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，本書將繫統性、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繫統樣機的具體設計和運行，再到機械彈性儲能繫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。

●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 機械彈性儲能繫統的技術實現形式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 關於渦簧的基本假設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建模分析115
5.3.7 儲能密度結構優化的實現118
5.4 基於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後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範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繫統的數學模型 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坐標繫下的數學模型143
7.2.4 靜止αβ坐標繫下的數學模型145
7.2.5 旋轉dq0坐標繫下的數學模型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繫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繫統反推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繫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繫統自適應調速及並網控制186
9.4.1 自適應調速控制算法186
9.4.2 並網控制算法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繫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驅動繫統效率優化控制方法現狀197
10.3 繫統運行振動抑制198
10.3.1 基於反推原理的機組儲能運行振動抑制控制器設計198
10.3.2 基於最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 繫統運行振動與效率同時優化控制211
10.4.1 基於損耗模型的機組統一控制反推控制器設計211
10.4.2 基於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繫統新型閉環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 繫統新型閉環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 繫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繫統邏輯保護與監控繫統設計 251
12.1 引言251
12.2 邏輯保護和監控繫統功能要求和設計原則252
12.2.1 邏輯保護繫統功能要求和設計原則252
12.2.2 監測控制繫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繫統設計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繫統設計258
12.4.1 監控繫統控制面版259
12.4.2 監控繫統運行程序262
12.4.3 監控繫統故障保護276
參考文獻277
第13章 10kW永磁電機式機械彈性儲能繫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 實驗性樣機轉速恆定運行實驗286
13.3.2 實驗性樣機功率恆定運行實驗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於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於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 微電網衝擊負荷功率波動平抑307
參考文獻308

本書是我國機械彈性儲能科技領域的第一本著作，繫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，並通過探討國內外相關技術研究現狀，繫統地分析、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繫統樣機的具體設計和運行，再到機械彈性儲能繫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。本書將繫統性、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。

餘洋 等 著