飛輪儲能系統(tǒng)研究

精品文檔 1歡迎下載 電機與電器專題課報告 飛輪儲能系統(tǒng)研究飛輪儲能系統(tǒng)研究 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 20142014 年年 6 6 月月 精品文檔 2歡迎下載 飛輪儲能系統(tǒng)研究飛輪儲能系統(tǒng)研究 摘要 飛輪儲能系統(tǒng) FESS 又稱飛輪電池或機電電池 由于它與化學(xué)電池相比 所具有的巨大優(yōu)勢和未來市場的巨大潛力 引起了人們的密切關(guān)注 它結(jié)合了 當(dāng)今最新的磁懸浮技術(shù) 高速電機技術(shù) 電力電子技術(shù)和新材料技術(shù) 使得飛 輪儲存的能量有了質(zhì)的飛躍 再加上真空技術(shù)的應(yīng)用 使得各種損耗也非常小 本文針對該領(lǐng)域近年來的研究成果 對飛輪儲能系統(tǒng)的幾大關(guān)鍵部件全面的論 述 引言 飛輪電池是一種高科技機電一體化產(chǎn)品 它在國防工業(yè) 汽車工業(yè) 電力 工業(yè) 電信業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景 作為電池家族的成員 這種新型的 電池與化學(xué)電池相比具有以下幾方面突出的優(yōu)點 1 儲能密度高 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于 60000r min 的飛輪電池 在 75 放電深度 下產(chǎn)生大于 20Whr lb 的比能量 此值還不是最高的 而鎳氫電池只有 5 6Whr lb 的比能量 其放電深度一般限制在 30 40 的范圍內(nèi) 2 無過充電 過放電問題 化學(xué)電池一般不能深度放電 也不能過充電 否則其壽命會急劇下降 而飛輪電池在深度放電時 其性能完全不受影 響 而且在電力電子協(xié)助下 非常容易防止過充電 實際上是限制轉(zhuǎn)子 的最高轉(zhuǎn)速 飛輪電池的壽命主要取決于其電力電子的壽命 故一般 可達(dá)到 20 年左右 3 容易測量放電深度 充電時間較短 飛輪電池只要測出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 就 能確切知道其放電深度 而化學(xué)電池就沒有這么容易了 另外 飛輪電 池的充電一般在幾分鐘之內(nèi)即可完成 而化學(xué)電池則需要幾個小時 常 見的需要七八個小時 4 對溫度不敏感 化學(xué)電池在高溫或低溫時其性能會急劇下降 而飛輪電 池則不然 5 對環(huán)境友好 化學(xué)電池在報廢后會對環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響 而且回收成本 較高 飛輪電池是一種綠色電池 它不會對環(huán)境產(chǎn)生任何影響 故它在 電動汽車方面的應(yīng)用極具潛力 飛輪電池的發(fā)展開始于 20 世紀(jì) 70 年代 當(dāng)時正處于石油禁運和天然氣危 機時期 此時 美國能量研究發(fā)展署 ERDA 及其后的美國能源部 DoE 資助飛輪 精品文檔 3歡迎下載 系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā) 包括電動汽車的超級飛輪的研究 Lewis 研究中心 LeRC 在 ERDA 的協(xié)助和美國航空航天局 NASA 的資助下專門研究用于真空下的機械軸承 和用于復(fù)合車輛的飛輪系統(tǒng)的傳動系統(tǒng) NASA 同時也資助 Goddard 空間飛行中 心 GSFC 研究適用于飛行器動量飛輪的電磁軸承 80 年代 DoE 削減了飛輪儲 能研究的資助 但 NASA 繼續(xù)資助 GSFC 研究衛(wèi)星飛輪系統(tǒng)的電磁軸承 同時還 資助了 Langley 研究中心 LaRC 及 Marshall 空間飛行中心 MSFC 關(guān)于組合能量 儲存和姿態(tài)控制的動量飛輪構(gòu)形的研究 近 10 年來 一大批新型復(fù)合材料和新技術(shù)的誕生和發(fā)展 如高強度的碳素 纖維復(fù)合材料 抗拉強度高達(dá) 8 27GPa 磁懸浮技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù) 高速電 機 發(fā)電機技術(shù)以及電力電子技術(shù)等 使得飛輪能夠儲存大量的能量 給飛輪的 應(yīng)用帶來了新的活力 它可應(yīng)用于國防工業(yè) 如衛(wèi)星 電磁炮和電熱化學(xué)槍 作 戰(zhàn)偵察車輛等 汽車工業(yè) 電動汽車 電力行業(yè) 如電力質(zhì)量和電力負(fù)載調(diào)節(jié) 等 醫(yī)療和電信業(yè) 作 UPS 用 等 NASA 的應(yīng)用有航天器 宇宙飛船 發(fā)射裝 置 飛行器動力系統(tǒng) 不間斷電源 UPS 和宇宙漫步者 典型的飛輪電池一般由 5 個部分組成 高速儲能飛輪 集成驅(qū)動的電動 機 發(fā)電機 磁懸浮軸承及控制系統(tǒng) 電力電子 輔件和應(yīng)用接口 其結(jié) 構(gòu)參見圖 1 從應(yīng)用的角度看 飛輪電池的潛力尚未得到應(yīng)有的發(fā)掘 就發(fā)展 狀況而言 它本身也遠(yuǎn)未達(dá)到替代其他電池的水平 原因除造價昂貴及設(shè)計理 論尚未成熟外 還在于高速電機及磁軸承系統(tǒng)的控制方面仍有許多課題亟待研 究和解決 本文將近年來國內(nèi)外的研究熱點歸納為以下幾個方面 圖 1 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 從應(yīng)用的角度看 飛輪電池的潛力尚未得到應(yīng)有的發(fā)掘 就發(fā)展?fàn)顩r而言 它本身也遠(yuǎn)未達(dá)到替代其他電池的水平 原因除造價昂貴及設(shè)計理論尚未成熟 精品文檔 4歡迎下載 外 還在于高速電機及磁軸承系統(tǒng)的控制方面仍有許多課題亟待研究和解決 本文將近年來國內(nèi)外的研究熱點歸納為以下幾個方面 1 復(fù)合材料飛輪 選用高抗拉強度的飛輪材料是飛輪電池能夠儲存較多能量的先決條件 其 次才是飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 飛輪儲存的能量跟它的旋轉(zhuǎn)速度的平方成正比 和它 的轉(zhuǎn)動慣量成正比 飛輪的旋轉(zhuǎn)速度和它的結(jié)構(gòu)尺寸受到它的材料的強度 特 別是拉伸強度所制約 對于一個薄圓環(huán)形的旋轉(zhuǎn)飛輪 它所儲存的能量和材料 的容許拉伸應(yīng)力的關(guān)系為 1 222 11 22 h EmrIm 式中 為圓環(huán)的質(zhì)量 為其回轉(zhuǎn)半徑 為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量 為其角速度 mrI 為其材料的密度 為材料的容許拉伸應(yīng)力 為飛輪的動能 由此可見 h E 要想獲得最大的能量儲存 必須選用高比強度 的材料 所以 用碳素纖 h 維復(fù)合材料制造飛輪最具優(yōu)勢 為了達(dá)到較高的儲能密度 飛輪目前一般使用高強度的碳素纖維復(fù)合材料 當(dāng)采用 T1000 時 其拉伸強度高達(dá) 1 2 106psi 8 27GPa 對應(yīng)于該值的理論 比能量是 241 5Whr lb 532 41Whr kg 比功率是 766W kg 碳素纖維復(fù)合材料不能獨立成形 一般常用聚合物母基 如環(huán)氧樹脂 epoxy 作為填充物 碳素纖維復(fù)合材料飛輪的制造分兩步 首先碳素纖維在三 維編織機上編織成飛輪所需要的形狀 然后將預(yù)成型的織物放置在設(shè)計好的模 具內(nèi) 再將環(huán)氧樹脂和催化劑在一定的壓力和溫度下注入到模型腔內(nèi) 經(jīng)過一 定時間的固化 復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子就制造出來了 目前 研究者對異構(gòu)飛輪的 制造產(chǎn)生了濃厚的興趣 其相應(yīng)的制造技術(shù)有輻射網(wǎng)狀成形技術(shù) LENS 及斯坦 福大學(xué)和卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的形狀沉積制造 SDM 技術(shù)等 其中后者適 合于制造多環(huán)復(fù)合材料飛輪 飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要考慮的是飛輪電池的電機 磁軸承和一些輔件在其 內(nèi)的布置 其次是考慮最大化儲存能量 因此必須對飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化 同構(gòu) 飛輪的優(yōu)化相對較簡單 Kirk 和 Ries 1992 已經(jīng)得出了飛輪最優(yōu)的徑向厚度比 ID OD 0 45 而異構(gòu)飛輪的優(yōu)化則要復(fù)雜得多 異構(gòu)飛輪的建模結(jié)合了幾何 拓?fù)浜筒牧闲畔?給出了一種非常全面的物體描述 借助于這種模型 異構(gòu)飛 輪的圖形顯示 體積 質(zhì)量 和各種應(yīng)力計算能夠容易實現(xiàn) 對異構(gòu)飛輪的優(yōu) 精品文檔 5歡迎下載 化目前較成功的是采用遺傳算法和基于梯度算法的組合 2 集成驅(qū)動的電動機 發(fā)電機 飛輪電池中的電動機 發(fā)電機已經(jīng)集成為一個部件 當(dāng)它 充電 時充當(dāng)電 動機 從外部吸收電能 以使飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高 直至達(dá)到設(shè)計的轉(zhuǎn)速 而 放電 時充當(dāng)發(fā)電機 向外輸出電能 此時飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降 對于高速操作的飛輪電池 有三種極具潛力的電機技術(shù) 即感應(yīng)電機 開 關(guān)磁阻電機及永磁無刷直流 交流電機技術(shù) 8 而以永磁無刷直流 交流電機應(yīng) 用居多 尤其是對轉(zhuǎn)速在 30000r min 以上的飛輪電池更是如此 對于高速的永磁無刷電機轉(zhuǎn)子磁場 有兩種布置方式 其一是將稀土永久 硬磁材料 如 NdFeB 首先制成磁粉 然后在飛輪轉(zhuǎn)子成形過程中隨環(huán)氧樹脂加 入其中 因而消除了成塊磁性材料的集中載荷 確保了轉(zhuǎn)子內(nèi)無功率損耗 最后 在轉(zhuǎn)子空腔內(nèi)安放磁化工具 利用高脈沖磁場使轉(zhuǎn)子內(nèi)的硬磁材料磁化成所需 的型式 其二是采用著名的偶極子 Halbach 排列 如圖 2 所示 Trinity 飛輪動 力公司發(fā)展了 Halbach 排列的電機構(gòu)形 轉(zhuǎn)子能夠在位于真空邊界外面的定子 附近旋轉(zhuǎn) 三相 Litz 導(dǎo)線分多層纏繞在定子 作為非彈性體 上 定子軸線與轉(zhuǎn) 子相同 這樣循環(huán)冷卻液體完全位于真空外面 以利于真空的密封 圖 2Trinity 電動機 發(fā)電機截面圖 根據(jù) Halbach 排列的電動機 發(fā)電機 無需安裝任何軛鐵 因此也就不存在 端部負(fù)載或不平衡力矩作用在轉(zhuǎn)子或它的懸浮物上 而且轉(zhuǎn)子和定子的氣隙也 不需作為關(guān)鍵尺寸來控制 英國的 Urenco 有限責(zé)任公司和國際能量系統(tǒng)公司發(fā)展了第一種電機構(gòu)型 它們將電機轉(zhuǎn)子的永磁材料 釹鐵硼 NdFeB 先制成磁粉 而后在形成三維編織 復(fù)合材料飛輪時連同碳素纖維復(fù)合材料和環(huán)氧樹脂一起固化在飛輪內(nèi) 飛輪轉(zhuǎn)子 制成后 再在特制的沖磁機上將轉(zhuǎn)子沖磁成所需的型式 這種永磁電機具有更小 精品文檔 6歡迎下載 的結(jié)構(gòu)尺寸和更高的效率 更重要的是 由于磁性材料的不連續(xù)分布 電機轉(zhuǎn) 子沒有任何集中載荷 從而確保轉(zhuǎn)子內(nèi)無任何功率損耗 當(dāng)轉(zhuǎn)子的速度達(dá)到 42000r min 時 儲存的能量達(dá) 18MJ 與普通電機相比 這種電機的損耗是非常 小的 尤其當(dāng)采用高硅鋼疊片的定子時 磁損耗最小 渦流損耗也最小 再加 上定子繞組采用精制絞合導(dǎo)線 補償了集膚效應(yīng) 3 磁懸浮軸承 在飛輪電池中的磁懸浮軸承主要用來支承高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子 其作用與 普通的電磁軸承相同 但工作要求完全不同 對于普通的電磁軸承而言 它主要 承受外界作用于轉(zhuǎn)子上的徑向力和軸向力 通常這些力的變化范圍是非常大的 而飛輪電池中的磁懸浮軸承 它主要承受飛輪轉(zhuǎn)子自身的重量和制造不平衡而 引起的離心力 以及因固定飛輪電池的機架而引 起的陀螺效應(yīng)力 對于完全固定的應(yīng)用 則無此力 此外 飛輪電池轉(zhuǎn)子無 需精確定位 盡管飛輪電池磁懸浮軸承的控制遠(yuǎn)沒有普通的電磁軸承控制復(fù)雜 但其控制必須結(jié)合飛輪電池電機的控制 因而飛輪電池的總體控制復(fù)雜程度也 是較大的 磁懸浮軸承有兩種控制方式 即主動控制的磁懸浮軸承 AMB 和被動控制的 磁懸浮軸承 PMB 而由于磁懸浮軸承所固有的不穩(wěn)定性 被動控制的磁懸浮軸 承實際應(yīng)用很少 主動控制的軸承激勵器可以用單獨的電磁鐵 EM 或者電磁鐵和 永久磁鐵 PM 組合構(gòu)成 它們對應(yīng)的軸承分別稱為 EM 軸承和 EM PM 軸承 EM 激勵器在構(gòu)造上通常比 EM PM 激勵器更簡單 因而更容易設(shè)計成薄片狀的磁結(jié) 構(gòu) 從而渦流損耗被減小 然而 EM 軸承的氣隙磁動勢通常比 EM PM 軸承有更 大波動范圍 EM PM 軸承通常構(gòu)造更復(fù)雜 但比同等的 EM 軸承更少的安匝數(shù) 單位力 對勵磁線圈的電流更加敏感 一般與勵磁電流的關(guān)系更接近線性化 而且能做 成比 EM 軸承更緊湊的結(jié)構(gòu) 他們能在某些方向提供被動支承 而在其他方向提 供主動支承 如果定子鐵心做成薄片狀 其磁損耗和渦流損耗會更低 因為 EM PM 軸承能夠工作在零功率模式 此時的軸承負(fù)載由永久磁場承受 因此 他們能在非常低的能耗下工作 這是 EM 軸承所做不到的 先觀察兩種 EM 軸承的激勵器結(jié)構(gòu) 如圖 3 a 和 b 所示 圖 3 b 的布置由 于磁路沿軸線方向 定子鐵心容易做成薄片狀 因而比圖 3 a 的布置會有更小 的運動和磁損耗 而對于 EM PM 軸承 其激勵器的布置方案較多 見圖 4 所示 除了圖 4 f 外 其他 5 種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子都采用徑向主動控制和軸向被動支承 精品文檔 7歡迎下載 圖 3EN 軸承激勵器的布置 圖 4EN PM 軸承激勵器的布置 對于電磁軸承來說 磁路設(shè)計和分析是非常重要的 磁路的設(shè)計目標(biāo)是在 滿足負(fù)載要求的前提下 確保激勵器的動態(tài)和熱特性是合適的 磁路的分析方法 目前有兩種 第一種是磁阻或磁導(dǎo)回路法 第二種是電磁場方程法 如有限元法 第一種方法在設(shè)計階段是非常有效的 但它需要較多的實踐經(jīng)驗才能決定漏磁 和端部磁路 而電磁場方程法主要用來驗證磁路模型的正確性 電磁軸承系統(tǒng)由于無法準(zhǔn)確知道在軸承氣隙處磁通量所產(chǎn)生的強度和路徑 以及與鐵磁材料相關(guān)的非線性性 包括非線性的磁導(dǎo)率和磁現(xiàn)象 還有諸如功 率放大器的輸出電壓飽和轉(zhuǎn)子限定的位移等的物理約束 以及高速時的陀螺效 應(yīng)和轉(zhuǎn)子不平衡引起的同步擾動 及外部作用于及其殼體上的非同步擾動等因 素 使得它的控制十分具有挑戰(zhàn)性 電磁軸承控制的實現(xiàn)分模擬控制和數(shù)字控制 兩大類 其中最主要的控制方法有 PID 結(jié)合槽口濾波的 PID LQG Gain Scheduling 模糊控制 自適應(yīng)控制 迭代學(xué)習(xí)控制 TDC 時延控制 SMC 滑 模控制 綜合 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及近來出現(xiàn)的無傳感器控制等 這些控制 方法各有優(yōu)劣 可根據(jù)具體設(shè)計要求加以選用 精品文檔 8歡迎下載 4 電力電子 這里的 電力電子 是指用于調(diào)節(jié)電動機 發(fā)電機功率的子系統(tǒng) 該子系統(tǒng) 在吸收或釋放動力時都充當(dāng)可變電壓 可變頻率 VVVF 的電機 主要的電力電 子元件是功率開關(guān)器件 IGBTs 這種器件和功率二極管一起被封裝在一個模塊 功率塊 內(nèi) 二極管的兩級分別與 IGBT 的發(fā)射極和集電極相連 當(dāng)飛輪電動 機 發(fā)電機和電力電子變流器 變頻器 被封裝在一起作為直流電池時 典型的系 統(tǒng)電氣和控制構(gòu)形如圖 5 所示 圖 5 飛輪電動機 發(fā)電機及電力電子線路圖 這種飛輪電池的電機輸出特性近似于正弦曲線 電機的每一相都存在電阻 和自感 并分別與一個六脈沖橋式電路中的電力電子相連 IGBTs 被安裝在一 個冷卻板上 通過光耦合器與微控制器的連接而工作 它能工作在額定電壓高 至 2500V 時的情況 這些電力電子塊處理全范圍的飛輪輸入和輸出 包括放電 電流為 800A 的情況 飛輪電動機 發(fā)電機的各種工作要求都是通過電力電子的操作來完成的 從 靜止?fàn)顟B(tài)開始 電機在限流控制下啟動 初始激勵由一個外部的輔助電路來提 供 轉(zhuǎn)子的位置由 Hall 傳感器測量 而其位置反饋是通過位置合成算法或光學(xué) 譯碼器獲得的 在獲得一定的轉(zhuǎn)速后 控制系統(tǒng)引導(dǎo)電機在各種模式下工作 包括速度控制或者電壓控制 用于 UPS 時 工作模式是維持充電 用于車 輛時 工作模式是按照車輛的工況要么釋放能量 正常模式 要么回收能量 5 輔件及應(yīng)用接口 1 著陸軸承 著陸軸承的著陸表面在電磁軸承不能提供支承時支承轉(zhuǎn)子 著陸表面的材料有固態(tài)潤滑乙縮醛 固態(tài)潤滑尼龍 聚亞苯基硫化物 聚酰胺 酰亞胺和聚酰亞胺等 著陸軸承有兩種型式 即球軸承和滑動軸承 機械球軸承 精品文檔 9歡迎下載 作為著陸軸承時 由于使用了諸如紅寶石類的貴重材料 其造價較高 但壽命 短 故現(xiàn)在多采用滑動接觸的著陸表面 兩個非潤滑的固體表面 在設(shè)計這類著 陸表面時 要考慮諸如摩擦系數(shù) 熱膨脹系數(shù)和壓力 速度 PV 數(shù)等材料性質(zhì) 其中最重要的性質(zhì)是滿足 PV 數(shù) 2 容器及安全 由于飛輪電池的轉(zhuǎn)子速度極高 理想設(shè)計時在 100000r min 以上 安全問題就成了飛輪電池十分重要的研究課題 目前 國 外許多研究機構(gòu)對飛輪電池做過許多沖撞和爆炸試驗 積累了一些十分珍貴的 試驗數(shù)據(jù) 尤其值得重視的是飛輪容器的設(shè)計 因為它的結(jié)構(gòu)與飛輪電池的安 全密切相關(guān) 總結(jié)這些試驗可以得出一種較為理想的飛輪容器結(jié)構(gòu) 即在容器 的內(nèi)部靠近飛輪轉(zhuǎn)子的位置安裝一個可以自由旋轉(zhuǎn)的石墨增強的復(fù)合材料圓筒 襯套 當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生爆裂時 它能夠吸收和耗散瓦礫的徑向能量 通過摩 擦耗散掉瓦礫的旋轉(zhuǎn)