导语

  

内容提要

  

    飞轮储能是快响应、高频次、高效率、大规模、长寿命和环境特性友好的物理储能技术，是我国电储能技术重要方向之一，适合应用于电能质量、过渡电源、电网调频、车辆能量再生、电网大功率支撑以及风电功率平滑等领域。
    本书第1～6章分别论述了飞轮储能概况，飞轮储能系统三个关键部件飞轮、电机、轴承，轴系动力学以及实现充放电控制的变流器等分项技术。第7章分析了确定储能量、功率、效率、损耗的各种因素。第8～10章从应用角度出发，首先分析了飞轮储能UPS系统的拓扑结构、数学模型、控制算法、仿真和试验系统测试结果，然后给出了MW级飞轮储能工程样机在石油钻机混合动力的示范应用案例，最后就飞轮储能阵列在风力发电中的应用进行了仿真研究。本书可为储能技术研究人员，飞轮储能开发企业技术人员、相关教学研究机构研发人员、研究生，相关机械、电气学科提供详实丰富的资料和基础技术。

第1章  飞轮储能技术概论
  1.1  储能技术简述
  1.2  飞轮储能原理与结构
    1.2.1  储能原理
    1.2.2  飞轮储能系统结构
    1.2.3  飞轮储能技术现状
  1.3  飞轮储能系统关键技术
    1.3.1  飞轮
    1.3.2  轴承
    1.3.3  电机
    1.3.4  变流器
    1.3.5  辅助设备
  1.4  飞轮储能应用
    1.4.1  高脉冲功率应用
    1.4.2  动态不间断电源
    1.4.3  车辆动能再生及利用
    1.4.4  起重机械释能回收利用
    1.4.5  新能源发电
  1.5  本章小结
  参考文献
第2章  飞轮材料应用结构设计及试验
  2.1  概述
  2.2  合金材料飞轮结构优化
    2.2.1  材料特性
    2.2.2  旋转体弹性分析
    2.2.3  构型优化
    2.2.4  结构有限元分析
    2.2.5  合金飞轮结构设计案例分析
  2.3  复合材料飞轮结构优化
    2.3.1  概述
    2.3.2  纤维增强复合材料特性
    2.3.3  构型设计
    2.3.4  简化弹性分析
    2.3.5  有限元分析
    2.3.6  多层圆环工艺试验飞轮设计
    2.3.7  飞轮-芯轴连接结构优化
    2.3.8  10kW·h级复合材料飞轮设计案例分析
  2.4  高速飞轮旋转强度试验研究
    2.4.1  高速旋转驱动技术
    2.4.2  频闪光学应变片动态应变测量新方法
    2.4.3  圆标记法测量变形
  2.5  本章小结
  参考文献
第3章  飞轮电机设计与分析
  3.1  飞轮储能电机分类
    3.1.1  飞轮电机类型
    3.1.2  飞轮电机数学模型
    3.1.3  飞轮储能电机特性要求
  3.2  飞轮储能永磁同步电机设计
    3.2.1  永磁同步电机电磁方案设计
    3.2.2  电机永磁材料
    3.2.3  永磁电机转子结构强度分析
    3.2.4  1MW永磁电机转子强度分析实例
  3.3  永磁同步电机参数测试方法
    3.3.1  定子电阻的测量
    3.3.2  直轴电感的测量
    3.3.3  交轴电感的测量
    3.3.4  反电势系数的测量
    3.3.5  转动惯量的测量
    3.3.6  电机电磁参数实例
  参考文献
第4章  微损耗轴承系统研究设计
  4.1  飞轮储能装置轴承技术概述
  4.2  轴承工程应用
    4.2.1  机械轴承结合永磁轴承
    4.2.2  主动磁轴承
  4.3  重型永磁轴承设计
    4.3.1  永磁轴承构型
    4.3.2  永磁轴承设计
    4.3.3  50kN重载永磁轴承设计案例
  4.4  主动磁轴承设计
    4.4.1  电磁轴承结构
    4.4.2  电磁轴承磁铁及电磁力模型
    4.4.3  径向电磁轴承定转子设计
    4.4.4  轴向电磁轴承定转子设计
    4.4.5  永磁偏置径向磁轴承工作原理
    4.4.6  永磁偏置径向磁轴承设计
    4.4.7  永磁偏置径向磁轴承线性模型参量
  4.5  主动磁轴承控制器硬件单元
    4.5.1  磁轴承位移传感器
    4.5.2  磁轴承电流功率放大器
    4.5.3  磁轴承执行器带宽
    4.5.4  磁轴承控制平台
  4.6  单自由度电磁轴承系统建模
  4.7  刚性转子多自由度电磁轴承系统建模
  4.8  磁轴承飞轮陀螺力学与控制原理
  4.9  PID控制器性能分析
  4.10  交叉反馈控制性能分析
  4.11  低功耗控制器设计
  4.12  转子不平衡主动控制
  4.13  转子跌落保护及恢复
  4.14  磁轴承储能飞轮实例
  参考文献
第5章  飞轮电机转子轴承系统动力学
  5.1  转子动力学理论
    5.1.1  刚体模型理论
    5.1.2  传递矩阵理论方法
  5.2  简化模态分析
  5.3  多自由度转子轴承系统分析
    5.3.1  系统设计
    5.3.2  振动力学模型
    5.3.3  模态力学特性
    5.3.4  阻尼参数对模态阻尼比的影响
    5.3.5  不平衡响应分析
  5.4  实验验证
  5.5  转子动力不稳定性和自激振动
    5.5.1  非同步振动
    5.5.2  涡动
  5.6  本章小结
  参考文献
第6章  变流器控制技术研究
  6.1  拓扑结构
    6.1.1  两电平变流器拓扑
    6.1.2  三电平变流器拓扑
    6.1.3  无源滤波器
  6.2  控制原理
    6.2.1  矢量控制
    6.2.2  直接转矩控制
  6.3  脉冲宽度调制技术
    6.3.1  正弦脉宽调制技术
    6.3.2  空间矢量脉宽调制技术
  6.4  充放电控制策略
    6.4.1  电机侧充放电控制策略
    6.4.2  电网侧充放电控制策略
  6.5  无速度传感器控制算法
    6.5.1  基于反电势的无速度传感器控制算法
    6.5.2  基于模型参考自适应系统的无速度传感器控制算法
  6.6  飞轮储能系统充放电仿真模型及其仿真结果
    6.6.1  飞轮储能系统充放电仿真模型
    6.6.2  飞轮储能系统充放电仿真结果
  参考文献
第7章  飞轮储能系统总体特性分析
  7.1  总体性能参数
    7.1.1  储能容量与储能密度
    7.1.2  功率及功率密度
    7.1.3  效率
    7.1.4  其他参数
  7.2  合金钢飞轮储能系统总体特性
  7.3  复合材料飞轮储能系统总体特性
  7.4  飞轮摩擦损耗
    7.4.1  转子外壁摩擦功耗的分析
    7.4.2  转子端面摩擦功率的计算
    7.4.3  分析与讨论
    7.4.4  实测结果与理论计算的比较
  7.5  轴承的损耗
    7.5.1  滚动轴承损耗
    7.5.2  流体动压轴承的损耗
    7.5.3  磁轴承损耗
  7.6  电机的损耗
    7.6.1  定子铁损耗
    7.6.2  定子铜损耗
    7.6.3  转子涡流损耗
  7.7  变流器的损耗
    7.7.1  功率器件损耗
    7.7.2  电路铜损耗
    7.7.3  控制电路损耗
    7.7.4  其他损耗
  7.8  辅助系统的损耗
    7.8.1  真空设备
    7.8.2  散热设备
    7.8.3  监控仪表
  7.9  充放电效率测量
    7.9.1  实验飞轮电机系统
    7.9.2  电能测量
    7.9.3  充电、放电效率分析
    7.9.4  飞轮系统效率测量
    7.9.5  飞轮充放电效率分析
    7.9.6  测试结论
  参考文献
第8章  飞轮储能UPS设计与应用
  8.1  飞轮储能UPS的数学模型
    8.1.1  飞轮储能UPS的拓扑结构
    8.1.2  飞轮储能UPS的数学模型
  8.2  飞轮储能UPS的控制策略
    8.2.1  网侧变流器的控制策略
    8.2.2  机侧变流器控制策略
  8.3  飞轮储能UPS的仿真研究
    8.3.1  充电过程仿真分析
    8.3.2  放电过程仿真分析
  8.4  飞轮储能UPS的实验分析
    8.4.1  充放电实验
    8.4.2  电网频繁故障及恢复实验
  参考文献
第9章  石油钻机中的飞轮储能研究及应用
  9.1  基于飞轮储能的石油钻机混合动力系统
    9.1.1  石油钻机机械传动系统
    9.1.2  含储能的混合动力运行模式
  9.2  大容量飞轮储能装置设计
    9.2.1  飞轮储能装置总体设计
    9.2.2  机械设计
    9.2.3  电机设计
    9.2.4  充放电控制系统设计
  9.3  飞轮转子轴承系统动力学
    9.3.1  轴系结构
    9.3.2  轴系动力学分析
    9.3.3  轴系和壳体的模态分析
    9.3.4  试验研究
    9.3.5  结论
  9.4  飞轮储能装置充放电试验
    9.4.1  飞轮储能系统实验平台
    9.4.2  飞轮储能系统充放电实验及结果分析
    9.4.3  小结
  9.5  大容量飞轮储能工程样机性能测试
    9.5.1  零部件制造总装和调试
    9.5.2  飞轮电机轴系装配及动平衡
    9.5.3  电动/发电控制
    9.5.4  损耗测试
    9.5.5  模拟钻井考核运行
  9.6  卫453井施工示范工程
    9.6.1  频繁充放电运转稳定性
    9.6.2  直流母线电压特性改进
    9.6.3  充电优化控制
    9.6.4  混合动力钻井施工节能效益分析
    9.6.5  小结
  参考文献
第10章  飞轮储能阵列在风力发电中应用研究
  10.1  背景
  10.2  微电网模型与控制
    10.2.1  微电网拓扑结构
    10.2.2  微电网控制方式
  10.3  风力发电模型及其控制策略
    10.3.1  双馈异步风力发电系统数学模型
    10.3.2  双馈异步风力发电系统控制策略
    10.3.3  风力发电仿真模型
    10.3.4  风力发电仿真波形
  10.4  直流侧并联飞轮储能阵列及其协调控制策略
    10.4.1  直流侧并联飞轮储能阵列拓扑
    10.4.2  直流并联飞轮储能阵列协调控制策略
    10.4.3  直流侧并联飞轮阵列协调控制仿真
  10.5  微电网孤岛状态下交流侧并联飞轮储能阵列协调控制
    10.5.1  传统的下垂控制策略
    10.5.2  引入线性补偿的改进系数下垂控制策略
    10.5.3  改进系数下垂控制下飞轮储能阵列仿真
    10.5.4  引入虚拟电抗的改进系数下垂控制策略
    10.5.5  引入虚拟阻抗的改进系数下垂控制仿真
    10.5.6  微电网孤岛状态下交流侧并联飞轮储能阵列仿真
  10.6  微电网并网状态下交流侧并联飞轮储能阵列协调控制
    10.6.1  微电网控制架构
    10.6.2  可调度的飞轮储能阵列协调控制
    10.6.3  并网状态下飞轮储能阵列可调度协调控制仿真
  参考文献