本書(shū)是我國(guó)機(jī)械彈性儲(chǔ)能科技領(lǐng)域的第一本著作，系統(tǒng)地闡述了華北電力大學(xué)機(jī)械彈性儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)十幾年來(lái)所取得的研究成果，并通過(guò)探討國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地分析、總結(jié)新型機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)理論、實(shí)現(xiàn)方案及其技術(shù)應(yīng)用。從翔實(shí)的理論分析入手，到10kW永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)的具體設(shè)計(jì)和運(yùn)行，再到機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)各類(lèi)場(chǎng)景的應(yīng)用設(shè)計(jì)展望，方便大家深入淺出地理解新型機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)。本書(shū)將系統(tǒng)性、前沿性、理論性與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，融合了電機(jī)、材料及機(jī)械專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)，可供能源、電力、機(jī)械等專(zhuān)業(yè)師生參考，也為傳播機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)起到拋磚引玉的作用。
余洋，男，2005年華北電力大學(xué)（保定）電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)，2008年西安交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)碩士畢業(yè)，2016年華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)博士畢業(yè)。2019—年至2020年美國(guó)Lehigh University公派訪問(wèn)學(xué)者。
現(xiàn)為華北電力大學(xué)（保定）電力工程系副教授，碩士研究生導(dǎo)師，電自教研室副主任，九三學(xué)社華北電力大學(xué)支社副主委。IEEE抽水蓄能中國(guó)區(qū)儲(chǔ)能技術(shù)委員會(huì)儲(chǔ)能并網(wǎng)與運(yùn)行技術(shù)分委會(huì)理事、儲(chǔ)能市場(chǎng)與規(guī)劃技術(shù)分委會(huì)理事，IEEE Member，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)會(huì)員，新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究成員，河北省分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究成員。
長(zhǎng)期從事電力儲(chǔ)能技術(shù)、需求側(cè)資源聚合建模與調(diào)度控制等領(lǐng)域的研究工作。在《IEEE Trans. Power Electronics》、《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》、《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》等國(guó)內(nèi)外重要期刊上發(fā)表論文30多篇，以主要發(fā)明人申請(qǐng)授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)。
承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)基金、國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司、科研機(jī)構(gòu)等縱橫向項(xiàng)目10多項(xiàng)；參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、教育部高校博士學(xué)科點(diǎn)基金。曾獲河北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，入選河北省“三三三人才工程”人選。目前正主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、河北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題、國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等多個(gè)項(xiàng)目。
第 1 章 儲(chǔ)能技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.1 新形勢(shì)下儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)背景及意義 1
1.1.1 研發(fā)背景 1
1.1.2 研發(fā)意義 2
1.2 儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀 3
1.2.1 物理儲(chǔ)能 4
1.2.2 電化學(xué)儲(chǔ)能 6
1.2.3 電磁儲(chǔ)能 7
1.2.4 相變儲(chǔ)能 8
1.2.5 對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的評(píng)價(jià) 8
1.3 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)概述 9
1.3.1 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)的提出 9
1.3.2 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析 10
1.3.3 機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式 11
參考文獻(xiàn) 12
第 2 章 機(jī)械彈性儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)、可行性及儲(chǔ)能指標(biāo) 14
2.1 引言 14
2.2 機(jī)械彈性儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)分析 14
2.3 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)的可行性 15
2.4 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)的主要特性指標(biāo) 17
2.4.1 儲(chǔ)能技術(shù)的主要特性指標(biāo) 17
2.4.2 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)特性指標(biāo) 19
2.4.3 不同渦簧材料的儲(chǔ)能特性指標(biāo)分析與比較 24
2.4.4 機(jī)械彈性儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能技術(shù)的特性比較 28
參考文獻(xiàn) 33
第 3 章 機(jī)械彈性儲(chǔ)能用渦簧非線性力學(xué)特性 34
3.1 引言 34
3.2 關(guān)于渦簧的基本假設(shè) 34
3.3 非接觸型渦簧的力學(xué)分析 35
3.4 接觸型渦簧力學(xué)模型的建立及分析 37
3.4.1 儲(chǔ)能前渦簧的兩種狀態(tài) 38
3.4.2 儲(chǔ)能前渦簧力學(xué)特性的計(jì)算 41
3.4.3 初始狀態(tài)渦簧彎矩計(jì)算結(jié)果 52
3.5 儲(chǔ)能過(guò)程渦簧力學(xué)模型建立及分析 54
3.5.1 渦簧 3 種形態(tài)的劃分 54
3.5.2 渦簧儲(chǔ)能過(guò)程的非線性分析 56
3.5.3 渦簧 3 種形態(tài)及彎矩的計(jì)算 57
3.5.4 形態(tài)迭代法的建立 62
3.5.5 渦簧形狀、彎矩變化計(jì)算結(jié)果 63
3.6 儲(chǔ)能過(guò)程渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 65
3.6.1 渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法分析 65
3.6.2 渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 66
3.6.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算結(jié)果 70
參考文獻(xiàn) 71
第 4 章 機(jī)械彈性儲(chǔ)能用渦簧儲(chǔ)能過(guò)程的有限元數(shù)值分析 72
4.1 引言 72
4.2 儲(chǔ)能過(guò)程渦簧的應(yīng)力分析 72
4.2.1 渦簧極坐標(biāo)方程的建立 73
4.2.2 渦簧應(yīng)力的計(jì)算及分析 77
4.2.3 有限元建模及分析 78
4.3 儲(chǔ)能過(guò)程渦簧的穩(wěn)定性分析 81
4.3.1 鋼梁的穩(wěn)定性 81
4.3.2 有限元建模及分析 83
4.3.3 結(jié)果分析 85
4.4 渦簧模態(tài)分析 87
4.4.1 模態(tài)分析方法 87
4.4.2 單體渦簧模態(tài)分析 87
4.4.3 渦簧箱模態(tài)分析 89
4.5 渦簧連接結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 93
4.5.1 渦簧內(nèi)端連接強(qiáng)度分析 93
4.5.2 渦簧外端連接強(qiáng)度分析 98
參考文獻(xiàn) 103
第 5 章 機(jī)械彈性儲(chǔ)能用渦簧儲(chǔ)能密度的計(jì)算及設(shè)計(jì)優(yōu)化 104
5.1 引言 104
5.2 渦簧儲(chǔ)能密度概述 104
5.3 渦簧儲(chǔ)能密度的分析計(jì)算及優(yōu)化 105
5.3.1 渦簧儲(chǔ)能量的分析計(jì)算 105
5.3.2 渦簧儲(chǔ)能密度影響因素的分析 107
5.3.3 提高渦簧儲(chǔ)能密度的方法 110
5.3.4 渦簧儲(chǔ)能密度的優(yōu)化 111
5.3.5 優(yōu)化結(jié)果分析 113
5.3.6 有限元建模分析 115
5.3.7 儲(chǔ)能密度結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn) 118
5.4 基于微分進(jìn)化的渦簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 119
5.4.1 優(yōu)化問(wèn)題的描述 119
5.4.2 3 種目標(biāo)函數(shù)下渦簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 121
5.4.3 3 種目標(biāo)函數(shù)下優(yōu)化設(shè)計(jì)后渦簧儲(chǔ)能特性的比較 123
5.4.4 3 種目標(biāo)函數(shù)下取不同彈簧厚度范圍時(shí)渦簧的優(yōu)化設(shè)計(jì) 125
參考文獻(xiàn) 130
第 6 章 機(jī)械彈性儲(chǔ)能用聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其模塊化安裝調(diào)試技術(shù) 131
6.1 引言 131
6.2 現(xiàn)有提高渦簧儲(chǔ)能量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 131
6.3 聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理分析 132
6.3.1 聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 132
6.3.2 聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱的工作原理 133
6.3.3 聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱用支撐裝置 134
6.3.4 聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱的優(yōu)點(diǎn)分析 136
6.4 渦簧標(biāo)準(zhǔn)化模塊封裝技術(shù) 137
6.5 渦簧模塊推拉式裝配技術(shù) 138
6.6 聯(lián)動(dòng)儲(chǔ)能箱組安裝調(diào)試技術(shù) 139
參考文獻(xiàn) 141
第 7 章 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 142
7.1 引言 142
7.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 142
7.2.1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 142
7.2.2 建模假設(shè) 143
7.2.3 靜止 ABC 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 143
7.2.4 靜止 αβ 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 145
7.2.5 旋轉(zhuǎn) dq0 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 146
7.3 雙 PWM 變頻器模型 147
7.3.1 雙 PWM 變頻器結(jié)構(gòu)及工作原理 147
7.3.2 SVPWM 控制技術(shù) 148
參考文獻(xiàn) 153
第 8 章 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能運(yùn)行控制技術(shù) 154
8.1 引言 154
8.2 控制問(wèn)題的形成 154
8.2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)分析 154
8.2.2 機(jī)械彈性儲(chǔ)能用永磁同步電動(dòng)機(jī)控制問(wèn)題提出 155
8.3 負(fù)載慣量、扭矩同時(shí)變化情形下永磁同步電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行控制 156
8.3.1 儲(chǔ)能箱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及轉(zhuǎn)矩同時(shí)辨識(shí) 156
8.3.2 非線性反推控制器設(shè)計(jì) 157
8.3.3 穩(wěn)定性證明及分析 161
8.3.4 控制參數(shù)優(yōu)化 162
8.3.5 仿真實(shí)驗(yàn)與分析 164
8.4 負(fù)載慣量、扭矩同時(shí)變化情形下系統(tǒng)反推 DTC 控制 167
8.4.1 反推控制器設(shè)計(jì) 167
8.4.2 控制參數(shù)優(yōu)化 170
8.4.3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析 171
參考文獻(xiàn) 174
第 9 章 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù) 176
9.1 引言 176
9.2 控制問(wèn)題的形成 176
9.2.1 永磁同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)分析 176
9.2.2 機(jī)械彈性儲(chǔ)能用永磁同步發(fā)電機(jī)控制問(wèn)題提出 177
9.3 動(dòng)力源慣量、輸出扭矩同時(shí)變化時(shí)永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制 178
9.3.1 動(dòng)力源轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩同時(shí)變化的數(shù)學(xué)描述 178
9.3.2 電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定的數(shù)學(xué)表達(dá) 179
9.3.3 高增益干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì) 180
9.3.4 L2 魯棒反推控制器設(shè)計(jì) 181
9.3.5 穩(wěn)定性分析與證明 183
9.3.6 仿真實(shí)驗(yàn)與分析 185
9.4 動(dòng)力源慣量、輸出扭矩同時(shí)變化時(shí)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)速及并網(wǎng)控制 186
9.4.1 自適應(yīng)調(diào)速控制算法 186
9.4.2 并網(wǎng)控制算法 190
9.4.3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析 192
參考文獻(xiàn) 195
第 10 章 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)振動(dòng)抑制及振動(dòng)與效率同時(shí)優(yōu)化控制 196
10.1 引言 196
10.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 196
10.2.1 柔性負(fù)載振動(dòng)抑制研究現(xiàn)狀 196
10.2.2 PMSM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率優(yōu)化控制方法現(xiàn)狀 197
10.3 系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)抑制 198
10.3.1 基于反推原理的機(jī)組儲(chǔ)能運(yùn)行振動(dòng)抑制控制器設(shè)計(jì) 198
10.3.2 基于最小二乘法的渦簧振動(dòng)模態(tài)估計(jì) 205
10.3.3 反推控制器穩(wěn)定性證明 206
10.3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析 206
10.4 系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)與效率同時(shí)優(yōu)化控制 211
10.4.1 基于損耗模型的機(jī)組統(tǒng)一控制反推控制器設(shè)計(jì) 211
10.4.2 基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的鐵耗電阻辨識(shí) 216
10.4.3 控制器穩(wěn)定性證明 219
10.4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析 219
參考文獻(xiàn) 224
第 11 章 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)新型閉環(huán) I/f控制及振動(dòng)與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)同時(shí)優(yōu)化控制 225
11.1 引言 225
11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 226
11.3 系統(tǒng)新型閉環(huán) I/f控制 228
11.3.1 I/f控制的可行性分析 228
11.3.2 對(duì)傳統(tǒng) I/f控制的改進(jìn)策略 230
11.3.3 仿真實(shí)驗(yàn)分析 233
11.4 系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)同時(shí)優(yōu)化控制 237
11.4.1 機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組控制性能提升的必要性分析 237
11.4.2 考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的 PMSM 電磁轉(zhuǎn)矩模型 238
11.4.3 考慮渦簧振動(dòng)及電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的閉環(huán) I/f 控制策略優(yōu)化 240
11.4.4 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 243
參考文獻(xiàn) 248
第 12 章 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)邏輯保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 251
12.1 引言 251
12.2 邏輯保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)功能要求和設(shè)計(jì)原則 252
12.2.1 邏輯保護(hù)系統(tǒng)功能要求和設(shè)計(jì)原則 252
12.2.2 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)功能要求和設(shè)計(jì)原則 253
12.3 機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組邏輯保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 254
12.3.1 部件使能邏輯保護(hù) 254
12.3.2 運(yùn)行動(dòng)作邏輯保護(hù) 255
12.3.3 運(yùn)行狀態(tài)顯示保護(hù) 256
12.4 機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 258
12.4.1 監(jiān)控系統(tǒng)控制面版 259
12.4.2 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行程序 262
12.4.3 監(jiān)控系統(tǒng)故障保護(hù) 276
參考文獻(xiàn) 277
第 13 章 10kW 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)集成及運(yùn)行實(shí)驗(yàn) 278
13.1 引言 278
13.2 10kW 機(jī)械彈性儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)技術(shù)集成 278
13.2.1 實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)總體技術(shù)方案 278
13.2.2 實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)儲(chǔ)能箱組參數(shù)計(jì)算 279
13.2.3 實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)機(jī)械傳動(dòng)及電氣控制裝置配套設(shè)計(jì) 281
13.3 10kW 機(jī)械彈性儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 286
13.3.1 實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)行實(shí)驗(yàn) 286
13.3.2 實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)功率恒定運(yùn)行實(shí)驗(yàn) 291
參考文獻(xiàn) 297
第 14 章 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用探析 298
14.1 引言 298
14.2 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于城鐵再生制動(dòng)能量回收 298
14.2.1 城鐵再生制動(dòng)能量回收常見(jiàn)方案 298
14.2.2 配備儲(chǔ)能設(shè)備的功率和能量計(jì)算 299
14.3 機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于岸橋集裝箱起重機(jī)節(jié)能降耗 300
14.3.1 岸橋起升和下放過(guò)程中能量回收常見(jiàn)方案 300
14.3.2 配備儲(chǔ)能設(shè)備的能量和功率計(jì)算 300
14.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組渦簧儲(chǔ)能調(diào)速裝置 301
14.5 汽車(chē)用機(jī)械彈性儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)技術(shù) 303
14.6 波浪能回收與利用裝置 305
14.7 微電網(wǎng)沖擊負(fù)荷功率波動(dòng)平抑 307
參考文獻(xiàn) 308
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