新型機(jī)械彈性儲能技術(shù)

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(jī)械彈性儲能技術(shù)概述 9
1.3.1　機(jī)械彈性儲能技術(shù)的提出 9
1.3.2　機(jī)械彈性儲能技術(shù)優(yōu)勢分析 10
1.3.3　機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式 11
參考文獻(xiàn) 12

第 2 章　機(jī)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(jī)械彈性儲能關(guān)鍵技術(shù)分析 14
2.3　機(jī)械彈性儲能技術(shù)的可行性 15
2.4　機(jī)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(jī)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(jī)械彈性儲能與其他儲能技術(shù)的特性比較 28
參考文獻(xiàn) 33

第 3 章　機(jī)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(xiàn) 71

第 4 章　機(jī)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(qiáng)度分析 93
4.5.2　渦簧外端連接強(qiáng)度分析 98
參考文獻(xiàn) 103

第 5 章　機(jī)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(shí)現(xiàn) 118
5.4　基于微分進(jìn)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(xiàn) 130

第 6 章　機(jī)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(diǎn)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(xiàn) 141

第 7 章　永磁電機(jī)式機(jī)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(jī)的數(shù)學(xué)模型 142
7.2.1　永磁同步電機(jī)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(xiàn) 153

第 8 章　永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)儲能運(yùn)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(jī)控制技術(shù)分析 154
8.2.2　機(jī)械彈性儲能用永磁同步電動機(jī)控制問題提出 155
8.3　負(fù)載慣量、扭矩同時變化情形下永磁同步電動機(jī)低速運(yùn)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(shí)驗(yàn)與分析 164
8.4　負(fù)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(shí)驗(yàn)與分析 171
參考文獻(xiàn) 174

第 9 章　永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)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(jī)控制技術(shù)分析 176
9.2.2　機(jī)械彈性儲能用永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定的數(shù)學(xué)表達(dá) 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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與分析 192
參考文獻(xiàn) 195

第 10 章　永磁電機(jī)式機(jī)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(fù)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(yùn)行振動抑制 198
10.3.1　基于反推原理的機(jī)組儲能運(yùn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析 206
10.4　系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析 219
參考文獻(xiàn) 224

第 11 章　永磁電機(jī)式機(jī)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(jìn)策略 230
11.3.3　仿真實(shí)驗(yàn)分析 233
11.4　系統(tǒng)運(yùn)行振動與轉(zhuǎn)矩脈動同時優(yōu)化控制 237
11.4.1　機(jī)械彈性儲能機(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 243
參考文獻(xiàn) 248

第 12 章　永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)邏輯保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計　 251
12.1　引言 251
12.2　邏輯保護(hù)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(hù)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(jī)械彈性儲能機(jī)組邏輯保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計 254
12.3.1　部件使能邏輯保護(hù) 254
12.3.2　運(yùn)行動作邏輯保護(hù) 255
12.3.3　運(yùn)行狀態(tài)顯示保護(hù) 256
12.4　機(jī)械彈性儲能機(jī)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(yùn)行程序 262
12.4.3　監(jiān)控系統(tǒng)故障保護(hù) 276
參考文獻(xiàn) 277

第 13 章　10kW 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)技術(shù)集成及運(yùn)行實(shí)驗(yàn)　 278
13.1　引言 278
13.2　10kW 機(jī)械彈性儲能實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)技術(shù)集成 278
13.2.1　實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)總體技術(shù)方案 278
13.2.2　實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)儲能箱組參數(shù)計算 279
13.2.3　實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)機(jī)械傳動及電氣控制裝置配套設(shè)計 281
13.3　10kW 機(jī)械彈性儲能實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 286
13.3.1　實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)行實(shí)驗(yàn) 286
13.3.2　實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)功率恒定運(yùn)行實(shí)驗(yàn) 291
參考文獻(xiàn) 297

第 14 章　機(jī)械彈性儲能技術(shù)應(yīng)用探析　 298
14.1　引言 298
14.2　機(jī)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(jī)械彈性儲能技術(shù)應(yīng)用于岸橋集裝箱起重機(jī)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(jī)組渦簧儲能調(diào)速裝置 301
14.5　汽車用機(jī)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(fù)荷功率波動平抑 307
參考文獻(xiàn) 308