本書是我國機械彈性儲能科技領(lǐng)域的第一本著作，系統(tǒng)地闡述了華北電力大學(xué)機械彈性儲能團隊十幾年來所取得的研究成果，并通過探討國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地分析、總結(jié)新型機械彈性儲能技術(shù)的基礎(chǔ)理論、實現(xiàn)方案及其技術(shù)應(yīng)用。從翔實的理論分析入手，到10kW永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)樣機的具體設(shè)計和運行，再到機械彈性儲能系統(tǒng)各類場景的應(yīng)用設(shè)計展望，方便大家深入淺出地理解新型機械彈性儲能技術(shù)。本書將系統(tǒng)性、前沿性、理論性與工程實踐緊密結(jié)合，融合了電機、材料及機械專業(yè)相關(guān)知識，可供能源、電力、機械等專業(yè)師生參考，也為傳播機械彈性儲能技術(shù)起到拋磚引玉的作用。
余洋，男，2005年華北電力大學(xué)（保定）電氣工程及其自動化專業(yè)本科畢業(yè)，2008年西安交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)碩士畢業(yè)，2016年華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)博士畢業(yè)。2019—年至2020年美國Lehigh University公派訪問學(xué)者。
現(xiàn)為華北電力大學(xué)（保定）電力工程系副教授，碩士研究生導(dǎo)師，電自教研室副主任，九三學(xué)社華北電力大學(xué)支社副主委。IEEE抽水蓄能中國區(qū)儲能技術(shù)委員會儲能并網(wǎng)與運行技術(shù)分委會理事、儲能市場與規(guī)劃技術(shù)分委會理事，IEEE Member，中國電機工程學(xué)會會員，新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室研究成員，河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室研究成員。
長期從事電力儲能技術(shù)、需求側(cè)資源聚合建模與調(diào)度控制等領(lǐng)域的研究工作。在《IEEE Trans. Power Electronics》、《中國電機工程學(xué)報》、《儲能科學(xué)與技術(shù)》等國內(nèi)外重要期刊上發(fā)表論文30多篇，以主要發(fā)明人申請授權(quán)發(fā)明專利20余項。
承擔(dān)國家自然科學(xué)基金青年基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費基金、國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司、科研機構(gòu)等縱橫向項目10多項；參與國家重點研發(fā)計劃項目、教育部高校博士學(xué)科點基金。曾獲河北省科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎1項，入選河北省“三三三人才工程”人選。目前正主持國家自然科學(xué)基金面上項目、河北省自然科學(xué)基金面上項目、新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室自主課題、國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等多個項目。
第 1 章 儲能技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.1 新形勢下儲能技術(shù)的研發(fā)背景及意義 1
1.1.1 研發(fā)背景 1
1.1.2 研發(fā)意義 2
1.2 儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀 3
1.2.1 物理儲能 4
1.2.2 電化學(xué)儲能 6
1.2.3 電磁儲能 7
1.2.4 相變儲能 8
1.2.5 對現(xiàn)有儲能技術(shù)的評價 8
1.3 機械彈性儲能技術(shù)概述 9
1.3.1 機械彈性儲能技術(shù)的提出 9
1.3.2 機械彈性儲能技術(shù)優(yōu)勢分析 10
1.3.3 機械彈性儲能系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)形式 11
參考文獻 12
第 2 章 機械彈性儲能關(guān)鍵技術(shù)、可行性及儲能指標(biāo) 14
2.1 引言 14
2.2 機械彈性儲能關(guān)鍵技術(shù)分析 14
2.3 機械彈性儲能技術(shù)的可行性 15
2.4 機械彈性儲能技術(shù)的主要特性指標(biāo) 17
2.4.1 儲能技術(shù)的主要特性指標(biāo) 17
2.4.2 機械彈性儲能技術(shù)特性指標(biāo) 19
2.4.3 不同渦簧材料的儲能特性指標(biāo)分析與比較 24
2.4.4 機械彈性儲能與其他儲能技術(shù)的特性比較 28
參考文獻 33
第 3 章 機械彈性儲能用渦簧非線性力學(xué)特性 34
3.1 引言 34
3.2 關(guān)于渦簧的基本假設(shè) 34
3.3 非接觸型渦簧的力學(xué)分析 35
3.4 接觸型渦簧力學(xué)模型的建立及分析 37
3.4.1 儲能前渦簧的兩種狀態(tài) 38
3.4.2 儲能前渦簧力學(xué)特性的計算 41
3.4.3 初始狀態(tài)渦簧彎矩計算結(jié)果 52
3.5 儲能過程渦簧力學(xué)模型建立及分析 54
3.5.1 渦簧 3 種形態(tài)的劃分 54
3.5.2 渦簧儲能過程的非線性分析 56
3.5.3 渦簧 3 種形態(tài)及彎矩的計算 57
3.5.4 形態(tài)迭代法的建立 62
3.5.5 渦簧形狀、彎矩變化計算結(jié)果 63
3.6 儲能過程渦簧轉(zhuǎn)動慣量計算 65
3.6.1 渦簧轉(zhuǎn)動慣量計算方法分析 65
3.6.2 渦簧轉(zhuǎn)動慣量的計算 66
3.6.3 轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果 70
參考文獻 71
第 4 章 機械彈性儲能用渦簧儲能過程的有限元數(shù)值分析 72
4.1 引言 72
4.2 儲能過程渦簧的應(yīng)力分析 72
4.2.1 渦簧極坐標(biāo)方程的建立 73
4.2.2 渦簧應(yīng)力的計算及分析 77
4.2.3 有限元建模及分析 78
4.3 儲能過程渦簧的穩(wěn)定性分析 81
4.3.1 鋼梁的穩(wěn)定性 81
4.3.2 有限元建模及分析 83
4.3.3 結(jié)果分析 85
4.4 渦簧模態(tài)分析 87
4.4.1 模態(tài)分析方法 87
4.4.2 單體渦簧模態(tài)分析 87
4.4.3 渦簧箱模態(tài)分析 89
4.5 渦簧連接結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 93
4.5.1 渦簧內(nèi)端連接強度分析 93
4.5.2 渦簧外端連接強度分析 98
參考文獻 103
第 5 章 機械彈性儲能用渦簧儲能密度的計算及設(shè)計優(yōu)化 104
5.1 引言 104
5.2 渦簧儲能密度概述 104
5.3 渦簧儲能密度的分析計算及優(yōu)化 105
5.3.1 渦簧儲能量的分析計算 105
5.3.2 渦簧儲能密度影響因素的分析 107
5.3.3 提高渦簧儲能密度的方法 110
5.3.4 渦簧儲能密度的優(yōu)化 111
5.3.5 優(yōu)化結(jié)果分析 113
5.3.6 有限元建模分析 115
5.3.7 儲能密度結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實現(xiàn) 118
5.4 基于微分進化的渦簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 119
5.4.1 優(yōu)化問題的描述 119
5.4.2 3 種目標(biāo)函數(shù)下渦簧的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果 121
5.4.3 3 種目標(biāo)函數(shù)下優(yōu)化設(shè)計后渦簧儲能特性的比較 123
5.4.4 3 種目標(biāo)函數(shù)下取不同彈簧厚度范圍時渦簧的優(yōu)化設(shè)計 125
參考文獻 130
第 6 章 機械彈性儲能用聯(lián)動式儲能箱結(jié)構(gòu)設(shè)計及其模塊化安裝調(diào)試技術(shù) 131
6.1 引言 131
6.2 現(xiàn)有提高渦簧儲能量的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 131
6.3 聯(lián)動式儲能箱結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理分析 132
6.3.1 聯(lián)動式儲能箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計 132
6.3.2 聯(lián)動式儲能箱的工作原理 133
6.3.3 聯(lián)動式儲能箱用支撐裝置 134
6.3.4 聯(lián)動式儲能箱的優(yōu)點分析 136
6.4 渦簧標(biāo)準(zhǔn)化模塊封裝技術(shù) 137
6.5 渦簧模塊推拉式裝配技術(shù) 138
6.6 聯(lián)動儲能箱組安裝調(diào)試技術(shù) 139
參考文獻 141
第 7 章 永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 142
7.1 引言 142
7.2 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型 142
7.2.1 永磁同步電機結(jié)構(gòu) 142
7.2.2 建模假設(shè) 143
7.2.3 靜止 ABC 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 143
7.2.4 靜止 αβ 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 145
7.2.5 旋轉(zhuǎn) dq0 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 146
7.3 雙 PWM 變頻器模型 147
7.3.1 雙 PWM 變頻器結(jié)構(gòu)及工作原理 147
7.3.2 SVPWM 控制技術(shù) 148
參考文獻 153
第 8 章 永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)儲能運行控制技術(shù) 154
8.1 引言 154
8.2 控制問題的形成 154
8.2.1 永磁同步電動機控制技術(shù)分析 154
8.2.2 機械彈性儲能用永磁同步電動機控制問題提出 155
8.3 負載慣量、扭矩同時變化情形下永磁同步電動機低速運行控制 156
8.3.1 儲能箱轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)矩同時辨識 156
8.3.2 非線性反推控制器設(shè)計 157
8.3.3 穩(wěn)定性證明及分析 161
8.3.4 控制參數(shù)優(yōu)化 162
8.3.5 仿真實驗與分析 164
8.4 負載慣量、扭矩同時變化情形下系統(tǒng)反推 DTC 控制 167
8.4.1 反推控制器設(shè)計 167
8.4.2 控制參數(shù)優(yōu)化 170
8.4.3 仿真實驗與分析 171
參考文獻 174
第 9 章 永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)發(fā)電運行控制技術(shù) 176
9.1 引言 176
9.2 控制問題的形成 176
9.2.1 永磁同步發(fā)電機控制技術(shù)分析 176
9.2.2 機械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機控制問題提出 177
9.3 動力源慣量、輸出扭矩同時變化時永磁同步發(fā)電機運行控制 178
9.3.1 動力源轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩同時變化的數(shù)學(xué)描述 178
9.3.2 電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定的數(shù)學(xué)表達 179
9.3.3 高增益干擾觀測器設(shè)計 180
9.3.4 L2 魯棒反推控制器設(shè)計 181
9.3.5 穩(wěn)定性分析與證明 183
9.3.6 仿真實驗與分析 185
9.4 動力源慣量、輸出扭矩同時變化時系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)速及并網(wǎng)控制 186
9.4.1 自適應(yīng)調(diào)速控制算法 186
9.4.2 并網(wǎng)控制算法 190
9.4.3 仿真實驗與分析 192
參考文獻 195
第 10 章 永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)振動抑制及振動與效率同時優(yōu)化控制 196
10.1 引言 196
10.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 196
10.2.1 柔性負載振動抑制研究現(xiàn)狀 196
10.2.2 PMSM 驅(qū)動系統(tǒng)效率優(yōu)化控制方法現(xiàn)狀 197
10.3 系統(tǒng)運行振動抑制 198
10.3.1 基于反推原理的機組儲能運行振動抑制控制器設(shè)計 198
10.3.2 基于最小二乘法的渦簧振動模態(tài)估計 205
10.3.3 反推控制器穩(wěn)定性證明 206
10.3.4 實驗驗證及分析 206
10.4 系統(tǒng)運行振動與效率同時優(yōu)化控制 211
10.4.1 基于損耗模型的機組統(tǒng)一控制反推控制器設(shè)計 211
10.4.2 基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的鐵耗電阻辨識 216
10.4.3 控制器穩(wěn)定性證明 219
10.4.4 實驗驗證及分析 219
參考文獻 224
第 11 章 永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)新型閉環(huán) I/f控制及振動與轉(zhuǎn)矩脈動同時優(yōu)化控制 225
11.1 引言 225
11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 226
11.3 系統(tǒng)新型閉環(huán) I/f控制 228
11.3.1 I/f控制的可行性分析 228
11.3.2 對傳統(tǒng) I/f控制的改進策略 230
11.3.3 仿真實驗分析 233
11.4 系統(tǒng)運行振動與轉(zhuǎn)矩脈動同時優(yōu)化控制 237
11.4.1 機械彈性儲能機組控制性能提升的必要性分析 237
11.4.2 考慮轉(zhuǎn)矩脈動的 PMSM 電磁轉(zhuǎn)矩模型 238
11.4.3 考慮渦簧振動及電機轉(zhuǎn)矩脈動的閉環(huán) I/f 控制策略優(yōu)化 240
11.4.4 仿真及實驗驗證 243
參考文獻 248
第 12 章 永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)邏輯保護與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 251
12.1 引言 251
12.2 邏輯保護和監(jiān)控系統(tǒng)功能要求和設(shè)計原則 252
12.2.1 邏輯保護系統(tǒng)功能要求和設(shè)計原則 252
12.2.2 監(jiān)測控制系統(tǒng)功能要求和設(shè)計原則 253
12.3 機械彈性儲能機組邏輯保護系統(tǒng)設(shè)計 254
12.3.1 部件使能邏輯保護 254
12.3.2 運行動作邏輯保護 255
12.3.3 運行狀態(tài)顯示保護 256
12.4 機械彈性儲能機組監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計 258
12.4.1 監(jiān)控系統(tǒng)控制面版 259
12.4.2 監(jiān)控系統(tǒng)運行程序 262
12.4.3 監(jiān)控系統(tǒng)故障保護 276
參考文獻 277
第 13 章 10kW 永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)技術(shù)集成及運行實驗 278
13.1 引言 278
13.2 10kW 機械彈性儲能實驗性樣機技術(shù)集成 278
13.2.1 實驗性樣機總體技術(shù)方案 278
13.2.2 實驗性樣機儲能箱組參數(shù)計算 279
13.2.3 實驗性樣機機械傳動及電氣控制裝置配套設(shè)計 281
13.3 10kW 機械彈性儲能實驗性樣機運行實驗及結(jié)果分析 286
13.3.1 實驗性樣機轉(zhuǎn)速恒定運行實驗 286
13.3.2 實驗性樣機功率恒定運行實驗 291
參考文獻 297
第 14 章 機械彈性儲能技術(shù)應(yīng)用探析 298
14.1 引言 298
14.2 機械彈性儲能技術(shù)應(yīng)用于城鐵再生制動能量回收 298
14.2.1 城鐵再生制動能量回收常見方案 298
14.2.2 配備儲能設(shè)備的功率和能量計算 299
14.3 機械彈性儲能技術(shù)應(yīng)用于岸橋集裝箱起重機節(jié)能降耗 300
14.3.1 岸橋起升和下放過程中能量回收常見方案 300
14.3.2 配備儲能設(shè)備的能量和功率計算 300
14.4 風(fēng)力發(fā)電機組渦簧儲能調(diào)速裝置 301
14.5 汽車用機械彈性儲能驅(qū)動技術(shù) 303
14.6 波浪能回收與利用裝置 305
14.7 微電網(wǎng)沖擊負荷功率波動平抑 307
參考文獻 308
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