フライホイールエネルギー貯蔵システムの設計と実験的研究

中国エネルギー貯蔵ネットワークニュース：清華大学および清華大学の電気工学科の研究者であるChen Daixingjian、Jiang Xinxin、Wangqiunan、Wangyong、Wangshanming、およびLi Guoxianは、2017年のJournal of ElectricalTechnologyの第21号に書き込みました。 1MW / 60MJフライホイールエネルギー貯蔵システムは、掘削リグハイブリッドドライブシステム用に開発されました。軸系の動的バランス、充電と放電、損失と効率に関する実験的研究が行われた。

高張力合金鋼の可変断面フライホイールは、運動エネルギーを蓄えるために使用されます。フライホイールモーターシャフトは垂直支持構造です。組み立てられた重い永久磁石リングベアリングは、車軸重量の97％を支えます。永久磁石モーターのローターは、磁性鋼を埋め込んだドイツ型シリコン鋼を採用し、高速で安全な運転を実現しています。

大容量パワーエレクトロニクス変換とモーター制御技術に基づいて、100-300kWの充電と500-1000kWの放電のための制御回路のハードウェアとソフトウェアが開発されました。充電の過程で、弱い磁気、速度、電流の二重閉ループ制御戦略が採用されました。放電プロセスでは、電圧閉ループおよび電流フィードフォワード制御戦略が使用されます。ダイナミックバランス後、フライホイールエネルギー貯蔵ユニットの振動は0.07mm以内に減少します。フライホイールエネルギー貯蔵電源の充放電効率は86％〜88％に達します。

フライホイールエネルギー貯蔵の基本原理は、回転体の電気エネルギーと運動エネルギーの間の変換です。エネルギー貯蔵段階では、フライホイールはモーターによって加速され、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。エネルギー放出段階では、モーターは発電機として動作し、フライホイールモーターは減速し、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換して出力します。

最新のフライホイールエネルギー貯蔵システムは、高度な複合ローターテクノロジー、磁気ベアリングテクノロジー、高速モーター、パワーエレクトロニクステクノロジーを統合して、パフォーマンスを大幅に向上させます。 2000年頃、最新のフライホイールエネルギー貯蔵製品は、無停電電源装置、電力品質管理、および電力網FMに宣伝され始めました。開発中のフライホイール貯蔵エネルギーアプリケーションには、風力発電と太陽光発電が含まれます。近年、中国はフライホイールエネルギー貯蔵の主要技術の研究開発に飛躍的な進歩を遂げました。

石油掘削リグは、掘削建設の主要な設備です。その動力は通常、ディーゼルまたは天然ガスエンジンユニットによって供給されます。パワーユニットの出力特性は、リグ負荷の頻繁で大きな変動に適応するのに十分な柔軟性がなく、パワーシステムはより多くの電力冗長能力を備えています。

ピーク調整モーターとフライホイールエネルギー貯蔵装置が掘削電力システムに導入され、ピーク調整操作を実現します。低負荷では、パワーユニットの冗長電力を使用してピーク調整モーターを駆動し、発電してフライホイールエネルギー貯蔵システムを充電します。ピーク負荷が発生すると、フライホイールエネルギー貯蔵システムが放電し、ピーク調整モーターを駆動して電気動作を行い、電力システムに電力を急速に放出して負荷のバランスを取ります。ピーク時に稼働するパワーユニットはスムーズに稼働し、冗長容量を削減できるため、省エネや排出量の削減につながります。

リグハイブリッド送電システムによって提案されたエネルギー貯蔵ユニットの技術的指標は、100〜300 kWの充電電力、500〜1000 kWの発電電力、42 MJの使用可能エネルギー、および3〜5分の頻繁な充電および放電サイクルです。 。調査によると、メーカーは成熟した製品を提供できません。この目的のために、1MW / 60MJフライホイールエネルギー貯蔵システムが開発され、軸方向の動的バランス、充電と放電、損失と効率に関する実験的研究が実施されました。

結論

有限要素強度解析法を使用して、可変断面大型合金鋼フライホイールと埋め込み磁石鋼永久磁石モーターローターの格子構造をモデル化して最適化します。最適化された設計後、組み立てられた永久磁気軸受の軸受容量は50 kNに達します。これは、フライホイールモーターシャフトシステムの重量に相当します。

大容量パワーエレクトロニクス変換とモーターベクトル制御技術に基づいて、小電力充電と高電力発電のための制御回路ハードウェアとソフトウェアが開発されています。弱磁気、電流フィードフォワード、電圧閉ループ、速度閉ループの組み合わせ制御戦略が採用されています。フライホイールエネルギー貯蔵ユニットの振動は、マニューババランス後の高回転領域で0.02 mm以内に低減され、全速度範囲がスムーズに動作することが実現されました。

モーターの機械的損失と鉄損の理論的分析は、実験結果と一致しています。システムの待機損失は18kWであり、これは発電の最大電力の2％です。フライホイールエネルギー貯蔵システムの充電および放電サイクル効率は86％-88％です。実験結果は、フライホイールエネルギー貯蔵が高出力で高効率のエネルギー貯蔵技術であることを示しています。

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