中國儲能網(wǎng)訊：清華大學(xué)工程物理系、清華大學(xué)電機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》上撰文，為鉆機混合動力傳動系統(tǒng)研制了1套1MW/60 MJ飛輪儲能系統(tǒng)，開展了軸系動平衡、充放電、損耗和效率測試實驗研究。
采用高強度合金鋼變截面飛輪存儲動能，飛輪電機軸系為立式支撐結(jié)構(gòu)，重型拼裝永磁環(huán)軸承承擔(dān)了97%的軸系重量。永磁電機轉(zhuǎn)子采用格柵結(jié)構(gòu)硅鋼內(nèi)嵌磁鋼，以實現(xiàn)較高速度安全運轉(zhuǎn)。
基于大容量功率電子變換和電機控制技術(shù),開發(fā)了100-300kW充電、500-1000 kW放電的控制電路硬件和軟件，充電過程中采用了弱磁、轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制策略,放電過程中采用電壓閉環(huán)和電流前饋控制策略。動平衡后飛輪儲能機組振動減少為0.07 mm以內(nèi)。飛輪儲能電源充放電循環(huán)效率達到86%-88%。
飛輪儲能的基本原理是電能與旋轉(zhuǎn)體動能之間的轉(zhuǎn)換: 在儲能階段，通過電動機拖動飛輪加速，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；在能量釋放階段，電動機作發(fā)電機運行，飛輪電機減速，將機械能轉(zhuǎn)換為電能并輸出。
現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)集成了先進復(fù)合材料轉(zhuǎn)子技術(shù)、磁軸承技術(shù)、高速電機以及功率電子技術(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)展的飛輪儲能應(yīng)用有風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電。國內(nèi)近年來在飛輪儲能關(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。
石油鉆機是鉆井施工的主要裝備，其動力通常由柴油機組或天然氣發(fā)動機組提供，動力機組的輸出特性柔性不足，難以適應(yīng)鉆機負(fù)載的頻繁大幅度波動，動力系統(tǒng)運行功率冗余容量偏多。
在鉆機動力系統(tǒng)中引進調(diào)峰電機和飛輪儲能裝置實現(xiàn)動力調(diào)峰運行；在低負(fù)荷時利用動力機組的冗余出力帶動調(diào)峰電機發(fā)電，給飛輪儲能系統(tǒng)充電；在尖峰負(fù)荷出現(xiàn)時，飛輪儲能系統(tǒng)放電，驅(qū)動調(diào)峰電機做電動運行，快速向動力系統(tǒng)釋放功率以平衡負(fù)荷。調(diào)峰運行的動力機組運行平穩(wěn)，并可減少冗余容量，有利于節(jié)能減排。
鉆機混合動力傳動系統(tǒng)提出的儲能單元技術(shù)指標(biāo)為：充電功率100-300kW，發(fā)電功率500-1000 kW，可用能量42 MJ，頻繁充放電周期為3-5 min。調(diào)研表明尚無廠家可以提供成熟的產(chǎn)品，為此研制了1套1MW/60MJ飛輪儲能系統(tǒng)，開展了軸系動平衡、充放電、損耗和效率測試實驗研究。
圖1 飛輪電機軸系
結(jié)論
利用有限元強度分析方法，建模并優(yōu)化設(shè)計變截面大型合金鋼飛輪和內(nèi)嵌磁鋼永磁電機轉(zhuǎn)子的格柵結(jié)構(gòu)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計拼裝永磁軸承的承載力達到50 kN，與飛輪電機軸系的重量相當(dāng)。
基于大容量功率電子變換和電機矢量控制技術(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。本機動平衡后飛輪儲能機組振動在高轉(zhuǎn)速區(qū)減少到0. 02mm以內(nèi)，實現(xiàn)了全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)運行。
機械損耗和電機鐵損理論分析與實驗結(jié)果一致，系統(tǒng)待機損耗18kW，為發(fā)電最大功率的2%。飛輪儲能系統(tǒng)充、放電循環(huán)效率為86%-88%。實驗證明飛輪儲能是一種大功率、高效率的儲能技術(shù)。
