中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：清華大學(xué)工程物理系、清華大學(xué)電機(jī)系的研究人員戴興建、姜新建、王秋楠、汪勇、王善銘，在2017年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，為鉆機(jī)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研制了1套1MW/60MJ飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，開展了軸系動(dòng)平衡、充放電、損耗和效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。

　　采用高強(qiáng)度合金鋼變截面飛輪存儲(chǔ)動(dòng)能，飛輪電機(jī)軸系為立式支撐結(jié)構(gòu)，重型拼裝永磁環(huán)軸承承擔(dān)了97%的軸系重量。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子采用格柵結(jié)構(gòu)硅鋼內(nèi)嵌磁鋼，以實(shí)現(xiàn)較高速度安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　基于大容量功率電子變換和電機(jī)控制技術(shù),開發(fā)了100-300kW充電、500-1000kW放電的控制電路硬件和軟件，充電過(guò)程中采用了弱磁、轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制策略,放電過(guò)程中采用電壓閉環(huán)和電流前饋控制策略。動(dòng)平衡后飛輪儲(chǔ)能機(jī)組振動(dòng)減少為0.07mm以內(nèi)。飛輪儲(chǔ)能電源充放電循環(huán)效率達(dá)到86%-88%。

　　飛輪儲(chǔ)能的基本原理是電能與旋轉(zhuǎn)體動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換:在儲(chǔ)能階段，通過(guò)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪加速，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；在能量釋放階段，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，飛輪電機(jī)減速，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并輸出。

　　現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)集成了先進(jìn)復(fù)合材料轉(zhuǎn)子技術(shù)、磁軸承技術(shù)、高速電機(jī)以及功率電子技術(shù)而極大地提高了性能。在2000年前后，現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品開始推廣于不間斷電源供電、電能質(zhì)量管理、電網(wǎng)調(diào)頻。正在發(fā)展的飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用有風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)中取得了突破，正處于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用拓展期。

　　石油鉆機(jī)是鉆井施工的主要裝備，其動(dòng)力通常由柴油機(jī)組或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)組提供，動(dòng)力機(jī)組的輸出特性柔性不足，難以適應(yīng)鉆機(jī)負(fù)載的頻繁大幅度波動(dòng)，動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行功率冗余容量偏多。

　　在鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中引進(jìn)調(diào)峰電機(jī)和飛輪儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)動(dòng)力調(diào)峰運(yùn)行；在低負(fù)荷時(shí)利用動(dòng)力機(jī)組的冗余出力帶動(dòng)調(diào)峰電機(jī)發(fā)電，給飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；在尖峰負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，驅(qū)動(dòng)調(diào)峰電機(jī)做電動(dòng)運(yùn)行，快速向動(dòng)力系統(tǒng)釋放功率以平衡負(fù)荷。調(diào)峰運(yùn)行的動(dòng)力機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，并可減少冗余容量，有利于節(jié)能減排。

　　鉆機(jī)混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)提出的儲(chǔ)能單元技術(shù)指標(biāo)為：充電功率100-300kW，發(fā)電功率500-1000kW，可用能量42MJ，頻繁充放電周期為3-5min。調(diào)研表明尚無(wú)廠家可以提供成熟的產(chǎn)品，為此研制了1套1MW/60MJ飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，開展了軸系動(dòng)平衡、充放電、損耗和效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。

　　結(jié)論

　　利用有限元強(qiáng)度分析方法，建模并優(yōu)化設(shè)計(jì)變截面大型合金鋼飛輪和內(nèi)嵌磁鋼永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的格柵結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)拼裝永磁軸承的承載力達(dá)到50kN，與飛輪電機(jī)軸系的重量相當(dāng)。

　　基于大容量功率電子變換和電機(jī)矢量控制技術(shù)，研制了較小功率充電、大功率發(fā)電的控制電路硬件和軟件，采用弱磁、電流前饋、電壓閉環(huán)和速度閉環(huán)復(fù)合控制策略。本機(jī)動(dòng)平衡后飛輪儲(chǔ)能機(jī)組振動(dòng)在高轉(zhuǎn)速區(qū)減少到0.02mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。

　　機(jī)械損耗和電機(jī)鐵損理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，系統(tǒng)待機(jī)損耗18kW，為發(fā)電最大功率的2%。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電循環(huán)效率為86%-88%。實(shí)驗(yàn)證明飛輪儲(chǔ)能是一種大功率、高效率的儲(chǔ)能技術(shù)。