Elastic energy storage technology using spiral spring devices and its applications:A review

Harvesting and storing energy is a key problem in some applications.Elastic energy storage technology has the advantages of wide-sources,simple structural principle,renewability,high effectiveness and environmental-friendliness.This paper elaborates the operational principles and technical properties and summarizes the appli-cability of elastic energy storage technology with spiral springs.Elastic energy storage using spiral spring can realize the balance between energy supply and demand in some applications.Continuous input-spontaneous out-put working style can provide simple energy sources for short-time energy supply,and provide strong moment impact and rapid start,or realize the energy conservation for reciprocating movement.Uniform output working style can realize energy output with uniform speed for timekeeping and load-driving.Random input working style can harvest and store random mechanical energy or convert small torque into a large moment to drive external loads.Finally,this paper proposes new researches and developments of elastic energy storage technology on new materials and structures,mechanical properties and structural dynamics analyses,design and control for new functions.

机械弹性储能用永磁同步电机多源谐波提取及统一抑制

针对柔性涡簧振动和电力电子装置等引起机械弹性储能(MEES)系统机械侧谐波难以准确建模、多源谐波无法整体表征及统一抑制的问题,该文提出MEES用永磁同步电机多源谐波提取及统一抑制方法。首先,建立MEES系统数学模型,利用电机转速谐波对多源谐波进行整体表征;然后,提出融合奇异值差分的矩阵束算法,利用其对含噪实测转速数据进行处理以获取包含不同频率成分的多源谐波信息;最后,设计定子电流矢量定向下基于反推控制的多源谐波统一抑制算法,完成对不同频率成分谐波的同时抑制。仿真和实验结果表明,利用融合奇异值差分的矩阵束算法能快速、准确地识别转速信号中的多源谐波成分,统一抑制算法有效降低了多源谐波导致的电磁转矩脉动,改善了系统运行性能。

永磁电机式机械弹性储能机组及其关键技术初探

随着新能源的发展,电力系统面临着间歇性电源占比持续扩大、调峰手段有限等诸多挑战,而电能存储技术是消纳规模化间歇性电源和促进智能电网建设的核心技术之一。在对储能技术研究现状和需求进行分析的基础上,提出了一种新的基于机械弹性的储能方法,论述了永磁电机式机械弹性储能机组和联动式储能箱的构成与工作原理,对其可行性与工程价值进行了初步分析,探讨了该储能方式需要解决的关键技术问题。

基于参数辨识及L2增益的PMSG反步控制策略研究

针对永磁电机式机械弹性储能机组动力源扭矩和转动惯量同时变化特性,提出了一种基于辨识算法及L_2增益的反步控制策略。通过带遗忘因子的最小二乘算法同时辨识实时变化的转动惯量和输入转矩,根据辨识结果,考虑辨识误差以及发电机参数变化带来的不确定特点,结合反步控制和L_2增益干扰抑制方法设计非线性反步控制器,保证永磁同步发电机的转速和输出电流能够以给定参考值运行。仿真结果表明:该控制策略能够较好地实现永磁同步发电机输出值对目标值的快速跟踪,且具有一定的抗干扰能力。

基于增量反推控制的机械弹性储能用永磁同步电机控制方法

针对机械弹性储能系统多变量、强耦合和负载特性时变的特点,设计了机械弹性储能系统用永磁同步电机(PMSM)增量反推控制方法。在建立实际模型参数的机械弹性储能系统数学模型的基础上,推导设计了永磁同步电机速度增量反推控制器和电流增量反推控制器,分析了模型参数的鲁棒性,并从控制性能角度确定了控制参数。基于常规反推控制算法,增量反推控制将部分模型信息隐式表达,降低了对于系统模型参数的依赖性,提高了算法的鲁棒性和稳定性。仿真结果表明,与常规反推控制相比,增量反推控制下永磁同步电机可更加准确快速地跟踪指令,在参考转速突变时,转速及电流的稳定性及动态性能更好,且在系统参数发生变化的情况下,转速跟踪误差始终平稳地保持于零值,证明了该控制方法具有更强的鲁棒性。

基于涡簧的机械弹性储能技术及储能密度的提高方法

阐述了一种以涡簧为基本储能元件的机械弹性储能技术,提出了提高这种技术的储能密度的方法.对这种储能技术的基本工作原理做了详尽的论述,分析了涡簧在工作过程中的特点,描述了基本储能元件涡簧的储能和释能过程.根据这种储能技术的储能特点,论述了提高涡簧储能密度的方法.通过计算结果的对比,展示了使用这种方法前后储能元件储能密度的不同,并做了有限元分析,证明了这种方法的可行性.

永磁电机式机械弹性储能机组储能运行控制策略研究

基于团队先前提出的以涡卷弹簧作为储能元件的机械弹性储能机组技术,简述了以永磁电机为储能电机的机组基本组成与工作原理,建立了永磁电机式机械弹性储能机组(mechanical elastic energy storage,MEES)各模块数学模型,提出了机组储能过程的恒转速控制策略。利用Matlab/Simulink构建的机组全仿真模型,对机组储能过程的恒转速控制进行了仿真。仿真结果证明了所搭建模型和控制策略的正确性与有效性。

基于三轴加卸载试验的花岗岩弹性模量变异与能量演化分析

为了研究岩体的变形特征和能量特征与其所处应力状态之间的关系,开展了5种围压下花岗岩的三轴循环加卸载试验.基于应力-应变曲线,计算了循环加卸载过程中花岗岩的弹性模量和能量密度,分析了应力状态对弹性模量及能量演化规律的影响.研究结果表明:轴向弹性模量随围压的增大而增大,随轴向应力的增大先增大后减小.轴向弹性模量与最大、最小主应力呈现良好的二次函数关系.随着围压的增大,能量密度与弹性能占比(弹性能与输入总能量之比)均显著增大,岩石储能能力提高;随着轴向应力增大,弹性能占比先增大后减小.弹性能占比减小阶段即岩石损伤加剧阶段,围压的增加延长了岩石的损伤演化过程.最后讨论了应力状态、岩石力学参数及能量状态的关联性.

两种汽车制动能量回收方式应用于通风的研究

当前存在多种制动能量回收方式,研究这些制动能量回收方式在不同用途上的效益对节能环保有着重大意义,为对比研究蓄电式和涡簧储能式这两种制动能量回收方式应用于汽车通风领域的效益,研制了能直观对比两种方式效益的装置。分别建立装置以两种方式回收能量的数学模型并对其进行Simulink仿真,得到不同涡簧参数和飞轮初速度对回收效率的影响效果,为今后此类制动装置的选择提供参考,并据此对比分析仿真结果,对涡卷弹簧进行选型,得到理论机械能回收效率,对实验装置进行测试,得到实际机械能回收效率,与理论量进行对比,结果表明涡簧式较蓄电池式在应用于通风领域中能更高效率地回收制动能量,具有更大推广价值。

基于自适应反推控制的无传感器PMSG闭环I/f控制

针对机械弹性储能系统动力源扭矩变化特性,提出一种无传感器永磁同步发电机(PMSG)闭环I/f反推自适应控制策略。建立机械弹性储能系统的数学模型和定子电流矢量定向下的PMSG数学模型,在分析PMSG开环I/f控制不足的基础上,提出基于自适应反推控制的I/f闭环控制方法,通过转速和电流闭环使定子电流定向的dq轴和以电机转子定向的dq轴之间的转角恒定。仿真结果表明,能够抑制转速波动,I/f控制的"转角-自平衡"特性使系统无须加装速度传感器,能够防止启动阶段过流,构建的定子电阻和电感自适应律可以准确辨识PMSG定子电阻和电感,提高了控制的鲁棒性。

煤的冲击倾向性研究进展及冲击地压“人-煤-环”三要素机理

煤的冲击倾向性是冲击地压机理的基础研究问题之一,也是目前评估和预测煤矿冲击地压危险程度的主要依据之一。系统梳理了煤的冲击倾向性专业术语和冲击倾向性指数的研究历史,提出了煤的冲击倾向性直接指数和间接指数的概念和定义。对现有的16种冲击倾向性指数的出处、定义、表征符号、计算公式、试验过程、分类标准等进行了详细介绍。对来自5个煤矿的30个煤样进行了单轴压缩试验,利用试验结果对16种冲击倾向性指数进行了计算,获得了具体的冲击倾向性类别。为了对煤的16种冲击倾向性指数的判别结果进行统一验证,根据煤样破坏过程和破坏状态,提出了基于试验现象的煤样冲击倾向性定性判据及分类标准。通过统一对比,结果表明剩余弹性能指数判别结果和定性判据判别结果完全一致。剩余弹性能指数以煤线性储能规律为基础,从煤样受力全过程中能量输入、储存、消耗、剩余的角度出发,以煤样破坏时剩余的绝对能量值作为判别指标,符合冲击地压发生时释放弹性应变能的本质。剩余弹性能指数属于煤的冲击倾向性直接指数,所得结果实现了和定性判别结果的相互验证和统一,具有科学性与适用性。根据冲击地压属于深部工程地质灾害的特点,借鉴系统工程学思想提出了冲击地压“人-煤-环”三要素机理,进一步明确了煤的冲击倾向性研究所起的作用和地位。从力学性质和材料性质2个方面分析了煤和岩石的本质属性差异,认为冲击地压属于固体可燃有机岩动力破坏,而岩爆属于固体不可燃无机岩动力破坏。最后,提出了煤的冲击倾向性指数研究中存在的6个关键科学问题。

机械弹性储能箱结构及并网控制策略优化

机械弹性储能(MEES)机组核心部件是机械弹性储能箱,提出了单体储能箱模块化-推拉式机械装配技术,基于传统储能箱组"手拉手"机械结构,通过增加单向超越离合器使储能箱之间实现了柔性联动,且具有防反转自锁功能。建立了储能箱额定功率、储能容量配置数学模型,并根据其特殊运行特性曲线,提出一种适用于机组发电过程的永磁同步发电机转速自适应控制算法,同时提出一种网侧变流器反推鲁棒控制算法。实验结果表明,所提方法能有效抑制机组参数扰动,永磁同步发电机能够快速响应、平稳运行,网侧变流器直流侧电压稳定并可以单位功率因数并网运行,发挥机组最大出力,有助于减小机侧变流器容量。

基于反推控制的机械弹性储能永磁同步电机最大转矩电流比控制

与id=0控制相比,同等容量下最大转矩电流比控制可使永磁同步电机输出更大的低速转矩,动态性能也更优,适合于作为机械弹性储能系统驱动控制。提出一种基于反推控制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法,运用极值原理建立最大转矩电流比控制下最小d、q轴电流关系式,利用带遗忘因子的最小二乘算法辨识同时变化的涡簧负载转矩和转动惯量,在此基础上,设计速度反推控制器和电流反推控制器分别取代传统速度PI控制器和电流PI控制器,并从理论上证明了控制算法的稳定性。实验结果表明,最大转矩下该方法比基于反推的id=0控制需要的定子电流更小,而与基于PI的最大转矩电流比控制相比,具有跟踪参考信号迅速、动态性能好、参数调整少的优点。

机械弹性储能参数辨识自适应调速控制

机械弹性储能系统通过永磁同步电机驱动储能箱完成储能过程,储能箱由大型平面涡簧集成封装而成,运行特性复杂,需要一种强鲁棒性控制算法,确保系统安全高效运行。针对此问题,设计带遗忘因子递推最小二乘(FFRLS)参数辨识的自适应反推控制算法并运用于机械弹性储能系统速度跟踪控制中。该方法通过构造特殊的Lyapunov函数,在永磁同步电机矢量控制模型上设计转矩转动惯量自适应反推控制算法,同时针对电机关键参数的变化问题,通过FFRLS参数辨识算法实时观测电机参数并反馈至控制系统,从而构成系统全参数鲁棒控制,保证系统高效储能。仿真和实验结果表明,此控制方法适用于机械弹性储能特殊场合,能有效提高系统性能,对该储能系统进一步推广应用有积极的意义。

机械弹性储能系统位置跟踪控制策略研究

机械弹性储能系统在运行过程中需要精确的位置跟踪控制来确认其储能量,同时储能箱的转矩和转动惯量随着储能过程的进行连续变化,需要控制系统能够迅速调节电机的输出转矩以匹配储能箱在运行过程中逐渐增加的反转矩,同时能有效抑制储能箱转动惯量变化对控制性能的影响,以保证储能系统的效率和安全。本文采用指数遗忘法算法估计储能箱时变参数,结合估计值,设计以转角、转矩、磁链为虚拟控制变量的反推控制器,控制逆变器驱动电机运行。仿真表明,该方法能保证储能系统位置的精确控制和电机输出转矩的快速响应,同时系统参数变化变化对控制性能的影响很小,能量储存过程平稳。

红砂岩张拉破坏过程中的线性储能和耗能规律

为了考察岩石张拉破坏过程中的能耗特性,利用MTS322和MTS Landmark岩石材料试验系统,通过设置不同的卸载水平,对红砂岩分别进行一系列的一次加卸载试验,试验类型包括巴西劈裂试验、点荷载试验和中心直裂纹半圆盘断裂试验。利用图形面积积分法,分别计算不同卸载水平下岩样内部的总输入能、弹性能和耗散能,并对三者随卸载水平增加的规律及其相互之间的关系进行分析。研究结果发现:(1)3种试验条件下,试样在各卸载水平处的总输入能、弹性能和耗散能均随着卸载水平的增高呈非线性增长趋势,满足二次函数关系。(2)各卸载点处的弹性能、耗散能与总输入能之间分别存在线性函数关系,这一函数关系和卸载水平无关。发现了岩石张拉破坏过程中存在的线性储能和耗能规律。岩样达到峰值点处的内部弹性能和耗散能,可以依据该线性函数计算得到。根据得到的线性储能和耗能规律,给出储能系数和耗能系数的定义(分别为试样加载过程中弹性能、耗散能和总输入能的比值)。上述结果为从能量角度对岩石的破坏行为进行研究提供了新思考。

基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据

在考虑岩石加载全过程中能耗特性的基础上,提出一种基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性新判据。选用14种岩石(包括6种花岗岩、2种大理岩、4种砂岩、1种板岩、1种灰岩)进行不同应力水平下的单轴压缩一次加卸载试验,利用图形积分方式获得岩石试样在不同卸载点处的总输入能密度、弹性能密度、耗散能密度值,分别考察弹性能密度、耗散能密度和总输入能密度之间的定量关系,得到弹性能密度和总输入能密度之间的线性函数关系,发现储能系数(不同应力水平下弹性能密度和总输入能密度的比值)为定值的线性储能规律。在此基础上,提出一种计算岩石材料在峰值强度时储存在岩石内部弹性能的方法,改进了峰值能量冲击性指数的计算公式,进而建立一种基于剩余弹性能指数(峰前弹性能密度和峰后破坏能密度的差值)的岩爆倾向性判据。依据岩石试验破坏情况,提出基于定性指标和定量指标的室内岩石材料岩爆等级划分标准。研究结果表明,依据岩爆倾向性新判据所得判别结果和岩石材料实际岩爆倾向性等级比较一致,为从岩石材料全加载过程中能耗特性方面分析岩爆倾向性提供了一种新方法。

机械弹性储能机组储能过程非线性动力学模型与混沌特性

提出了一种新的基于机械弹性的储能方法,推导了永磁电机式机械弹性储能机组的非线性动力学模型,论证了机组储能过程中某些参数及运行条件下会出现混沌运动,分析了机组非线性动力学模型的线性稳定性.在此基础上,基于本实验室正在研发的0.16kWh/0.8kW机械弹性储能机组运行参数,将机组3维非线性模型降阶为带时变参数的2维投影子系统,采用坐标平面投影法研究了机组的混沌特性,分析了降维子系统平衡点位置及特征方程随时变参数的变化关系,并对机组混沌运动进行了数值验证,在一定程度上解决了解析方法,适用性较差导致对多维机电耦联系统只能仿真求解难以理论分析的问题.

基于非线性储能与释放特征的煤冲击倾向性指标

煤的冲击倾向性是煤矿冲击地压灾害发生与否及致灾程度的重要影响因素,冲击倾向性指煤积聚应变能并产生冲击破坏的性质,因此,峰值强度时刻弹性能量积累是冲击倾向性评价的关键。因煤富含结构缺陷,破坏过程和能量演化更加复杂,针对此种煤样峰值强度时刻弹性能量无法准确求得的难题,对标准煤样进行单轴循环加卸载试验,以获取煤样不同应力状态下弹性应变能积累量,发现弹性应变能积累与应力-应变曲线变化趋势一致,在峰值强度时刻达到最大值。能量输入、弹性能量积累及能量耗散随煤样受载变形呈非线性演化规律,但在任一时刻应力的平方与弹性能量积累表现出良好线性关系。基于此改进峰值强度时刻弹性能量积累量计算方法,更加准确获取试件峰值强度时刻弹性应变能积累量。进一步提出综合考量煤体强度、能量演化及破坏时间的有效弹性能释放速率指数KET评价煤的冲击倾向性,并结合现有指标给出冲击倾向性分类临界值。最后采用远场碎屑质量占比w及平均粒径da表征的煤样破碎程度验证评价结果合理性。研究结果表明:KET可有效解决现有各项指标评价结果离散性大且相互之间存在冲突的局限性;冲击倾向性KET评价结果与煤样破坏状态对比,发现KET与w及破碎程度正相关,与da负相关,评价结果更符合实际。