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文檔簡(jiǎn)介
6.1蓄能裝置概述
6.2飛輪儲(chǔ)能
6.3飛輪儲(chǔ)能的控制
6.4儲(chǔ)能的穩(wěn)定性分析6.1蓄能裝置概述風(fēng)能是隨機(jī)性的能源,具有間歇性,并且是不能直接儲(chǔ)存起來的,因此,即使在風(fēng)能資源豐富的地區(qū),把風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為獲得電能的主要方法時(shí),必須配備適當(dāng)?shù)男钅苎b置。在風(fēng)力強(qiáng)的期間,除了通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向用電負(fù)荷提供所需的電能以外,將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量在蓄能裝置中儲(chǔ)存起來;在風(fēng)力弱或無風(fēng)期間,再將蓄能裝置中儲(chǔ)存的能量釋放出來并轉(zhuǎn)換為電能,向用電負(fù)荷供電。可見蓄能裝置是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和持續(xù)供電必不可少的裝置。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的蓄能方式主要有蓄電池蓄能、飛輪蓄能、抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、電解水制氫蓄能等幾種。1.蓄電池蓄能在獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,廣泛使用蓄電池作為蓄能裝置,蓄電池的作用是當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)或用電負(fù)荷減小時(shí),可以將來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能中的一部分儲(chǔ)存在蓄電池中,也就是向蓄電池充電;當(dāng)風(fēng)力較弱、無風(fēng)或用電負(fù)荷增大時(shí),蓄電池中的電能向負(fù)荷供電,以補(bǔ)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電能的不足,達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定供電的作用。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常用的蓄電池有鉛酸電池(亦稱鉛蓄電池)和鎳鎘電池(亦稱堿性蓄電池)。單格鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)約為2V,單格堿性蓄電池的電動(dòng)勢(shì)約為1.2V,將多個(gè)單格蓄電池串聯(lián)組成蓄電池組,可獲得不同的蓄電池組電勢(shì),例如12V、24V、36V等,當(dāng)外電路閉合時(shí)蓄電池正負(fù)兩極間的電位差即為蓄電池的端電壓(亦稱電壓)。蓄電池的端電壓在充電和放電過程中,電壓是不相同的,充電時(shí)蓄電池的電壓高于其電動(dòng)勢(shì),放電時(shí)蓄電池的電壓低于其電動(dòng)勢(shì),這是因?yàn)樾铍姵赜须娮璧木壒?且蓄電池的內(nèi)阻隨溫度的變化比較明顯。蓄電池的容量以Ah表示,容量為100Ah的蓄電池代表該蓄電池若放電電流為10A,可連續(xù)放電10h;若放電電流為5A,則可連續(xù)放電20h。在放電過程中,蓄電池的電壓隨著放電而逐漸降低,放電時(shí)鉛酸蓄電池的電壓不能低于1.8V,堿性蓄電池的電壓不能低于1.1V,蓄電池放電時(shí)的最佳電流值為10h放電率電流,蓄電池的最佳充電電流值等于其最佳放電電流值。蓄電池經(jīng)過多次充電及放電以后,其容量會(huì)降低,當(dāng)蓄電池的容量降低到其額定值的80%以下時(shí),就不能再使用了,也就是蓄電池有一定的使用壽命。影響蓄電池壽命的因素很多,如充電或放電過度、蓄電池的電解液溶度太大或純度降低以及在高溫環(huán)境下使用等都會(huì)使蓄電池的性能變壞,降低蓄電池的使用壽命。2.飛輪蓄能從運(yùn)動(dòng)學(xué)知道,做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體皆具有動(dòng)能,此動(dòng)能也稱為旋轉(zhuǎn)的慣性能,其計(jì)算公式為式中:A為旋轉(zhuǎn)物體的慣性能量,J;J為旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,N·m·S2;Ω為旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s。式(61)所表示的為旋轉(zhuǎn)物體達(dá)到穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)角速率Ω時(shí)所具有的動(dòng)能,若旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角速度是變化的,例如由Ω1增加到Ω2,則旋轉(zhuǎn)物體增加的動(dòng)能為這部分增加的動(dòng)能儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)體中,反之,若旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角速度減小,則有部分旋轉(zhuǎn)的慣性動(dòng)能被釋放出來。同時(shí)由動(dòng)力學(xué)原理知,旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與旋轉(zhuǎn)物體的重力及旋轉(zhuǎn)部分的慣性直徑有關(guān),即式中:G為旋轉(zhuǎn)物體的重力,N;D為旋轉(zhuǎn)物體的慣性直徑,m;g為重力加速度,9.81m/s2。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用飛輪蓄能,即在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸系上安裝一個(gè)飛輪,利用飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性儲(chǔ)能原理,當(dāng)風(fēng)力強(qiáng)時(shí),風(fēng)能以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存在飛輪中;當(dāng)風(fēng)力弱時(shí),儲(chǔ)存在飛輪中的動(dòng)能則釋放出來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。采用飛輪蓄能可以平抑由于風(fēng)力起伏而引起的發(fā)電機(jī)輸出電能的波動(dòng),改善電能的質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的飛輪,一般多由鋼制成,飛輪的尺寸大小則視系統(tǒng)所需儲(chǔ)存和釋放能量的多少而定。3.電解水制氫蓄能眾所周知,電解水可以制氫,而且氫可以儲(chǔ)存,在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用電解水制氫蓄能就是在用電負(fù)荷小時(shí),將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供的多余電能用來電解水,使氫和氧分離,把電能儲(chǔ)存起來;當(dāng)用電負(fù)荷增大,風(fēng)力減弱或無風(fēng)時(shí),使儲(chǔ)存的氫和氧在燃料電池中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而直接產(chǎn)生電能,繼續(xù)向負(fù)荷供電,從而保證供電的連續(xù)性,故這種蓄能方式是將隨時(shí)的不可儲(chǔ)存的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為氫能儲(chǔ)存起來;而制氫、儲(chǔ)氧及燃料電池則是這種蓄能方式的關(guān)鍵技術(shù)和部件。燃料電池是一種化學(xué)電池,其作用原理是把燃料氧化時(shí)所釋放出來的能量通過化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為電能。在以氫作燃料時(shí),就是利用氫和氧化合時(shí)的化學(xué)變化所釋放出來的化學(xué)能,通過電極反應(yīng),直接轉(zhuǎn)化為電能,即
電能。由此化學(xué)反應(yīng)式看出,除產(chǎn)生電能外,只能產(chǎn)生水,因此,利用燃料電池發(fā)電是一種清潔的發(fā)電方式,而且由于沒有高溫高壓等條件要求,工作起來更安全可靠,利用燃料電池發(fā)電的效率很高,例如堿性燃料電池的發(fā)電效率可達(dá)到50%~70%。在這種蓄能方式中,氫的儲(chǔ)存也是一個(gè)重要環(huán)節(jié),儲(chǔ)氫技術(shù)有多種形式,其中以金屬氧化物儲(chǔ)氫最好,其儲(chǔ)氫度高,優(yōu)于氣體儲(chǔ)氫及液態(tài)儲(chǔ)氫,不需要高壓和絕熱的容器,安全性能好。國外還研制出一種再生式燃料電池,這種燃料電池既能利用氫氧化合直接產(chǎn)生電能,反過來應(yīng)用它可以電解水而產(chǎn)生氫和氧。毫無疑問,電解水制氫蓄能是一種高效、清潔、無污染、工作安全、壽命長(zhǎng)的蓄能方式,但燃料電池及儲(chǔ)氫裝置的費(fèi)用則較貴。4.抽水蓄能這種蓄能方式在地形條件合適的地區(qū)可采用,所謂地形條件合適,就是在安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)的地點(diǎn)附近有高地,在高地處可以建造蓄水池或水庫,而在低地處有水。當(dāng)風(fēng)力強(qiáng)而用電負(fù)荷所需要的電能少時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的多余的電能驅(qū)動(dòng)抽水機(jī),將低地處的水抽到高處的蓄水池或水庫中儲(chǔ)存起來;在無風(fēng)期或是風(fēng)力較弱時(shí),則將高地蓄水池或水庫中儲(chǔ)存的水釋放出來流向低地水池,利用水流的動(dòng)能推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)與之相連接的發(fā)電機(jī)發(fā)電,從而保證用電負(fù)荷不斷電,實(shí)際上,這時(shí)已是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和水力發(fā)電同時(shí)運(yùn)行,共同向負(fù)荷供電。當(dāng)然,在無風(fēng)期,只要是在高地蓄水池或水庫中有一定的蓄水量,就可靠水力發(fā)電來維持供電。5.壓縮空氣蓄能與抽水蓄能方式相似,這種蓄能方式也需要特定的地形條件,即需要有挖掘的坑或是廢棄的礦坑或是地下的巖洞,當(dāng)風(fēng)力強(qiáng),用電負(fù)荷少時(shí),可將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的多余的電能驅(qū)動(dòng)一臺(tái)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的空氣壓縮機(jī),將空氣壓縮后儲(chǔ)存在地坑內(nèi);而在無風(fēng)期或用負(fù)荷增大時(shí),則將儲(chǔ)存在地坑內(nèi)的壓縮空氣釋放出來,形成高速氣流,從而推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。6.2飛
輪
儲(chǔ)
能6.2.1飛輪電池的組成與工作原理1.飛輪電池的組成典型的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一般是由三大主體、兩個(gè)控制器和一些輔件所組成:①
儲(chǔ)能飛輪;②
集成驅(qū)動(dòng)的電機(jī);③
磁懸浮支承系統(tǒng);④
磁力軸承控制器和電機(jī)變頻調(diào)速控制器;⑤
輔件(冷卻系統(tǒng)、顯示儀表、真空設(shè)備和安全容器等)。本書重點(diǎn)研究?jī)?chǔ)能飛輪、集成驅(qū)動(dòng)的換能電機(jī)、磁懸浮支承系統(tǒng),控制、冷卻、顯示不研究。圖61所示為一種飛輪電池的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其中:1為飛輪;2為含有水冷卻的徑向磁軸承的定子;3為徑向磁軸承;4為軸向磁軸承;5為含有水冷卻的電機(jī)定子;6為電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子部分;7為電機(jī)外轉(zhuǎn)子部分;8為真空殼體。2.飛輪電池的工作原理飛輪電池類似于化學(xué)電池,它有以下兩種工作模式。(1)“充電”模式。當(dāng)飛輪電池充電器插頭插入外部電源插座時(shí),打開啟動(dòng)開關(guān),電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn),吸收電能,使飛輪轉(zhuǎn)速提升,直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),由電機(jī)控制器切斷與外界電源的連接。在整個(gè)充電過程中,電機(jī)作電動(dòng)機(jī)用。(2)“放電”模式。當(dāng)飛輪電池外接負(fù)載設(shè)備時(shí),發(fā)電機(jī)開始工作,向外供電,飛輪轉(zhuǎn)速下降,直至下降到最低轉(zhuǎn)速時(shí),電機(jī)控制器停止放電。在放電過程中,電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用。這兩種工作模式全部由電機(jī)控制器負(fù)責(zé)完成。飛輪轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)時(shí)由磁力軸承實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子無接觸支承,而接觸軸承則主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子靜止或存在較大的外部擾動(dòng)時(shí)的輔助支承,避免飛輪轉(zhuǎn)子與定子直接相碰而導(dǎo)致災(zāi)難性破壞。真空設(shè)備用來保持殼體內(nèi)始終處于真空狀態(tài),減少轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)耗。冷卻系統(tǒng)則負(fù)責(zé)電機(jī)和磁懸浮軸承的冷卻。安全容器用于避免一旦轉(zhuǎn)子產(chǎn)生爆裂或定子與轉(zhuǎn)子相碰時(shí)發(fā)生意外。顯示儀表則用來顯示剩余電量和工作狀態(tài)。6.2.2飛輪電池轉(zhuǎn)子的支承、
驅(qū)動(dòng)和控制飛輪電池是一種儲(chǔ)能裝置,當(dāng)“充電”時(shí),電動(dòng)機(jī)通過變頻調(diào)速控制逐步提高飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,將電能轉(zhuǎn)換為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存起來;而“放電”時(shí),則通過發(fā)電機(jī)向外穩(wěn)定輸出電能,使飛輪轉(zhuǎn)速逐步下降。飛輪電池作為一種儲(chǔ)能裝置,其主要技術(shù)指標(biāo)有:可提取的能量(簡(jiǎn)稱凈能量);充電/放電電壓(或充電/放電電流);充電速率或功率(影響充電時(shí)間)和放電速率或功率(決定帶動(dòng)負(fù)載的能力)。飛輪電池的可提取的能量與飛輪的最大安全運(yùn)轉(zhuǎn)速度、最小穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等有關(guān)。一般來說,提高飛輪的最大安全運(yùn)轉(zhuǎn)速度比提高飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可得到更好的儲(chǔ)能效果,原因是旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)能與旋轉(zhuǎn)速度是二次關(guān)系,而與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一次關(guān)系。除通過提高飛輪的最大安全運(yùn)轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來提高飛輪電池的可提取的能量外,盡量降低最小穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度也可提高飛輪電池的可提取的能量。飛輪電池的充電速率主要影響充電時(shí)間,充電速率越高,充電時(shí)間越短。放電速率的大小則決定飛輪電池帶動(dòng)負(fù)載的能力,放電速率越大,帶動(dòng)負(fù)載的功率越大。衡量飛輪電池的主要性能指標(biāo)有:能量轉(zhuǎn)換效率;儲(chǔ)能密度(比能量);怠速損耗;使用溫度、壽命、可靠性、安全性等。能量轉(zhuǎn)換效率越高,動(dòng)能與電能之間相互轉(zhuǎn)化的損耗就越小,經(jīng)濟(jì)性也就越好。儲(chǔ)能密度一般主要取決于飛輪材料的抗拉強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度越高,飛輪可安全運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速就越高,儲(chǔ)存的能量就越多,相對(duì)的儲(chǔ)能密度就越高。而高的可靠性和高的安全性則是所有儀器和設(shè)備所追求的目標(biāo)。一般來說,一個(gè)好的飛輪電池除了要達(dá)到用戶所提出的主要技術(shù)指標(biāo)(如可提取的能量、充電時(shí)間和最大放電功率)外,還應(yīng)該具有低的怠速損耗、長(zhǎng)壽命、高的能量密度、高的能量轉(zhuǎn)換效率、高的可靠性、高的安全性和良好的經(jīng)濟(jì)性。這些技術(shù)性能指標(biāo)有的是由飛輪電池的某些部件單獨(dú)體現(xiàn)的,有些則是由幾個(gè)或所有零部件共同體現(xiàn)的。1.飛輪電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)飛輪電池系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案與飛輪的結(jié)構(gòu)、飛輪轉(zhuǎn)子的支承方案、集成式電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)和其他一些輔件的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。按理說,它應(yīng)該在所有零部件的結(jié)構(gòu)方案形成后才能確定下來,為了方便理解后面各章節(jié)內(nèi)容,在這里建立飛輪電池的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案,增強(qiáng)大家對(duì)飛輪電池的感性認(rèn)識(shí)。針對(duì)固定應(yīng)用(指的是基礎(chǔ)或機(jī)架固定不動(dòng))的飛輪電池,提出了一種新型的磁懸浮支承系統(tǒng),并在考慮飛輪電池內(nèi)部各關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)和布置情況下,構(gòu)造出飛輪電池的結(jié)構(gòu)方案,如圖62所示。這種方案的最大特點(diǎn)是它的磁懸浮支承系統(tǒng)采用了一種新型磁力軸承(即電動(dòng)磁力軸承)作為轉(zhuǎn)子的徑向支承,并結(jié)合軸向永磁磁力軸承構(gòu)成飛輪轉(zhuǎn)子無接觸磁懸浮式支承。對(duì)于固定應(yīng)用的飛輪電池,由于不存在陀螺效應(yīng),所以軸承主要承受飛輪轉(zhuǎn)子的自重。為了充分利用永磁磁力軸承承受靜態(tài)或堆靜態(tài)負(fù)載的能力,飛輪轉(zhuǎn)子作垂直布置,其重量完全由永磁磁力軸承來承受,而徑向電動(dòng)磁力軸承則主要用來承受由于轉(zhuǎn)子徑向偏移運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)載荷,并確保轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中的自動(dòng)定心作用,即確保轉(zhuǎn)子始終在預(yù)定中心附近回轉(zhuǎn)。與其他磁懸浮支承系統(tǒng)相比,這種組合的磁懸浮支承系統(tǒng)由于既沒有采用電磁軸承,又沒有采用超導(dǎo)磁力軸承,因而消除了電磁軸承由于需要位置傳感器和反饋控制系統(tǒng)所帶來的失效可能性和費(fèi)用的增加,以及電磁線圈的能量損耗;也避免了超導(dǎo)磁力軸承由于需要液態(tài)氮制備設(shè)備所帶來的結(jié)構(gòu)尺寸增加和制冷設(shè)備失效導(dǎo)致的可靠性降低以及費(fèi)用的增加,是目前經(jīng)濟(jì)性和可靠性都較高的支承系統(tǒng),所以值得大力研究開發(fā),也是本書重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。2.支承飛輪轉(zhuǎn)子的磁力軸承飛輪電池中的磁懸浮軸承(也稱磁力軸承或磁軸承)與機(jī)床主軸所用的磁懸浮軸承的作用基本相同,都是用來支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,但工作要求大不相同。對(duì)于機(jī)床中支承主軸的磁力軸承,主要承受來自刀具切削作用于轉(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),以及轉(zhuǎn)子自身的重量,這就要求磁力軸承的剛度大,并且可調(diào),因而必須使用有源磁力軸承,即電磁軸承,此外還要求軸承對(duì)主軸進(jìn)行精確定位以確保機(jī)械加工的精度。而飛輪電池中的磁懸浮軸承,它主要承受飛輪轉(zhuǎn)子自身的重量和由于轉(zhuǎn)子的偏移運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)載荷,以及由于固定飛輪電池的基礎(chǔ)或機(jī)架的運(yùn)動(dòng)而引起的附加陀螺效應(yīng)力,此外,飛輪電池轉(zhuǎn)子無需精確定位。如果飛輪電池用在那些機(jī)架固定不動(dòng)的應(yīng)用中,則飛輪轉(zhuǎn)子將不受陀螺效應(yīng)力。目前的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)常選擇幾種類型的軸承組合起來使用,而在高速飛輪系統(tǒng)中,使用最多的還是磁懸浮軸承,這是由于磁力軸承無磨損(無機(jī)械接觸)、壽命長(zhǎng)和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),使得傳統(tǒng)的機(jī)械接觸軸承無法比擬。目前可供使用的磁力軸承主要有:電磁軸承;超導(dǎo)磁力軸承;永磁磁力軸承和電動(dòng)磁力軸承。前者稱為主動(dòng)磁力支承,后三者稱為被動(dòng)磁力支承。電磁軸承是通過改變電磁鐵線圈的電流來控制懸浮力的大小,從而適應(yīng)外界干擾力的變化;超導(dǎo)磁力軸承是利用超導(dǎo)體在臨界溫度以下所表現(xiàn)出來的邁斯納效應(yīng),即磁力線不能穿過超導(dǎo)體而表現(xiàn)出的完全抗磁性來懸浮物體;永磁磁力軸承則是利用永磁體之間或永磁體與軟磁體之間的吸力或斥力來懸浮物體。在一些轉(zhuǎn)速不是太高的場(chǎng)合,除磁力軸承外,有時(shí)也用到一種軸向球軸承,只不過球軸承的材料一般選用摩擦系數(shù)非常小又非常耐磨的材料,如金屬陶瓷或紅寶石等。3.組合磁懸浮的支承系統(tǒng)目前,飛輪電池的支承系統(tǒng)方案主要有兩大類:一類是含電磁軸承的主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng);另一類是被動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)。主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)主要有三種組合方案:第一種是徑向采用電磁軸承,軸向采用被動(dòng)磁力軸承或機(jī)械接觸軸承;第二種是軸向采用電磁軸承,徑向采用被動(dòng)磁力軸承;第三種是徑向和軸向均采用主動(dòng)磁力軸承。由于主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)中含有電磁軸承,盡管承載能力高(剛度和阻尼可調(diào)),穩(wěn)定性也好,但存在前面提到的不足,如果將它用到機(jī)架固定的飛輪電池上,則由于只承受穩(wěn)定的靜態(tài)載荷,電磁軸承的優(yōu)點(diǎn)沒法體現(xiàn),而缺點(diǎn)卻變得尤為突出,因而對(duì)固定應(yīng)用的飛輪電池,使用主動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)是沒有必要的。被動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng)目前也有三種組合方案:第一種是在徑向采用被動(dòng)磁力軸承,軸向采用機(jī)械接觸軸承;第二種是在徑向采用永磁磁力軸承,軸向采用超導(dǎo)磁力軸承;第三種是在軸向采用永磁磁力軸承,徑向采用超導(dǎo)磁力軸承。對(duì)于第一種支承方式,盡管支承可靠,但由于采用了機(jī)械接觸軸承,將降低軸承的最高轉(zhuǎn)速,同時(shí)能量損耗較大,壽命較低。對(duì)于第二種和第三種支承方式,由于采用了超導(dǎo)磁力支承,就要附加一套液態(tài)氮的制冷裝置,增加了電池的體積,降低了系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)飛輪電池磁懸浮支承系統(tǒng)時(shí),除了要利用現(xiàn)有的磁力軸承外,還要充分考慮磁力軸承的最新發(fā)展。根據(jù)目前磁力軸承的特點(diǎn),結(jié)合最新研究的成果,現(xiàn)提出一種全新的被動(dòng)磁懸浮支承系統(tǒng),如圖63所示。其中,轉(zhuǎn)子的徑向支承是由分別安裝在兩個(gè)定子上的兩對(duì)環(huán)形磁鐵6、7、8、9和鑲嵌在轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體環(huán)10構(gòu)成,環(huán)形磁鐵6和7提供導(dǎo)體環(huán)10內(nèi)圓弧附近的磁場(chǎng),環(huán)形磁鐵8和9提供導(dǎo)體環(huán)外圓弧附近的磁場(chǎng);而軸向支承則是由一對(duì)帶錐面“接觸”的環(huán)形永磁體3和4構(gòu)成,磁鐵3安裝在轉(zhuǎn)子上,充當(dāng)動(dòng)磁環(huán),磁鐵4安裝在定子上,充當(dāng)定磁環(huán)。在這種組合磁懸浮支承系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子軸垂直布置,軸向水磁磁力軸承主要承受飛輪轉(zhuǎn)子的自重,同時(shí)也能對(duì)徑向起到一定的輔助支承作用,徑向電動(dòng)磁力軸承則主要承受由于轉(zhuǎn)子的徑向偏移運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)載荷。這種支承方式,盡管承受變載荷的能力不高,但對(duì)那些僅承受靜態(tài)載荷(如固定應(yīng)用)的飛輪電池來說,這種支承方式的承載能力是足夠的。而且由于它既沒有采用主動(dòng)磁力軸承,又沒有采用超導(dǎo)磁力軸承,因而完全消除了電磁軸承結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性和超導(dǎo)磁力軸承的液態(tài)氮或氦的制備系統(tǒng),而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,費(fèi)用低廉,可靠性高,且能十分有效地降低飛輪電池的費(fèi)用,是一種值得研究和提倡的支承方式。6.2.3飛輪電池的應(yīng)用飛輪電池的應(yīng)用十分廣泛,但主要分為兩大類型:一是作為儲(chǔ)能用的,如衛(wèi)星和空間站的電源,車輛的動(dòng)力裝置,各種重要設(shè)備(如計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備等)的不間斷電源(UPS)等;二是作為峰值動(dòng)力用的,如電力系統(tǒng)峰值負(fù)載的調(diào)節(jié),分布式發(fā)電系統(tǒng)中電網(wǎng)電力的波動(dòng)調(diào)節(jié),混合動(dòng)力車輛負(fù)載的調(diào)節(jié)、運(yùn)載火箭和電磁炮等的瞬時(shí)大功率動(dòng)力供應(yīng)源、脈沖動(dòng)力設(shè)備等。1.在電動(dòng)汽車和軍用車輛上的應(yīng)用目前,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以單獨(dú)或與其他動(dòng)力裝置一起混合用于電動(dòng)汽車上,極大地改善汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性以及汽車尾氣的排放狀況。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在軍事車輛的脈動(dòng)負(fù)載和運(yùn)行負(fù)載調(diào)節(jié)方面也擔(dān)負(fù)重要角色,如德克薩斯大學(xué)奧斯丁電動(dòng)力學(xué)研究中心就為軍用車輛開發(fā)了脈動(dòng)負(fù)載和運(yùn)行負(fù)載調(diào)節(jié)的飛輪儲(chǔ)能系紛核系統(tǒng)能儲(chǔ)存25MJ的能量,能提供5MW的瞬時(shí)功率,可滿足14T級(jí)軍用車輛的脈動(dòng)動(dòng)力要求。2.在衛(wèi)星和航天器上的應(yīng)用Fare公司、馬里蘭大學(xué)及受NAsA資助的劉易斯(Lewis)研究中心共同開發(fā)了空心飛輪系統(tǒng),它是將馬里蘭大學(xué)的500Wh的空心飛輪系統(tǒng)按比例縮小成50Wh的空心飛輪系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于近距離地球軌道(LEO)衛(wèi)星和地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星的動(dòng)力裝置,取代了原先的化學(xué)電池。同時(shí),它結(jié)合飛輪儲(chǔ)能和衛(wèi)星的姿態(tài)控制,使飛輪儲(chǔ)能和衛(wèi)星的姿態(tài)控制一體化,其優(yōu)勢(shì)更加明顯。3.在電熱化學(xué)炮、電磁炮上的應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在電磁炮應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì),有一種8級(jí)逐級(jí)驅(qū)動(dòng)的線性感應(yīng)線圈發(fā)射炮能將2kg的炮彈以2km/s的速度發(fā)射。電熱化學(xué)炮要求在1~5ms內(nèi)將脈動(dòng)動(dòng)力傳到槍炮后膛,而由飛輪儲(chǔ)能裝置構(gòu)成的脈沖交流發(fā)電機(jī)(PDA)就能適應(yīng)這種要求。4.用于電力質(zhì)量和電網(wǎng)負(fù)載調(diào)節(jié)電力質(zhì)量問題是一直困擾著電力工業(yè)的老大難問題。但隨著UPS市場(chǎng)的發(fā)展壯大,各種重要的敏感設(shè)備受電網(wǎng)電力波動(dòng)或突然的電力供應(yīng)中斷而造成的損失問題逐步得到了解決。作為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng),它完全可以擔(dān)負(fù)起UPS的職能,而且電力供應(yīng)質(zhì)量可大大改善,供電時(shí)間可大大延長(zhǎng)。此外,大功率、高儲(chǔ)能的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)用電高峰的電力供應(yīng),使其心網(wǎng)負(fù)載更加平穩(wěn)。在以風(fēng)力發(fā)電的機(jī)組中,應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可使輸比電壓更加平穩(wěn)。5.不間斷電源(UPS)小間斷供應(yīng)電源有者強(qiáng)大的應(yīng)用市場(chǎng)。除目前通用的UPS外,飛輪電池作為一支新生的能源儲(chǔ)存方式已經(jīng)逐步參與到UPS市場(chǎng)中來。6.3飛輪儲(chǔ)能的控制6.3.1飛輪能量轉(zhuǎn)換器飛輪電池中的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)是一個(gè)集成部件,主要充當(dāng)能量轉(zhuǎn)換的角色,簡(jiǎn)稱能量轉(zhuǎn)換器,充電時(shí)充當(dāng)電動(dòng)機(jī),將風(fēng)能的機(jī)械能中的電能轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪電池的機(jī)械能儲(chǔ)存起來,而放電時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī),將飛輪電池的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能向外輸出。飛輪電池用作高速電機(jī)應(yīng)該兼有高效率的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的特性。通常要求盡可能同時(shí)具有以下特點(diǎn):較大的轉(zhuǎn)矩和輸出功率;較長(zhǎng)的穩(wěn)定使用壽命;空載損耗極低;能量轉(zhuǎn)換效率高;能適應(yīng)大范圍的速度變化。對(duì)于飛輪電池,目前主要有5種可供選擇的電機(jī),即感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、“寫極”電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。幾種可用的電機(jī)相關(guān)性能數(shù)據(jù)對(duì)比見表61。與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比,感應(yīng)電機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn):高效率、高能量密度、低廉的價(jià)格、高可靠性和維護(hù)方便。但感應(yīng)電機(jī)的缺點(diǎn)是:轉(zhuǎn)速不能太高;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差損耗大;極數(shù)少的感應(yīng)電機(jī)用銅、鐵量大增加了電機(jī)的重量。開關(guān)磁阻電機(jī)采用雙凸極結(jié)構(gòu)。定子采用集中繞組,轉(zhuǎn)子無勵(lì)磁。因此,轉(zhuǎn)子不用維護(hù),結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,易于實(shí)現(xiàn)零電流、零電壓關(guān)斷,適用于大范圍調(diào)速運(yùn)行。其缺點(diǎn)是振動(dòng)和噪聲較大,與永磁電機(jī)比較,效率和功率密度較低。永磁無刷直流電機(jī)是將直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組換成永久磁鐵,由固態(tài)逆變器和軸位置檢測(cè)器組成電子換向器。位置傳感器用來檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中的位置,并將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),保證各相繞組的正確換向。永磁無刷直流電機(jī)在工作時(shí),直接將方波電流輸入電機(jī)的定子中,控制永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是去掉了傳統(tǒng)的直流電機(jī)中的換向器和電刷,因此消除了由于電機(jī)電刷換向引起的一系列問題。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于矩形波電流和矩形波磁場(chǎng)的相互作用,在電流和反電勢(shì)同時(shí)達(dá)到峰值時(shí),能產(chǎn)生很大的電磁轉(zhuǎn)矩,提高了負(fù)載密度和功率密度。永磁同步電機(jī)實(shí)際上就是永磁交流同步電機(jī),它是將永久磁鐵取代他勵(lì)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組,將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部,形成可同步旋轉(zhuǎn)的磁極。轉(zhuǎn)子上不再用勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和電刷等來為轉(zhuǎn)子輸入勵(lì)磁電流,輸入定子的是三相正弦波電流。該電機(jī)具有較高的能量密度和效率,體積小,功耗低,響應(yīng)快?!皩憳O”電機(jī)實(shí)際上是一種變極電機(jī),在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面鋪設(shè)了一層永磁材料,這層材料一般是一種高各向異性的陶瓷鐵氧體,厚度在15mm~50mm不等。除在定子上布置有主繞組外,在勵(lì)磁極周圍還布置有集中勵(lì)磁線圈。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),這種磁性材料能夠被勵(lì)磁線圈磁化(或者“被寫”)為任意期待的磁極形式。因此,這種電機(jī)的磁極數(shù)和位置可以連續(xù)變化,可在小電流情況下實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng),在不同的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)常頻率輸出,這種特征非常適用于風(fēng)力發(fā)電。針對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子特定的結(jié)構(gòu),不可能在其上制造出凸極,因而排除了使用開關(guān)磁阻電機(jī)的可能。又由于感應(yīng)電機(jī)一般只能在中低轉(zhuǎn)速下才能可靠地運(yùn)行,也排除了使用感應(yīng)電機(jī)的可能。永磁無刷直流電機(jī)的工作磁場(chǎng)是步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),很容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),同時(shí)伴有較大的噪聲。永磁交流同步電機(jī)的工作磁場(chǎng)是均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量很小,運(yùn)行噪聲也很小,而且它既具有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),又具有直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、調(diào)節(jié)控制方便、調(diào)速范圍寬、易于實(shí)現(xiàn)雙向功率轉(zhuǎn)換等諸多優(yōu)點(diǎn),非常適合于飛輪電池中作為能量轉(zhuǎn)換器使用。因此,一般選用永磁同步電機(jī)作為飛輪電池的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是比較理想的。為了降低噪聲,提出了如圖64所示的永磁同步電機(jī)外轉(zhuǎn)子構(gòu)形。在這種構(gòu)形中,轉(zhuǎn)子上的永磁體采用加硼稀土永磁材料,并采用Halbach陣列的偶極子布置方式,以形成均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),而定子上的繞組線圈采用利茲(Litz)導(dǎo)線(也稱為漆包絞線),盡量減少銅耗。這種結(jié)構(gòu)采用了定子軸線與轉(zhuǎn)子軸線重合,從而可以做到循環(huán)冷卻液體完全位于真空容器外面,以利于真空容器的密封。Halbach陣列實(shí)際上是用多塊小磁體構(gòu)成的環(huán)形漸變磁體,以便在環(huán)形體內(nèi)緣或外緣附近產(chǎn)生極強(qiáng)的磁隙。它最早是由勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的物理科學(xué)家Halbach提出,并以此來命名。Halbach已經(jīng)制定了各種電磁系統(tǒng)構(gòu)形,如雙極、四極和六極等,而且可以根據(jù)多體環(huán)形漸變磁體電磁場(chǎng)的計(jì)算理論,很容易地計(jì)算空氣隙中任意一點(diǎn)的磁場(chǎng),計(jì)算公式為式中:M為永久磁鐵的磁化強(qiáng)度;r2為Halbach陣列的外徑;r1為內(nèi)徑;r0為場(chǎng)點(diǎn)到軸心的距離。知道磁場(chǎng)后,就可計(jì)算電機(jī)的各種參數(shù)。根據(jù)Halbach陣列設(shè)計(jì)的能量轉(zhuǎn)換器,由于無需安裝任何鐵心或扼鐵,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,外部漏磁通可以忽略,定子內(nèi)無磁滯損耗和渦流損耗,而且轉(zhuǎn)子和定子的氣隙無需作為關(guān)鍵尺寸來控制。通過使用利茲導(dǎo)線作為定子繞組,飛輪電池將具有較低的怠速損耗和較高的效率。6.3.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析正弦波電流控制的調(diào)速永磁同步電機(jī)最常用的方法就是建立數(shù)學(xué)模型,它不僅可用于分析正弦波永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能,也可用于分析電機(jī)的瞬態(tài)性能。為建立正弦波永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,則需(1)忽略電機(jī)鐵心的飽和;(2)不計(jì)電機(jī)中的渦流和磁滯損耗;(3)電機(jī)的電流為對(duì)稱的三相正弦波電流。由此可以得到以下的電壓、磁鐵、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程(式中各量為瞬態(tài)值)。電壓方程:if為永磁體的等效勵(lì)磁電流(A),當(dāng)不考慮溫度對(duì)永磁體性能的影響時(shí),其值為一常數(shù),if=ψf/Lmd;ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載機(jī)械折算過來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;RΩ為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;TL為阻力系數(shù)。電機(jī)的d、q軸中各量與三相系統(tǒng)中實(shí)際各量間的聯(lián)系可通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)。如從電機(jī)三相實(shí)際電流iU
、iV
、iW
到d、q內(nèi)坐標(biāo)系的電流id、iq,采用功率不變約束的坐標(biāo)變換(復(fù)指數(shù)變換)時(shí)有:式中:θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào),即電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極軸線(直軸)與定子繞組軸線的夾角(電角度)。i0為零軸電流,對(duì)三相對(duì)稱系統(tǒng),變換后的零軸電流i0=0。對(duì)于絕大多數(shù)正弦波調(diào)速永磁同步電機(jī),轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組,因而電機(jī)電壓、磁鐵和電磁轉(zhuǎn)矩方程可以簡(jiǎn)化。6.3.3永磁同步電機(jī)的控制策略1.永磁同步電機(jī)控制方式通過檢測(cè)到的定子電壓和電流,借助電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)瞬時(shí)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。該控制策略將電機(jī)和變換器作為一個(gè)整體,在靜止兩相坐標(biāo)系進(jìn)行控制,省去了坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié),控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,特別是提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。其中電機(jī)的定子磁鏈模型為在連接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,根據(jù)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩、磁鏈與給定值的誤差進(jìn)行滯環(huán)控制,選取適當(dāng)?shù)碾妷嚎臻g矢量及其作用時(shí)間,不足之處在于低速性能不佳,調(diào)速范圍不夠大,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大,其原因在于低速時(shí)電機(jī)端電壓較低,造成定子磁鏈模型的誤差增大,因此這種控制策略仍需進(jìn)一步完善。2.飛輪電池的控制方案飛輪電池的充電過程就是電機(jī)的升速過程。在充電過程中要求系統(tǒng)有盡可能快的速度,對(duì)應(yīng)于這一要求,電機(jī)升速可以采用兩種變頻控制方式:恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制。恒轉(zhuǎn)矩控制是以系統(tǒng)能承受的最大轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩,保持系統(tǒng)的加速轉(zhuǎn)矩不變,恒功率控制是以系統(tǒng)能承受的最大功率為加速功率,保持系統(tǒng)的加速功率不變。設(shè)飛輪轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速與最小轉(zhuǎn)速之比為5∶1,則飛輪電池總儲(chǔ)能量的96%能夠得到利用。電機(jī)由角速度ω/5加速到ω,按照恒轉(zhuǎn)矩控制方式,電機(jī)最大功率與加速時(shí)間分別為6.3.4結(jié)論比較式(615)與式(618)可知,恒功率
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