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新型機械彈性儲能技術 版權信息
- ISBN：9787122397591
- 條形碼：9787122397591 ; 978-7-122-39759-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
新型機械彈性儲能技術 本書特色
適讀人群 ：可供能源、電力、機械等專業師生參考，也為傳播機械彈性儲能技術起到拋磚引玉的作用。機械彈性儲能技術是安全的儲能技術之一，該書為國內較早從事機械彈性儲能技術的團隊力作，本書將系統性、前沿性、理論性與工程實踐緊密結合，從翔實的理論分析入手，到10kW永磁電機式機械彈性儲能系統樣機的具體設計和運行，再到機械彈性儲能系統各類場景的應用設計展望，方便大家深入淺出地理解新型機械彈性儲能技術。
新型機械彈性儲能技術 內容簡介
本書是我國機械彈性儲能科技領域的**本著作，系統地闡述了華北電力大學機械彈性儲能團隊十幾年來所取得的研究成果，并通過探討國內外相關技術研究現狀，系統地分析、總結新型機械彈性儲能技術的基礎理論、實現方案及其技術應用。從翔實的理論分析入手，到10kW永磁電機式機械彈性儲能系統樣機的具體設計和運行，再到機械彈性儲能系統各類場景的應用設計展望，方便大家深入淺出地理解新型機械彈性儲能技術。本書將系統性、前沿性、理論性與工程實踐緊密結合，融合了電機、材料及機械專業相關知識，可供能源、電力、機械等專業師生參考，也為傳播機械彈性儲能技術起到拋磚引玉的作用。
新型機械彈性儲能技術 目錄
第 1 章 儲能技術及發展現狀 1
1.1 新形勢下儲能技術的研發背景及意義 1
1.1.1 研發背景 1
1.1.2 研發意義 2
1.2 儲能技術研究現狀 3
1.2.1 物理儲能 4
1.2.2 電化學儲能 6
1.2.3 電磁儲能 7
1.2.4 相變儲能 8
1.2.5 對現有儲能技術的評價 8
1.3 機械彈性儲能技術概述 9
1.3.1 機械彈性儲能技術的提出 9
1.3.2 機械彈性儲能技術優勢分析 10
1.3.3 機械彈性儲能系統的技術實現形式 11
參考文獻 12
第 2 章 機械彈性儲能關鍵技術、可行性及儲能指標 14
2.1 引言 14
2.2 機械彈性儲能關鍵技術分析 14
2.3 機械彈性儲能技術的可行性 15
2.4 機械彈性儲能技術的主要特性指標 17
2.4.1 儲能技術的主要特性指標 17
2.4.2 機械彈性儲能技術特性指標 19
2.4.3 不同渦簧材料的儲能特性指標分析與比較 24
2.4.4 機械彈性儲能與其他儲能技術的特性比較 28
參考文獻 33
第 3 章 機械彈性儲能用渦簧非線性力學特性 34
3.1 引言 34
3.2 關于渦簧的基本假設 34
3.3 非接觸型渦簧的力學分析 35
3.4 接觸型渦簧力學模型的建立及分析 37
3.4.1 儲能前渦簧的兩種狀態 38
3.4.2 儲能前渦簧力學特性的計算 41
3.4.3 初始狀態渦簧彎矩計算結果 52
3.5 儲能過程渦簧力學模型建立及分析 54
3.5.1 渦簧 3 種形態的劃分 54
3.5.2 渦簧儲能過程的非線性分析 56
3.5.3 渦簧 3 種形態及彎矩的計算 57
3.5.4 形態迭代法的建立 62
3.5.5 渦簧形狀、彎矩變化計算結果 63
3.6 儲能過程渦簧轉動慣量計算 65
3.6.1 渦簧轉動慣量計算方法分析 65
3.6.2 渦簧轉動慣量的計算 66
3.6.3 轉動慣量計算結果 70
參考文獻 71
第 4 章 機械彈性儲能用渦簧儲能過程的有限元數值分析 72
4.1 引言 72
4.2 儲能過程渦簧的應力分析 72
4.2.1 渦簧極坐標方程的建立 73
4.2.2 渦簧應力的計算及分析 77
4.2.3 有限元建模及分析 78
4.3 儲能過程渦簧的穩定性分析 81
4.3.1 鋼梁的穩定性 81
4.3.2 有限元建模及分析 83
4.3.3 結果分析 85
4.4 渦簧模態分析 87
4.4.1 模態分析方法 87
4.4.2 單體渦簧模態分析 87
4.4.3 渦簧箱模態分析 89
4.5 渦簧連接結構力學分析 93
4.5.1 渦簧內端連接強度分析 93
4.5.2 渦簧外端連接強度分析 98
參考文獻 103
第 5 章 機械彈性儲能用渦簧儲能密度的計算及設計優化 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 渦簧儲能密度的優化 111
5.3.5 優化結果分析 113
5.3.6 有限元建模分析 115
5.3.7 儲能密度結構優化的實現 118
5.4 基于微分進化的渦簧結構優化設計 119
5.4.1 優化問題的描述 119
5.4.2 3 種目標函數下渦簧的優化設計結果 121
5.4.3 3 種目標函數下優化設計后渦簧儲能特性的比較 123
5.4.4 3 種目標函數下取不同彈簧厚度范圍時渦簧的優化設計 125
參考文獻 130
第 6 章 機械彈性儲能用聯動式儲能箱結構設計及其模塊化安裝調試技術 131
6.1 引言 131
6.2 現有提高渦簧儲能量的結構設計分析 131
6.3 聯動式儲能箱結構設計及工作原理分析 132
6.3.1 聯動式儲能箱的結構設計 132
6.3.2 聯動式儲能箱的工作原理 133
6.3.3 聯動式儲能箱用支撐裝置 134
6.3.4 聯動式儲能箱的優點分析 136
6.4 渦簧標準化模塊封裝技術 137
6.5 渦簧模塊推拉式裝配技術 138
6.6 聯動儲能箱組安裝調試技術 139
參考文獻 141
第 7 章 永磁電機式機械彈性儲能系統的數學模型 142
7.1 引言 142
7.2 永磁同步電機的數學模型 142
7.2.1 永磁同步電機結構 142
7.2.2 建模假設 143
7.2.3 靜止 ABC 坐標系下的數學模型 143
7.2.4 靜止 αβ 坐標系下的數學模型 145
7.2.5 旋轉 dq0 坐標系下的數學模型 146
7.3 雙 PWM 變頻器模型 147
7.3.1 雙 PWM 變頻器結構及工作原理 147
7.3.2 SVPWM 控制技術 148
參考文獻 153
第 8 章 永磁電機式機械彈性儲能系統儲能運行控制技術 154
8.1 引言 154
8.2 控制問題的形成 154
8.2.1 永磁同步電動機控制技術分析 154
8.2.2 機械彈性儲能用永磁同步電動機控制問題提出 155
8.3 負載慣量、扭矩同時變化情形下永磁同步電動機低速運行控制 156
8.3.1 儲能箱轉動慣量及轉矩同時辨識 156
8.3.2 非線性反推控制器設計 157
8.3.3 穩定性證明及分析 161
8.3.4 控制參數優化 162
8.3.5 仿真實驗與分析 164
8.4 負載慣量、扭矩同時變化情形下系統反推 DTC 控制 167
8.4.1 反推控制器設計 167
8.4.2 控制參數優化 170
8.4.3 仿真實驗與分析 171
參考文獻 174
第 9 章 永磁電機式機械彈性儲能系統發電運行控制技術 176
9.1 引言 176
9.2 控制問題的形成 176
9.2.1 永磁同步發電機控制技術分析 176
9.2.2 機械彈性儲能用永磁同步發電機控制問題提出 177
9.3 動力源慣量、輸出扭矩同時變化時永磁同步發電機運行控制 178
9.3.1 動力源轉動慣量和轉矩同時變化的數學描述 178
9.3.2 電機內部結構參數不確定的數學表達 179
9.3.3 高增益干擾觀測器設計 180
9.3.4 L2 魯棒反推控制器設計 181
9.3.5 穩定性分析與證明 183
9.3.6 仿真實驗與分析 185
9.4 動力源慣量、輸出扭矩同時變化時系統自適應調速及并網控制 186
9.4.1 自適應調速控制算法 186
9.4.2 并網控制算法 190
9.4.3 仿真實驗與分析 192
參考文獻 195
第 10 章 永磁電機式機械彈性儲能系統振動抑制及振動與效率同時優化控制 196
10.1 引言 196
10.2 國內外研究現狀 196
10.2.1 柔性負載振動抑制研究現狀 196
10.2.2 PMSM 驅動系統效率優化控制方法現狀 197
10.3 系統運行振動抑制 198
10.3.1 基于反推原理的機組儲能運行振動抑制控制器設計 198
10.3.2 基于*小二乘法的渦簧振動模態估計 205
10.3.3 反推控制器穩定性證明 206
10.3.4 實驗驗證及分析 206
10.4 系統運行振動與效率同時優化控制 211
10.4.1 基于損耗模型的機組統一控制反推控制器設計 211
10.4.2 基于自適應神經模糊推理的鐵耗電阻辨識 216
10.4.3 控制器穩定性證明 219
10.4.4 實驗驗證及分析 219
參考文獻 224
第 11 章 永磁電機式機械彈性儲能系統新型閉環 I/f控制及振動與轉矩脈動同時優化控制 225
11.1 引言 225
11.2 國內外研究現狀 226
11.3 系統新型閉環 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 I/f控制的改進策略 230
11.3.3 仿真實驗分析 233
11.4 系統運行振動與轉矩脈動同時優化控制 237
11.4.1 機械彈性儲能機組控制性能提升的必要性分析 237
11.4.2 考慮轉矩脈動的 PMSM 電磁轉矩模型 238
11.4.3 考慮渦簧振動及電機轉矩脈動的閉環 I/f 控制策略優化 240
11.4.4 仿真及實驗驗證 243
參考文獻 248
第 12 章 永磁電機式機械彈性儲能系統邏輯保護與監控系統設計 251
12.1 引言 251
12.2 邏輯保護和監控系統功能要求和設計原則 252
12.2.1 邏輯保護系統功能要求和設計原則 252
12.2.2 監測控制系統功能要求和設計原則 253
12.3 機械彈性儲能機組邏輯保護系統設計 254
12.3.1 部件使能邏輯保護 254
12.3.2 運行動作邏輯保護 255
12.3.3 運行狀態顯示保護 256
12.4 機械彈性儲能機組監測控制系統設計 258
12.4.1 監控系統控制面版 259
12.4.2 監控系統運行程序 262
12.4.3 監控系統故障保護 276
參考文獻 277
第 13 章 10kW 永磁電機式機械彈性儲能系統技術集成及運行實驗 278
13.1 引言 278
13.2 10kW 機械彈性儲能實驗性樣機技術集成 278
13.2.1 實驗性樣機總體技術方案 278
13.2.2 實驗性樣機儲能箱組參數計算 279
13.2.3 實驗性樣機機械傳動及電氣控制裝置配套設計 281
13.3 10kW 機械彈性儲能實驗性樣機運行實驗及結果分析 286
13.3.1 實驗性樣機轉速恒定運行實驗 286
13.3.2 實驗性樣機功率恒定運行實驗 291
參考文獻 297
第 14 章 機械彈性儲能技術應用探析 298
14.1 引言 298
14.2 機械彈性儲能技術應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 配備儲能設備的功率和能量計算 299
14.3 機械彈性儲能技術應用于岸橋集裝箱起重機節能降耗 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 配備儲能設備的能量和功率計算 300
14.4 風力發電機組渦簧儲能調速裝置 301
14.5 汽車用機械彈性儲能驅動技術 303
14.6 波浪能回收與利用裝置 305
14.7 微電網沖擊負荷功率波動平抑 307
參考文獻 308
1.1 新形勢下儲能技術的研發背景及意義 1
1.1.1 研發背景 1
1.1.2 研發意義 2
1.2 儲能技術研究現狀 3
1.2.1 物理儲能 4
1.2.2 電化學儲能 6
1.2.3 電磁儲能 7
1.2.4 相變儲能 8
1.2.5 對現有儲能技術的評價 8
1.3 機械彈性儲能技術概述 9
1.3.1 機械彈性儲能技術的提出 9
1.3.2 機械彈性儲能技術優勢分析 10
1.3.3 機械彈性儲能系統的技術實現形式 11
參考文獻 12
第 2 章 機械彈性儲能關鍵技術、可行性及儲能指標 14
2.1 引言 14
2.2 機械彈性儲能關鍵技術分析 14
2.3 機械彈性儲能技術的可行性 15
2.4 機械彈性儲能技術的主要特性指標 17
2.4.1 儲能技術的主要特性指標 17
2.4.2 機械彈性儲能技術特性指標 19
2.4.3 不同渦簧材料的儲能特性指標分析與比較 24
2.4.4 機械彈性儲能與其他儲能技術的特性比較 28
參考文獻 33
第 3 章 機械彈性儲能用渦簧非線性力學特性 34
3.1 引言 34
3.2 關于渦簧的基本假設 34
3.3 非接觸型渦簧的力學分析 35
3.4 接觸型渦簧力學模型的建立及分析 37
3.4.1 儲能前渦簧的兩種狀態 38
3.4.2 儲能前渦簧力學特性的計算 41
3.4.3 初始狀態渦簧彎矩計算結果 52
3.5 儲能過程渦簧力學模型建立及分析 54
3.5.1 渦簧 3 種形態的劃分 54
3.5.2 渦簧儲能過程的非線性分析 56
3.5.3 渦簧 3 種形態及彎矩的計算 57
3.5.4 形態迭代法的建立 62
3.5.5 渦簧形狀、彎矩變化計算結果 63
3.6 儲能過程渦簧轉動慣量計算 65
3.6.1 渦簧轉動慣量計算方法分析 65
3.6.2 渦簧轉動慣量的計算 66
3.6.3 轉動慣量計算結果 70
參考文獻 71
第 4 章 機械彈性儲能用渦簧儲能過程的有限元數值分析 72
4.1 引言 72
4.2 儲能過程渦簧的應力分析 72
4.2.1 渦簧極坐標方程的建立 73
4.2.2 渦簧應力的計算及分析 77
4.2.3 有限元建模及分析 78
4.3 儲能過程渦簧的穩定性分析 81
4.3.1 鋼梁的穩定性 81
4.3.2 有限元建模及分析 83
4.3.3 結果分析 85
4.4 渦簧模態分析 87
4.4.1 模態分析方法 87
4.4.2 單體渦簧模態分析 87
4.4.3 渦簧箱模態分析 89
4.5 渦簧連接結構力學分析 93
4.5.1 渦簧內端連接強度分析 93
4.5.2 渦簧外端連接強度分析 98
參考文獻 103
第 5 章 機械彈性儲能用渦簧儲能密度的計算及設計優化 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 渦簧儲能密度的優化 111
5.3.5 優化結果分析 113
5.3.6 有限元建模分析 115
5.3.7 儲能密度結構優化的實現 118
5.4 基于微分進化的渦簧結構優化設計 119
5.4.1 優化問題的描述 119
5.4.2 3 種目標函數下渦簧的優化設計結果 121
5.4.3 3 種目標函數下優化設計后渦簧儲能特性的比較 123
5.4.4 3 種目標函數下取不同彈簧厚度范圍時渦簧的優化設計 125
參考文獻 130
第 6 章 機械彈性儲能用聯動式儲能箱結構設計及其模塊化安裝調試技術 131
6.1 引言 131
6.2 現有提高渦簧儲能量的結構設計分析 131
6.3 聯動式儲能箱結構設計及工作原理分析 132
6.3.1 聯動式儲能箱的結構設計 132
6.3.2 聯動式儲能箱的工作原理 133
6.3.3 聯動式儲能箱用支撐裝置 134
6.3.4 聯動式儲能箱的優點分析 136
6.4 渦簧標準化模塊封裝技術 137
6.5 渦簧模塊推拉式裝配技術 138
6.6 聯動儲能箱組安裝調試技術 139
參考文獻 141
第 7 章 永磁電機式機械彈性儲能系統的數學模型 142
7.1 引言 142
7.2 永磁同步電機的數學模型 142
7.2.1 永磁同步電機結構 142
7.2.2 建模假設 143
7.2.3 靜止 ABC 坐標系下的數學模型 143
7.2.4 靜止 αβ 坐標系下的數學模型 145
7.2.5 旋轉 dq0 坐標系下的數學模型 146
7.3 雙 PWM 變頻器模型 147
7.3.1 雙 PWM 變頻器結構及工作原理 147
7.3.2 SVPWM 控制技術 148
參考文獻 153
第 8 章 永磁電機式機械彈性儲能系統儲能運行控制技術 154
8.1 引言 154
8.2 控制問題的形成 154
8.2.1 永磁同步電動機控制技術分析 154
8.2.2 機械彈性儲能用永磁同步電動機控制問題提出 155
8.3 負載慣量、扭矩同時變化情形下永磁同步電動機低速運行控制 156
8.3.1 儲能箱轉動慣量及轉矩同時辨識 156
8.3.2 非線性反推控制器設計 157
8.3.3 穩定性證明及分析 161
8.3.4 控制參數優化 162
8.3.5 仿真實驗與分析 164
8.4 負載慣量、扭矩同時變化情形下系統反推 DTC 控制 167
8.4.1 反推控制器設計 167
8.4.2 控制參數優化 170
8.4.3 仿真實驗與分析 171
參考文獻 174
第 9 章 永磁電機式機械彈性儲能系統發電運行控制技術 176
9.1 引言 176
9.2 控制問題的形成 176
9.2.1 永磁同步發電機控制技術分析 176
9.2.2 機械彈性儲能用永磁同步發電機控制問題提出 177
9.3 動力源慣量、輸出扭矩同時變化時永磁同步發電機運行控制 178
9.3.1 動力源轉動慣量和轉矩同時變化的數學描述 178
9.3.2 電機內部結構參數不確定的數學表達 179
9.3.3 高增益干擾觀測器設計 180
9.3.4 L2 魯棒反推控制器設計 181
9.3.5 穩定性分析與證明 183
9.3.6 仿真實驗與分析 185
9.4 動力源慣量、輸出扭矩同時變化時系統自適應調速及并網控制 186
9.4.1 自適應調速控制算法 186
9.4.2 并網控制算法 190
9.4.3 仿真實驗與分析 192
參考文獻 195
第 10 章 永磁電機式機械彈性儲能系統振動抑制及振動與效率同時優化控制 196
10.1 引言 196
10.2 國內外研究現狀 196
10.2.1 柔性負載振動抑制研究現狀 196
10.2.2 PMSM 驅動系統效率優化控制方法現狀 197
10.3 系統運行振動抑制 198
10.3.1 基于反推原理的機組儲能運行振動抑制控制器設計 198
10.3.2 基于*小二乘法的渦簧振動模態估計 205
10.3.3 反推控制器穩定性證明 206
10.3.4 實驗驗證及分析 206
10.4 系統運行振動與效率同時優化控制 211
10.4.1 基于損耗模型的機組統一控制反推控制器設計 211
10.4.2 基于自適應神經模糊推理的鐵耗電阻辨識 216
10.4.3 控制器穩定性證明 219
10.4.4 實驗驗證及分析 219
參考文獻 224
第 11 章 永磁電機式機械彈性儲能系統新型閉環 I/f控制及振動與轉矩脈動同時優化控制 225
11.1 引言 225
11.2 國內外研究現狀 226
11.3 系統新型閉環 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 I/f控制的改進策略 230
11.3.3 仿真實驗分析 233
11.4 系統運行振動與轉矩脈動同時優化控制 237
11.4.1 機械彈性儲能機組控制性能提升的必要性分析 237
11.4.2 考慮轉矩脈動的 PMSM 電磁轉矩模型 238
11.4.3 考慮渦簧振動及電機轉矩脈動的閉環 I/f 控制策略優化 240
11.4.4 仿真及實驗驗證 243
參考文獻 248
第 12 章 永磁電機式機械彈性儲能系統邏輯保護與監控系統設計 251
12.1 引言 251
12.2 邏輯保護和監控系統功能要求和設計原則 252
12.2.1 邏輯保護系統功能要求和設計原則 252
12.2.2 監測控制系統功能要求和設計原則 253
12.3 機械彈性儲能機組邏輯保護系統設計 254
12.3.1 部件使能邏輯保護 254
12.3.2 運行動作邏輯保護 255
12.3.3 運行狀態顯示保護 256
12.4 機械彈性儲能機組監測控制系統設計 258
12.4.1 監控系統控制面版 259
12.4.2 監控系統運行程序 262
12.4.3 監控系統故障保護 276
參考文獻 277
第 13 章 10kW 永磁電機式機械彈性儲能系統技術集成及運行實驗 278
13.1 引言 278
13.2 10kW 機械彈性儲能實驗性樣機技術集成 278
13.2.1 實驗性樣機總體技術方案 278
13.2.2 實驗性樣機儲能箱組參數計算 279
13.2.3 實驗性樣機機械傳動及電氣控制裝置配套設計 281
13.3 10kW 機械彈性儲能實驗性樣機運行實驗及結果分析 286
13.3.1 實驗性樣機轉速恒定運行實驗 286
13.3.2 實驗性樣機功率恒定運行實驗 291
參考文獻 297
第 14 章 機械彈性儲能技術應用探析 298
14.1 引言 298
14.2 機械彈性儲能技術應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 配備儲能設備的功率和能量計算 299
14.3 機械彈性儲能技術應用于岸橋集裝箱起重機節能降耗 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 配備儲能設備的能量和功率計算 300
14.4 風力發電機組渦簧儲能調速裝置 301
14.5 汽車用機械彈性儲能驅動技術 303
14.6 波浪能回收與利用裝置 305
14.7 微電網沖擊負荷功率波動平抑 307
參考文獻 308
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新型機械彈性儲能技術 作者簡介
余洋，男，2005年華北電力大學（保定）電氣工程及其自動化專業本科畢業，2008年西安交通大學電力系統及其自動化專業碩士畢業，2016年華北電力大學電力系統及其自動化專業博士畢業。2019—年至2020年美國Lehigh University公派訪問學者。 現為華北電力大學（保定）電力工程系副教授，碩士研究生導師，電自教研室副主任，九三學社華北電力大學支社副主委。IEEE抽水蓄能中國區儲能技術委員會儲能并網與運行技術分委會理事、儲能市場與規劃技術分委會理事，IEEE Member，中國電機工程學會會員，新能源電力系統國家重點實驗室研究成員，河北省分布式儲能與微網重點實驗室研究成員。 長期從事電力儲能技術、需求側資源聚合建模與調度控制等領域的研究工作。在《IEEE Trans. Power Electronics》、《中國電機工程學報》、《儲能科學與技術》等國內外重要期刊上發表論文30多篇，以主要發明人申請授權發明專利20余項。 承擔國家自然科學基金青年基金、中央高校基本科研業務費基金、國家電網公司、南方電網公司、科研機構等縱橫向項目10多項；參與國家重點研發計劃項目、教育部高校博士學科點基金。曾獲河北省科學技術進步獎二等獎1項，入選河北省“三三三人才工程”人選。目前正主持國家自然科學基金面上項目、河北省自然科學基金面上項目、新能源電力系統國家重點實驗室自主課題、國家電網、南方電網等多個項目。
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