永磁电机式机械弹性储能机组储能运行控制策略

朱敬花，邵珠枫，庄 燕

（1九州职业技术学院机电与汽车工程系，江苏 徐州 221116；2中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏 徐州 221008）

随着社会的发展，人们逐渐认识到能源环境的重要性，新能源的进一步发展引起了人们的关注。随着新能源的发展，电力系统面临着间歇性、调峰手段等问题，电能储存是解决这一系列问题的主要核心技术之一。因此，通过对储能技术的研究与需求分析，研究人员提出一种基于机械弹性的新型储能方式，并对永磁电机式机械弹性储能机组和联动性储存箱组成的基本原理进行叙述，以及对其可行性与其价值进行探讨与研究。目前来看，众多场合已经在研究以及应用不同种类的储能方式，但是不同种类的储能方式都有其自身的优缺点以及所适用的场合，所以现有的储能技术还不能满足现代电力系统的实际需求。因此，国家开始根据战略性策略对电力系统和智能电网提供关键性的技术支持，积极探索出最先进的储能技术。研究人员在研发先进的储能技术时，受到机械涡簧弹性储能的原理启发，研发出了一种在机械弹性基础上的电能储存技术，简称MEES，该储能技术属物理储能的一种。此外，本文还以永磁电机式机械弹性储能机组为研究对象，对其储能运行的控制策略展开研究。

1 储能技术的研究情况

1.1 抽水储能

当前使用最为频繁的储能技术为抽水储能技术，国际上1960 年以来是使用抽水储能技术的高峰期。至今为止，世界抽水蓄能电站总装机容量的50%以上都为部分发达国家的抽水储能机组的容量。另外，抽水蓄能电站的工作原理是在不同高度、不同海拔建立蓄水水库，将上游的水库称为上池，下游称为下池。当电量处于负荷低峰状态时可以将下池水抽到上池，这样电网可以将多出的电量转化为水的势能进行储存起来；当电量处于负荷高峰状态时，上池的水可以带动发电机重新流回下池，进而完成发电。

1.2 压缩空气储能

此类储能是当电网处于负荷低谷时将使用剩下的电能来压缩空气，进一步把所压缩的空气进行高温处理密封于山洞、沉入海底等，然而当电网处于负荷高峰期时，将之前所压缩的空气释放出来，来使电网进行发电。压缩空气储能技术能源转化率比较高，与此同时也节约了成本，以及进行平衡电网负荷、频率电网调制等工作。

1.3 利用电池进行能量储存

蓄电池储能是利用电池的正负极发生氧化、还原等反应来完成充电、放电工作。其中，铅酸电池被广泛应用，其具有可靠性、价格便宜等特点，目前来看，大部分电力系统都使用铅酸电池作为主要的电池储能技术。此外还有镍铬电池储能技术，其效率高，循环寿命比普通的电池会长得多，但是回收镍铬电池会对大自然造成严重的污染，因此，此类电池已经被新型的电池所代替。

2 永磁电机式机组的组成与操作机理

2.1 永磁电机式机组的组成

永磁电机式机械弹性储能机组是由联动式储能箱、制动器以及永磁电机等十几个甚至更多的部件共同组成的，并且通过同一个控制系统来实现对多种机组单元进行储能，实现大范围的电能储存与发电功能。

2.2 永磁电机式机组的工作原理

永磁电机式机械弹性储能机组的工作位置主要处于发电机与发电机等同一永磁电机，在本机用作能量转换之部件。当永磁电机需要对其施加负载或者启动时，储能箱中的弹簧会被压缩并向外扩张，从而使储能箱中的储能涡簧能产生一个较大的张力。其主要原理为：储能过程中变流器工作过程中分别为整流和逆变两种情况，那么永磁电机运行过程中为变频调速电动机，电网内电能可带动永磁电机工作，永磁电机利用齿轮变速箱旋紧储能箱内涡簧，然后涡簧利用弹性势能存储能量，从而完成电能向弹性势能的转化。更进一步地，当储能箱中储能涡簧被制动控制时始终保持紧锁状态直至接收到释放信号时永磁电动机才会进入发电机状态。

3 永磁电机式机械弹性储能机组蓄能运行的关键性技术

永磁电机式机械弹性储能机组是一种机电一体化装备，与机械、电机、自动控制、电力电子等多方面有关，主要设计核心是储能箱、变频器以及监控单元等设备。

3.1 涡簧材料

目前来看，适用于机械弹性储能系统的材料必须要具备储存量大、成本低、高强度以及低密度等特点，其中弹簧钢类比较适合作为机械弹性储能的材料。所以，在永磁电机式机械弹性储能机组的研究与运行阶段会选择低成本、容易获得的弹簧钢作为储能的材料。

3.2 储能箱

储能箱以存储和释放机械弹性能为主要任务，关键性设计以储能箱输入扭矩过程中最大限度平缓为前提，以增大储存箱储能容量为目标。因此，利用最新型的联动式储能箱，并且克服摩擦阻力，与此同时增大其输出扭矩，这样可以数十倍地提升储能箱的储能容量。

3.3 发电电机

从目前形势来看，风力发电额定功率已达到兆瓦级别，其相关技术也趋于成熟，然而由于使用的场合不同，其技术应用的范围也被逐渐扩大，同时兆瓦级永磁同步牵引电机也在研发当中。但是，机械弹性储能与其并不相同，机械弹性储能是以涡簧弹性能为动力，需要与永磁电机相匹配。

4 永磁电机式机械弹性储能机组储能操作策略

4.1 弹性涡簧材料、结构等的构效关系

涡簧储能材料进行储能时会受到弹性形变，实现机械能到弹性势能的转变，当释放能量时又会将弹性势能转变成机械能。要将涡簧材料作为永磁电机式机械弹性储能机组的主要材料，既要研究涡簧材料性能又要观测其构效关系进而得到储能和发电时弹性涡簧性能。进一步对联动式储能箱结构和制作提供了有效科学依据。

4.2 联动式储能箱的结构设计与制造

基于涡簧材料作为永磁电机式机械弹性储能机组的主要材料，结合其独特性质，为大型联动式储能箱的结构、制造工艺、设计理论以及安装技术等方面提供了有益的实践经验。同时在建立联动式储能箱结构、密度以及储能容量等基础上，为永磁电机式机械弹性储能机组的研发、运行提供了夯实的基础。

4.4 永磁电机式机械弹性储能机组储能应用策略与实践方式

永磁电机式机械弹性储能机组内部通过电能与机械能相互转化来保持核心处于各种工况，而联动式储能箱的特性则为实现永磁电机式机械弹性储能机组的平稳运行和高效发电控制提供了关键保障，从而确保电网系统的安全稳定运行。

4.5 永磁电机式机械弹性储能机组中的低电压穿越技术

低电压的穿越技术是指当电网发生故障或者是网点电压被扰乱时，在电网的范围内，永磁电机式机械弹性储能机组可以在短时间内实行不断网的并网运行能力。因此要不断对此项技术进行改革创新，保证永磁电机式机械弹性储能机组可以正常地进行工作。

综上所述，本文通过对永磁电机式机械弹性储能机组储能运行控制策略的研究，充分了解了涡簧材料与运行技术、联动储能箱以及发电电机等，证明了永磁电机式机械弹性储能机组是一种具有研究与发展前景的储能方式，可以推动我国大规模电能储存技术的进步。