永磁電機式機械彈性儲能機組儲能運行控制策略

朱敬花，邵珠楓，莊 燕

（1九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電與汽車工程系，江蘇 徐州 221116；2中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

隨著社會的發(fā)展，人們逐漸認識到能源環(huán)境的重要性，新能源的進一步發(fā)展引起了人們的關(guān)注。隨著新能源的發(fā)展，電力系統(tǒng)面臨著間歇性、調(diào)峰手段等問題，電能儲存是解決這一系列問題的主要核心技術(shù)之一。因此，通過對儲能技術(shù)的研究與需求分析，研究人員提出一種基于機械彈性的新型儲能方式，并對永磁電機式機械彈性儲能機組和聯(lián)動性儲存箱組成的基本原理進行敘述，以及對其可行性與其價值進行探討與研究。目前來看，眾多場合已經(jīng)在研究以及應(yīng)用不同種類的儲能方式，但是不同種類的儲能方式都有其自身的優(yōu)缺點以及所適用的場合，所以現(xiàn)有的儲能技術(shù)還不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的實際需求。因此，國家開始根據(jù)戰(zhàn)略性策略對電力系統(tǒng)和智能電網(wǎng)提供關(guān)鍵性的技術(shù)支持，積極探索出最先進的儲能技術(shù)。研究人員在研發(fā)先進的儲能技術(shù)時，受到機械渦簧彈性儲能的原理啟發(fā)，研發(fā)出了一種在機械彈性基礎(chǔ)上的電能儲存技術(shù)，簡稱MEES，該儲能技術(shù)屬物理儲能的一種。此外，本文還以永磁電機式機械彈性儲能機組為研究對象，對其儲能運行的控制策略展開研究。

1 儲能技術(shù)的研究情況

1.1 抽水儲能

當前使用最為頻繁的儲能技術(shù)為抽水儲能技術(shù)，國際上1960 年以來是使用抽水儲能技術(shù)的高峰期。至今為止，世界抽水蓄能電站總裝機容量的50%以上都為部分發(fā)達國家的抽水儲能機組的容量。另外，抽水蓄能電站的工作原理是在不同高度、不同海拔建立蓄水水庫，將上游的水庫稱為上池，下游稱為下池。當電量處于負荷低峰狀態(tài)時可以將下池水抽到上池，這樣電網(wǎng)可以將多出的電量轉(zhuǎn)化為水的勢能進行儲存起來；當電量處于負荷高峰狀態(tài)時，上池的水可以帶動發(fā)電機重新流回下池，進而完成發(fā)電。

1.2 壓縮空氣儲能

此類儲能是當電網(wǎng)處于負荷低谷時將使用剩下的電能來壓縮空氣，進一步把所壓縮的空氣進行高溫處理密封于山洞、沉入海底等，然而當電網(wǎng)處于負荷高峰期時，將之前所壓縮的空氣釋放出來，來使電網(wǎng)進行發(fā)電。壓縮空氣儲能技術(shù)能源轉(zhuǎn)化率比較高，與此同時也節(jié)約了成本，以及進行平衡電網(wǎng)負荷、頻率電網(wǎng)調(diào)制等工作。

1.3 利用電池進行能量儲存

蓄電池儲能是利用電池的正負極發(fā)生氧化、還原等反應(yīng)來完成充電、放電工作。其中，鉛酸電池被廣泛應(yīng)用，其具有可靠性、價格便宜等特點，目前來看，大部分電力系統(tǒng)都使用鉛酸電池作為主要的電池儲能技術(shù)。此外還有鎳鉻電池儲能技術(shù)，其效率高，循環(huán)壽命比普通的電池會長得多，但是回收鎳鉻電池會對大自然造成嚴重的污染，因此，此類電池已經(jīng)被新型的電池所代替。

2 永磁電機式機組的組成與操作機理

2.1 永磁電機式機組的組成

永磁電機式機械彈性儲能機組是由聯(lián)動式儲能箱、制動器以及永磁電機等十幾個甚至更多的部件共同組成的，并且通過同一個控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對多種機組單元進行儲能，實現(xiàn)大范圍的電能儲存與發(fā)電功能。

2.2 永磁電機式機組的工作原理

永磁電機式機械彈性儲能機組的工作位置主要處于發(fā)電機與發(fā)電機等同一永磁電機，在本機用作能量轉(zhuǎn)換之部件。當永磁電機需要對其施加負載或者啟動時，儲能箱中的彈簧會被壓縮并向外擴張，從而使儲能箱中的儲能渦簧能產(chǎn)生一個較大的張力。其主要原理為：儲能過程中變流器工作過程中分別為整流和逆變兩種情況，那么永磁電機運行過程中為變頻調(diào)速電動機，電網(wǎng)內(nèi)電能可帶動永磁電機工作，永磁電機利用齒輪變速箱旋緊儲能箱內(nèi)渦簧，然后渦簧利用彈性勢能存儲能量，從而完成電能向彈性勢能的轉(zhuǎn)化。更進一步地，當儲能箱中儲能渦簧被制動控制時始終保持緊鎖狀態(tài)直至接收到釋放信號時永磁電動機才會進入發(fā)電機狀態(tài)。

3 永磁電機式機械彈性儲能機組蓄能運行的關(guān)鍵性技術(shù)

永磁電機式機械彈性儲能機組是一種機電一體化裝備，與機械、電機、自動控制、電力電子等多方面有關(guān)，主要設(shè)計核心是儲能箱、變頻器以及監(jiān)控單元等設(shè)備。

3.1 渦簧材料

目前來看，適用于機械彈性儲能系統(tǒng)的材料必須要具備儲存量大、成本低、高強度以及低密度等特點，其中彈簧鋼類比較適合作為機械彈性儲能的材料。所以，在永磁電機式機械彈性儲能機組的研究與運行階段會選擇低成本、容易獲得的彈簧鋼作為儲能的材料。

3.2 儲能箱

儲能箱以存儲和釋放機械彈性能為主要任務(wù)，關(guān)鍵性設(shè)計以儲能箱輸入扭矩過程中最大限度平緩為前提，以增大儲存箱儲能容量為目標。因此，利用最新型的聯(lián)動式儲能箱，并且克服摩擦阻力，與此同時增大其輸出扭矩，這樣可以數(shù)十倍地提升儲能箱的儲能容量。

3.3 發(fā)電電機

從目前形勢來看，風(fēng)力發(fā)電額定功率已達到兆瓦級別，其相關(guān)技術(shù)也趨于成熟，然而由于使用的場合不同，其技術(shù)應(yīng)用的范圍也被逐漸擴大，同時兆瓦級永磁同步牽引電機也在研發(fā)當中。但是，機械彈性儲能與其并不相同，機械彈性儲能是以渦簧彈性能為動力，需要與永磁電機相匹配。

4 永磁電機式機械彈性儲能機組儲能操作策略

4.1 彈性渦簧材料、結(jié)構(gòu)等的構(gòu)效關(guān)系

渦簧儲能材料進行儲能時會受到彈性形變，實現(xiàn)機械能到彈性勢能的轉(zhuǎn)變，當釋放能量時又會將彈性勢能轉(zhuǎn)變成機械能。要將渦簧材料作為永磁電機式機械彈性儲能機組的主要材料，既要研究渦簧材料性能又要觀測其構(gòu)效關(guān)系進而得到儲能和發(fā)電時彈性渦簧性能。進一步對聯(lián)動式儲能箱結(jié)構(gòu)和制作提供了有效科學(xué)依據(jù)。

4.2 聯(lián)動式儲能箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造

基于渦簧材料作為永磁電機式機械彈性儲能機組的主要材料，結(jié)合其獨特性質(zhì)，為大型聯(lián)動式儲能箱的結(jié)構(gòu)、制造工藝、設(shè)計理論以及安裝技術(shù)等方面提供了有益的實踐經(jīng)驗。同時在建立聯(lián)動式儲能箱結(jié)構(gòu)、密度以及儲能容量等基礎(chǔ)上，為永磁電機式機械彈性儲能機組的研發(fā)、運行提供了夯實的基礎(chǔ)。

4.4 永磁電機式機械彈性儲能機組儲能應(yīng)用策略與實踐方式

永磁電機式機械彈性儲能機組內(nèi)部通過電能與機械能相互轉(zhuǎn)化來保持核心處于各種工況，而聯(lián)動式儲能箱的特性則為實現(xiàn)永磁電機式機械彈性儲能機組的平穩(wěn)運行和高效發(fā)電控制提供了關(guān)鍵保障，從而確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

4.5 永磁電機式機械彈性儲能機組中的低電壓穿越技術(shù)

低電壓的穿越技術(shù)是指當電網(wǎng)發(fā)生故障或者是網(wǎng)點電壓被擾亂時，在電網(wǎng)的范圍內(nèi)，永磁電機式機械彈性儲能機組可以在短時間內(nèi)實行不斷網(wǎng)的并網(wǎng)運行能力。因此要不斷對此項技術(shù)進行改革創(chuàng)新，保證永磁電機式機械彈性儲能機組可以正常地進行工作。

綜上所述，本文通過對永磁電機式機械彈性儲能機組儲能運行控制策略的研究，充分了解了渦簧材料與運行技術(shù)、聯(lián)動儲能箱以及發(fā)電電機等，證明了永磁電機式機械彈性儲能機組是一種具有研究與發(fā)展前景的儲能方式，可以推動我國大規(guī)模電能儲存技術(shù)的進步。