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          清华大学工程物理系、清华大学电机系的研究人员戴兴建、姜新建、王秋楠、汪勇、王善铭,在2017年第21期《电工技术学报?#39134;?#25776;文,为钻机混合动力传动系统研制了1套1MW/60 MJ飞轮储能系统,开展了轴系动平衡、充放电、损耗和效率测试实验研究。


          采用高强度合金钢变截面飞轮存储动能,飞轮电机轴系为立式支撑结构,重?#25512;?#35013;?#26469;?#29615;轴承承担了97%的轴系重量。?#26469;?#30005;机转子采用格柵结构硅钢内嵌磁钢,以实现较高速度安全运转。


          基于大容量功?#23454;?#23376;变换和电机控制技术,开发了100-300kW充电、500-1000 kW放电的控制电路硬件和软件,充电过程中采用了弱磁、转速和电流的双闭环控制策略,放电过程中采用电压闭环和电流前馈控制策略。动平衡后飞轮储能机组振动减少为0.07 mm以内。飞轮储能电源充放电循环效率达到86%-88%。


          飞轮储能的基本原理是电能与旋转体动能之间的转换: 在储能阶段,通过电动机拖动飞轮加速,将电能转换为机械能;在能量释放阶段,电动机作发电机运行,飞轮电机减速,将机械能转换为电能并输出。


          现代飞轮储能系统集成了先进复合材料转子技术、磁轴承技术、高速电机以及功?#23454;?#23376;技术而极大地提高了性能。在2000年前后,现代飞轮储能产品开始推广于不间?#31995;?#28304;供电、电能质量管理、电网调频。正在发展的飞轮储能应用有风力发电、太阳能发电。国内近年来在飞轮储能关键技术研究开发中取得了突破,正处于产业化应用拓展期。


          石油钻机是钻井施工的主要装备,其动力通常由柴油机组或天然气发动机组提供,动力机组的输出特性柔性不足,难以适应钻机负载的频繁大幅度波动,动力系统运行功率冗余容?#31185;?#22810;。


          在钻机动力系统中引进调峰电机和飞轮储能装置实现动力调峰运行;在低负荷时利用动力机组的冗余出力带动调峰电机发电,给飞轮储能系统充电;在尖峰负荷出?#36136;保?#39134;轮储能系统放电,驱动调峰电机做电动运行,快速向动力系统释放功率以平衡负荷。调峰运行的动力机组运行平稳,并可减少冗余容量,有利于节能减排。


          钻机混合动力传动系统提出的储能单元技术指标为:充电功率100-300kW,发电功率500-1000 kW,可用能量42 MJ,频繁充放电周期为3-5 min。调研表明尚无厂家可以提供成熟的产品,为此研制了1套1MW/60MJ飞轮储能系统,开展了轴系动平衡、充放电、损耗和效率测试实验研究。

        图1 飞轮电机轴系


          结论


          利用有限元强度分析方法,建模并优化设计变截面大型合金钢飞轮和内嵌磁钢?#26469;?#30005;机转子的格柵结构。经过优化设计拼装?#26469;?#36724;承的承载力达到50 kN,与飞轮电机轴系的重量相当。


          基于大容量功?#23454;?#23376;变换和电机矢量控制技术,研制了较小功率充电、大功率发电的控制电路硬件和软件,采用弱磁、电流前馈、电压闭环和速度闭环复合控制策略。本机动平衡后飞轮储能机组振动在高转速区减少到0. 02mm以内,实现了全转速?#27573;?#20869;平稳运行。


          机械损耗和电机铁损理论分析与实验结果一致,系统待机损耗18kW,为发电最大功?#23454;?%。飞轮储能系统充、放电循环效率为86%-88%。实验证明飞轮储能是一种大功率、高效?#23454;?#20648;能技术。




        2017年12月29日

        人工智能四大平台公布 中能工业智慧技术研究?#33322;?#31192;背后原因
        晶科电力祭出光伏电站智能?#23435;?#40657;科技”

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        1MW/60MJ飞轮储能系统设计与实验研究

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        来源:太阳能网  

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