個智能器儀表系統(tǒng)。?輪儲能系統(tǒng)涉及?速機械、軸承、電機、電?電?、真空等技術(shù)，系統(tǒng)復雜程度較?，各分系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)，總體考慮分析充分才能得到?程應?所必需的?效率、?可靠特性。產(chǎn)業(yè)應?概況研究開發(fā)機構(gòu)概述世界范圍內(nèi)，從20世紀70年代開始，美國、歐洲和?本都有企業(yè)、?學開展?輪儲能技術(shù)研究開發(fā)。?如，美國NASA所屬Glenn研究中?致?于為航天?輪儲能技術(shù)開發(fā)，研究?作持續(xù)了10年。最近?五年，亞洲的韓國、中國出現(xiàn)了研究?輪儲能技術(shù)的熱點。國內(nèi)研究機構(gòu)包括中科院電?研究所、清華?學、華中科技?學、浙江?學、北京航空航天?學、哈爾濱?業(yè)?學以及中國電?科學研究院等多家單位。?產(chǎn)企業(yè)美國ActivePower成?于1992年（NASDAQ：ACPW），?產(chǎn)基于?輪儲能的UPS。其不間斷電源產(chǎn)品銷售到全球50個國家和地區(qū)。?輪UPS的容量范圍為300?1200kV·A，滿負荷?作時間14s，?輪單體可?動能3360kJ，儲能單元為磁阻電機轉(zhuǎn)?，轉(zhuǎn)速7700r/min。ActivePower公司產(chǎn)品及應??表12-7。表12-7 美國ActivePower公司產(chǎn)品及應?PillerGroup?產(chǎn)?容量旋轉(zhuǎn)UPS、混合UPS、內(nèi)燃機UPS、靜態(tài)UPS等電源產(chǎn)品。PowerbridgeFlywheel可以釋放的能量為2400kW×8s=19.2MJ（?輪轉(zhuǎn)速3600?1500r/min）。BeaconPower公司成?于1997年。在美國能源部的?持下，2011建了20MW?輪調(diào)頻電?公司在2012年被RocklandCapital收購。Beacon公司產(chǎn)品?輪單體100kW，放電900s，能量90MJ（25kW·h）。2014年?建成了第2座20MW?輪儲能調(diào)頻電站。技術(shù)經(jīng)濟分析與發(fā)展趨勢技術(shù)指標?輪儲能技術(shù)指標包括儲能容量、功率、循環(huán)效率、待機損耗、功率密度、能量密度等。功率及功率密度功率指標反應?輪儲能電源系統(tǒng)單位時間內(nèi)的做功能?，?業(yè)應?的單個?輪儲能電源功率范圍為100?1000kW，多個?輪并列運?可以輸出上兆?的功率。實驗室研究?輪儲能系統(tǒng)功率多數(shù)在?百?到??千?。能量及能量密度W·h，1W·h=3600J?業(yè)應?的單個?輪儲能量多數(shù)在1000?5000W·h。Beancon公司的單個復合材料?輪儲能25kW·h，是?前?業(yè)應?中最??輪。?業(yè)應?中的?輪轉(zhuǎn)?的儲能密度為5?20W·h/kg。實驗研究?輪儲能轉(zhuǎn)?密度可以達到50?100W·h/kg。?輪儲能系統(tǒng)因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，量較?，系統(tǒng)的儲能密度為?輪轉(zhuǎn)?儲能密度的1/2到1/5。因?輪儲能系統(tǒng)功率?，因此充放電時間?較短。多數(shù)?輪儲能系統(tǒng)額定放電時間為10?30s，最?的Beacon公司?輪可100kW放電900s。儲能系統(tǒng)效率為了測量整個?輪電機充放電效率，建?圖12-18所?的實驗系統(tǒng)，測量?法是：在設(shè)備電源輸?端安裝數(shù)顯三相電度表，直接測量輸?電能；輸出負載串聯(lián)電流表，并聯(lián)電壓表，再通過實時記錄的放電時間計算出放電量。圖12-18 ?輪儲能系統(tǒng)實驗系統(tǒng)確定充電循環(huán)?輪電機轉(zhuǎn)速由12000r/min升速到36000r/min，發(fā)電循環(huán)轉(zhuǎn)速由36000r/min降速到12000r/min，充放電之間?待機空載狀態(tài)。?輪電機放電深度：（12-16）式中，nt為?輪電機最??作轉(zhuǎn)速；nb為最低?作轉(zhuǎn)速。充電效率充電效率定義為充電結(jié)束后，?輪（轉(zhuǎn)動慣量為J）轉(zhuǎn)速（單位為：r/min）由nb升到nt，?輪所具有的動能Ed與電機控制系統(tǒng)輸?電能Ei之?，即（12-17）（12-18）放電效率發(fā)電降速時，發(fā)電機帶負載運?，電機回路有電流通過，鐵損、銅損同時存在，帶動負載要經(jīng)過電?變換器?存在轉(zhuǎn)換能量損耗，合稱電損耗。但是?前這些損耗還不能通過試驗?法直接測量，于是考慮?間接測量的?法。通過記錄負載的電壓U和電流I，得到負載功率P，開始放電時，便開始記錄時間。實驗過程中記錄負載的電壓U和電流I的同時需要記錄應的時間t0，t1，t2，t3，t4，…，將相鄰時間作差便得到各個功率對應的近似放電時間Δt1=t1-t0，Δt2=t2-t1，…，再將功率對時間積分，便得到負載有?功Wl：（12-19）放電效率定義為放電結(jié)束后，?輪轉(zhuǎn)速由nt降到nb，系統(tǒng)放出的電能（負載有?功）與?輪所具有的動能之?，即（12-20）充放電效率?輪電機充放電效率定義為放出能量（負載有?功）與系統(tǒng)輸?能量之?，