朱敬花，邵珠楓，莊 燕

（1九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程系，江蘇 徐州 221116；2中國(guó)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(huì)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到能源環(huán)境的重要性，新能源的進(jìn)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(chǔ)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(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究與需求分析，研究人員提出一種基于機(jī)械彈性的新型儲(chǔ)能方式，并對(duì)永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組和聯(lián)動(dòng)性儲(chǔ)存箱組成的基本原理進(jìn)行敘述，以及對(duì)其可行性與其價(jià)值進(jìn)行探討與研究。目前來看，眾多場(chǎng)合已經(jīng)在研究以及應(yīng)用不同種類的儲(chǔ)能方式，但是不同種類的儲(chǔ)能方式都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)以及所適用的場(chǎng)合，所以現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)還不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的實(shí)際需求。因此，國(guó)家開始根據(jù)戰(zhàn)略性策略對(duì)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(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)。研究人員在研發(fā)先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)，受到機(jī)械渦簧彈性儲(chǔ)能的原理啟發(fā)，研發(fā)出了一種在機(jī)械彈性基礎(chǔ)上的電能儲(chǔ)存技術(shù)，簡(jiǎn)稱MEES，該儲(chǔ)能技術(shù)屬物理儲(chǔ)能的一種。此外，本文還以永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)其儲(chǔ)能運(yùn)行的控制策略展開研究。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的研究情況

1.1 抽水儲(chǔ)能

當(dāng)前使用最為頻繁的儲(chǔ)能技術(shù)為抽水儲(chǔ)能技術(shù)，國(guó)際上1960 年以來是使用抽水儲(chǔ)能技術(shù)的高峰期。至今為止，世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量的50%以上都為部分發(fā)達(dá)國(guó)家的抽水儲(chǔ)能機(jī)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(kù)，將上游的水庫(kù)稱為上池，下游稱為下池。當(dāng)電量處于負(fù)荷低峰狀態(tài)時(shí)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(shì)能進(jìn)行儲(chǔ)存起來；當(dāng)電量處于負(fù)荷高峰狀態(tài)時(shí)，上池的水可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)重新流回下池，進(jìn)而完成發(fā)電。

1.2 壓縮空氣儲(chǔ)能

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

1.3 利用電池進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存

蓄電池儲(chǔ)能是利用電池的正負(fù)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(jià)格便宜等特點(diǎn)，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(chǔ)能技術(shù)。此外還有鎳鉻電池儲(chǔ)能技術(shù)，其效率高，循環(huán)壽命比普通的電池會(huì)長(zhǎng)得多，但是回收鎳鉻電池會(huì)對(duì)大自然造成嚴(yán)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(jī)式機(jī)組的組成與操作機(jī)理

2.1 永磁電機(jī)式機(jī)組的組成

永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組是由聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱、制動(dòng)器以及永磁電機(jī)等十幾個(gè)甚至更多的部件共同組成的，并且通過同一個(gè)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)多種機(jī)組單元進(jìn)行儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)大范圍的電能儲(chǔ)存與發(fā)電功能。

2.2 永磁電機(jī)式機(jī)組的工作原理

永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組的工作位置主要處于發(fā)電機(jī)與發(fā)電機(jī)等同一永磁電機(jī)，在本機(jī)用作能量轉(zhuǎn)換之部件。當(dāng)永磁電機(jī)需要對(duì)其施加負(fù)載或者啟動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能箱中的彈簧會(huì)被壓縮并向外擴(kuò)張，從而使儲(chǔ)能箱中的儲(chǔ)能渦簧能產(chǎn)生一個(gè)較大的張力。其主要原理為：儲(chǔ)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(jī)運(yùn)行過程中為變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電網(wǎng)內(nèi)電能可帶動(dòng)永磁電機(jī)工作，永磁電機(jī)利用齒輪變速箱旋緊儲(chǔ)能箱內(nèi)渦簧，然后渦簧利用彈性勢(shì)能存儲(chǔ)能量，從而完成電能向彈性勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。更進(jìn)一步地，當(dāng)儲(chǔ)能箱中儲(chǔ)能渦簧被制動(dòng)控制時(shí)始終保持緊鎖狀態(tài)直至接收到釋放信號(hào)時(shí)永磁電動(dòng)機(jī)才會(huì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)。

3 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組蓄能運(yùn)行的關(guān)鍵性技術(shù)

永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組是一種機(jī)電一體化裝備，與機(jī)械、電機(jī)、自動(dòng)控制、電力電子等多方面有關(guān)，主要設(shè)計(jì)核心是儲(chǔ)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(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)的材料必須要具備儲(chǔ)存量大、成本低、高強(qiáng)度以及低密度等特點(diǎn)，其中彈簧鋼類比較適合作為機(jī)械彈性儲(chǔ)能的材料。所以，在永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組的研究與運(yùn)行階段會(huì)選擇低成本、容易獲得的彈簧鋼作為儲(chǔ)能的材料。

3.2 儲(chǔ)能箱

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

3.3 發(fā)電電機(jī)

從目前形勢(shì)來看，風(fēng)力發(fā)電額定功率已達(dá)到兆瓦級(jí)別，其相關(guān)技術(shù)也趨于成熟，然而由于使用的場(chǎng)合不同，其技術(shù)應(yīng)用的范圍也被逐漸擴(kuò)大，同時(shí)兆瓦級(jí)永磁同步牽引電機(jī)也在研發(fā)當(dāng)中。但是，機(jī)械彈性儲(chǔ)能與其并不相同，機(jī)械彈性儲(chǔ)能是以渦簧彈性能為動(dòng)力，需要與永磁電機(jī)相匹配。

4 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組儲(chǔ)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(chǔ)能材料進(jìn)行儲(chǔ)能時(shí)會(huì)受到彈性形變，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到彈性勢(shì)能的轉(zhuǎn)變，當(dāng)釋放能量時(shí)又會(huì)將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。要將渦簧材料作為永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組的主要材料，既要研究渦簧材料性能又要觀測(cè)其構(gòu)效關(guān)系進(jìn)而得到儲(chǔ)能和發(fā)電時(shí)彈性渦簧性能。進(jìn)一步對(duì)聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)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(dòng)式儲(chǔ)能箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

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

4.4 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組儲(chǔ)能應(yīng)用策略與實(shí)踐方式

永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組內(nèi)部通過電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化來保持核心處于各種工況，而聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱的特性則為實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)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(yùn)行。

4.5 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組中的低電壓穿越技術(shù)

低電壓的穿越技術(shù)是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或者是網(wǎng)點(diǎn)電壓被擾亂時(shí)，在電網(wǎng)的范圍內(nèi)，永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)行不斷網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行能力。因此要不斷對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行改革創(chuàng)新，保證永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組可以正常地進(jìn)行工作。

綜上所述，本文通過對(duì)永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組儲(chǔ)能運(yùn)行控制策略的研究，充分了解了渦簧材料與運(yùn)行技術(shù)、聯(lián)動(dòng)儲(chǔ)能箱以及發(fā)電電機(jī)等，證明了永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組是一種具有研究與發(fā)展前景的儲(chǔ)能方式，可以推動(dòng)我國(guó)大規(guī)模電能儲(chǔ)存技術(shù)的進(jìn)步。