2019年電磁軸承技術與儲能飛輪.pdf

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1、飛輪儲能主體技術研討會 2019電磁軸承與儲能飛輪主要內容 1.磁軸承基本特點 2.磁軸承應用研究現狀 3.儲能飛輪與磁軸承 4.飛輪磁軸承應用進展現狀 5.飛輪磁軸承主要議題 6.小結 引言:磁場力實現支承功能 利用磁場實現無接觸的支承功能也是人類由來已久的夢想，借助自然界的磁現象及人類探索自然的成果積累，人們可以增強與精確控制磁場從而有效加以利用。將原本不穩定系統通過反饋控制實現穩定并逐步使之具有實用功能。磁軸承分類 AMBActive Magnetic Bearing PMBPermanent Magnetic Bearing SMBSuper-conducting Magnetic B

2、earing HMBHybrid Magnetic Bearing 電磁軸承 永磁軸承 超導磁軸承 混合磁軸承 電磁軸承基本組成結構（S2M）電流式或 電壓式 模擬或數字電路實現 軟磁材料 非接觸式位移傳感器 1 1 1 1 4 2 2 2 1 1 2 2 徑向、軸向電磁軸承結構 超導磁懸?。ㄝS承）麥斯納效應 邁斯納效應又叫完全抗磁性效應導體一旦進入超導狀態，體內的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為零。2 1 3 4 5 徑向 軸向 徑向 徑向 徑向 電磁軸承轉子組成 5 自由度主動控制自由度主動控制 電磁軸承性能特點優點 1)無機械接觸、微“摩擦”、無磨損（間隙范圍：0.110mm）a)

3、允許轉子高速運行，提供了新的設計思路，提高功率密度，b)低運行損耗，小于通用軸承520倍，c)長壽命、低運行維護費用 尤其適合透平類機組，2)無須潤滑、密封、可在任意介質中運行；可在真空中運行，成為儲能飛輪重要的支承解決方案之一 3)轉子動態性能可控，減震、隔振、過臨界，a)運行精度可控 傳感器的分辨率？b)提高運行可靠性 在線診斷、監測等手段，c)利用電磁軸承可以實現轉子、結構未知特性的辨識。性能特點局限性 1）電磁鐵會飽和，承載能力有限，幾乎無過載能力 2）受驅動功率限制，執行器有效帶寬 （電磁力擺率）有限，3）存在墜落的可能性，需要專設防護 措施；4）某些方面，如，安全性、可靠性、能量消

4、耗、優化設計等，通用而系統性的設計方法尚有不足，仍需大量的工作 面臨挑戰面臨挑戰 電磁軸承或混合磁軸承作為儲能飛輪支承解決方案 一、技術問題 二、基礎理論 儲能飛輪選用磁軸承的特殊性 結構形式多樣化 真空密閉環境 極低功耗 低阻力矩 高轉速與強陀螺效應 安全性與可靠性（跌落防護）飛輪磁軸承應用現狀 1.航天飛輪支承 2.小型儲能支承 3.大型儲能飛輪支承 4.移動基礎飛輪支承 5.現代飛輪飛輪電池（包括電磁彈射）：支承必須維持大功率快速充放電過渡過程中轉子穩定性 附錄：國內外儲能飛輪磁軸承研究調研 在大型渦輪機械領域，電磁軸承已經近30年的運行歷史 儲能飛輪磁軸承的技術要求？1.高真空環境下，

5、支承部件（包括轉子）溫度控制 支承功耗的極小化溫度控制與儲能效率綜合要求 極低阻力矩能量保持時間與溫度控制“既要馬兒跑得好，又要馬兒不吃草”2.反饋控制性能與穩定性 陀螺效應強，導致模態頻率變化范圍大 有限功耗下的穩定維護 支承基礎的結構模態敏感 儲能飛輪磁軸承的技術要求？4.磁軸承與總體關系 部件與總體 轉子動力學與結構力學 結構的多樣化，設計方法不足 緊湊型電力電子設備的電磁兼容性 5.測試評估與驗收 ISO14839-1/2/3/4 的借鑒意義 API617-8th 附件E的借鑒意義 6.復合材料飛輪轉子支承要求的特殊性 1.結構形式單一，多為圓筒或厚壁圓筒 2.結構中存在薄壁結構，撓性

6、大，動力學特性復雜，（包括扭轉動力學）3.高度非線性，如，熱溫度系數，線性定常系統的假設的動搖；4.輻射散熱能力差 5.變形大，導致慣量比變化，進而導致動力學特性變化，控制難度加大 相關基礎問題與思考 1)借鑒傳統旋轉機械有關標準，如何評價電磁軸承轉子系統可以交付使用？2)主要的評價內容、評價手段是否與現行標準一致？3)電磁軸承飛輪轉子系統的穩定性，如何評價？4)電磁軸承飛輪轉子是否也有失穩轉速？5)為什么有時轉速上不去？懸浮與轉動區別？6)為什么有時換個基礎平臺，轉子會失穩？18 相關問題與思考 7)保護軸承轉子系統的跌落轉子動力學行為的預測與評估設計到可靠性與安全性？8)電控系統能力與動力

7、學行為邊界？9)高速、超高速，轉子運行的新問題？10)工業應用具體設計過程中，電磁軸承轉子系統與總體的關系？11)電磁軸承轉子系統的加工制造精度？12)轉子轉動過程中出現反向模態振動？19 基礎理論：磁軸承轉子（陀螺）動力學 圍繞傳統支承轉子動力學的幾大議題：1、橫向(lateral rotor dynamics)轉子動力學 2、機械平衡 3、穩定性 4、扭轉動力學 5、軸向動力學 在此基礎上，電磁軸承轉子動力學（陀螺力學）的特殊性與傳統支承轉子動力學的共性議題：20 轉子動力學之建模 1)建立模型考慮因素總體上一致 2)轉子動力學模型與電磁軸承控制模型的耦合（發展中）3)控制算法與外在剛度、

8、阻尼特性的關系的頻變性 4)單機與批量的控制參數差異調試 21 電磁軸承轉子動力學分析 橫向轉子動力學分析要素主體一致，但具體內容有區別，自由（free-free）轉子固有頻率 無阻尼臨界轉速 有阻尼不平衡響應分析 穩定性（有阻尼特征值分析）22 自由（free-free）轉子固有頻率（力自由控制、跌落瞬間）無阻尼臨界轉速（剛度曲線的來源）23 不平衡響應與轉速范圍的特殊性 24 不平衡響應與磁軸承閉環傳函的應用 a)不平衡響應分析與測試，是旋轉機械交付驗收過程中的重要工作內容 a)閉環傳函與轉子不平衡響應分析一樣，也是研究激振力(輸入)和位移響應(輸出)在頻域內的對應關系 25 不平衡響應與

9、磁軸承閉環傳函 26 電磁軸承轉子動力學特殊性 穩定性分析與測試評估 1)與滑動軸承的一階、二階穩定性分析關系？2)電磁軸承轉子開環不穩定，必須依賴閉環反饋控制，需要能量的輸入與控制，3)理論上，控制不當，可能在任意頻率失穩？4)電磁軸承轉子在任意轉速也不能失穩？5)閉環反饋系統的過渡過程對轉子性能及穩定性影響 6)如何評估：勞斯判據、奈奎斯特判據-靈敏度傳遞函數-靈敏度指數 27 轉子穩定性分析與測試 28 穩定性分析與測試幾點疑問 掃頻激振力幅度？掃頻波形？掃頻狀態：零轉速或任何轉速？29 電磁軸承轉子動力學特殊性機械平衡 1)轉子轉動基準與動平衡基準可能不一致 2)高速動平衡難度大 3)

10、本機平衡可行性 4)殘余不平衡的主動控制，“力自由與力控制”5)磁懸浮轉子的動平衡目標手段？30 彈性基礎對飛輪轉子性能影響 a)定子基礎結構模態與轉子振動模態的耦合與解耦、一體化分析，b)定子基礎結構剛度、阻尼特性對轉子臨界轉速的影響 c)定子基礎結構動態對轉子穩定性影響 31 m m 特殊性轉子跌落轉子動力學 32 謝謝大家！拋磚引玉，共謀發展 飛輪儲能主體技術研討會2019 34 附錄附錄1.研究研究現狀現狀 美國美國 實現兆瓦級功率輸出實現兆瓦級功率輸出 Maryland University 24kWh碳纖維磁懸浮飛輪系統 勞倫斯國家實驗室勞倫斯國家實驗室 航天&車輛電源，1kWh/

11、200kW飛輪電池 NASA Glenn研究中心研究中心 電源&姿控磁懸浮復合材料飛輪儲能系統，高速軸，100000rpm 賓州州立大學、德克薩斯大學奧斯汀分校、休斯頓大學德克薩斯超導中心、阿貢國家實驗室 英國英國 布里斯托爾大學布里斯托爾大學 儲能飛輪風力發電協同運行 日本日本 長岡技術大學長岡技術大學 國立仙臺工學院國立仙臺工學院 230Wh/5kW飛輪UPS實驗裝置，最高轉速30000rpm 韓國韓國 韓國機械和材料學院韓國機械和材料學院 5kWh飛輪儲能系統，徑向主動磁軸承+止推磁軸承支承 美國美國 Pentadyne 第二代碳纖維儲能飛輪，170210kW，防爆外殼，2010年倒閉

12、Active Power 核心產品CleanSource UPS，單模塊120/150/250kVA，多模塊2501500kVA，7MVA PowerHouse集裝箱式電源系統，240800kW，云計算中心，北京辦事處 Beacon Power 1997年，2kWh飛輪電池，永磁/電磁混合支承 2008年，馬塞諸塞州，2MW，世界首個隨時并網 2011年，紐約州Stephen鎮，20MW，唯一電網級大規模飛輪儲能應用工程，盈利運營 2011年10月申請破產保護，原班人馬成立公司Helix Power VYCON Calnetix公司，原美國航天科技公司 140kW儲能飛輪，15s工業UPS應用

13、能力，真空+AMB，永磁電動機/發電機 第三代飛輪，無需防爆外殼保護 羅特尼克能源科技有羅特尼克能源科技有限公司限公司 OmniFly高能碳纖維飛輪 唯一同時適于智能電網、地鐵及UPS市場，目前單機輸出功率最大商用飛輪儲能單元 最大設計輸出功率1MW，儲能12 kWh，單機待機功耗500 W 計劃在長三角地區建立OmniFly全球制造中心，規劃產能將達到4.5 GW Urenco、Satcon技術公司、ASF Trinity電源公司、飛輪系統公司（USFS）35 1.研究背景研究背景-國外產業化情況國外產業化情況 36 1.研究研究背景背景-國外產業化國外產業化情況情況 加拿大加拿大 Temp

14、oral Power 100/250/500kW，50kWh，永磁軸承支承 德國德國 Piller 1650kW/10s大容量低速飛輪儲能UPS，已市場銷售，北京/深圳/上海 風電公司Enercon、西門子 法國法國 Socomec公司公司 碳纖維儲能飛輪電池UPS，轉速最高30000rpm，601000kW 日本日本 Kansai電力公司電力公司 3.3kV系統上開展飛輪儲能改善電網穩定性研究 世界上容量最大變頻調速飛輪蓄能發電系統，26.5MVA 工程應用工程應用 澳大利亞澳大利亞Coral Bay、Sand Bay、Nine Miles Beach、Denham（儲能新興市場）日本日本D

15、ogo Island 美國美國Alaska等一系列島嶼電網 采用飛輪儲能提高電網穩定性、減少風電對系統電壓和頻率的影響，最大可能降低柴油發電機出功 37 1.研究研究背景背景-國內研究國內研究情況情況 中國科學院電工研究所中國科學院電工研究所 早期探索 清華大學清華大學 1996年，300Wh樣機；1997年，首次充放電+復合材料飛輪 1999年，第二代飛輪；2003年，500Wh UPS原理樣機 2012年，8Pa真空室+主動磁懸浮軸承 2016年，1MW/16kWh工程樣機工程樣機 北京飛輪儲能柔性研究所北京飛輪儲能柔性研究所 中科院電工所&天津核工業理化工程研究院 永磁高溫超導磁懸浮高溫

16、超導磁懸浮，永磁+液壓軸承 華北電力大學華北電力大學 電力系統調峰用飛輪儲能系統 10kW準磁懸浮飛輪儲能裝置，永磁+油浮軸承 北京航空航天大學北京航空航天大學 姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪 輸出功率100W（最大200W），儲能量13Wh，83%武漢理工大學武漢理工大學 新能源汽車 海軍工程大學海軍工程大學 電磁彈射 哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 10kWh飛輪儲能系統 38 1.研究背景研究背景-國內產業化情況國內產業化情況 盾石盾石磁能科技有限公司，冀東發展集團 2014年9月，國內第一臺200kW工業化磁飛輪調試成功 GTR333型，1MW飛輪型城軌再生制動能量回收利用裝置 GTR200型：“863”工業園區型光伏/儲能微電網系統集成示范項目 1MW地鐵飛輪儲能電站，美國洛杉磯地鐵黃金線 英國艾格島、費爾島微電網、加拿大鎳礦微電網、阿拉斯加大學微網 沈陽微控新能源技術有限公司（VYCON），2018年3月 貝肯新能源（天津）有限公司（Temporal Power），2018 二重德陽儲能科技有限公司，100kW飛輪儲能裝置