Design und experimentelle Untersuchung des Schwungrad-Energiespeichersystems

Nachrichten aus dem chinesischen Energiespeichernetzwerk: Chen Daixingjian, Jiang Xinxin, Wangqiunan, Wangyong, Wangshanming und Li Guoxian, Forscher des Fachbereichs Elektrotechnik der Tsinghua-Universität und der Tsinghua-Universität, schrieben 2017 in der 21. Ausgabe des Journal of Electrical Technology. Für das Hybridantriebssystem des Bohrgeräts wurde ein Schwungrad-Energiespeichersystem mit 1 MW / 60 MW entwickelt. Experimentelle Untersuchungen zu dynamischem Gleichgewicht, Laden und Entladen, Verlust und Effizienz des Axialsystems wurden durchgeführt.

Das hochfeste Schwungrad aus legiertem Stahl mit variablem Querschnitt dient zur Speicherung kinetischer Energie. Die Schwungradmotorwelle ist eine vertikale Stützstruktur. Das schwer montierte Permanentmagnetringlager trägt 97% des Achsgewichts. Der Rotor des Permanentmagnetmotors verwendet deutschlandförmigen Siliziumstahl, der mit magnetischem Stahl eingebettet ist, um eine hohe Geschwindigkeit und einen sicheren Betrieb zu erreichen.

Basierend auf der leistungselektronischen Transformations- und Motorsteuerungstechnologie mit hoher Kapazität wurden die Hardware und Software der Steuerschaltung für das Laden mit 100 bis 300 kW und das Entladen mit 500 bis 1000 kW entwickelt. Während des Ladevorgangs wurde die Regelungsstrategie mit doppeltem Regelkreis für schwachen Magnetismus, Geschwindigkeit und Strom angewendet. Im Entladungsprozess werden Spannungsregelkreise und Stromvorwärtsregelungsstrategien verwendet. Nach dem dynamischen Gleichgewicht wird die Vibration des Schwungrad-Energiespeichers auf 0,07 mm reduziert. Die Lade- und Entladeeffizienz des Schwungrad-Energiespeichernetzteils erreicht 86% -88%.

Das Grundprinzip der Schwungrad-Energiespeicherung ist die Umwandlung zwischen elektrischer Energie und kinetischer Energie des rotierenden Körpers: In der Energiespeicherphase wird das Schwungrad vom Motor beschleunigt, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Während der Energiefreisetzungsphase arbeitet der Motor als Generator, der Schwungradmotor verlangsamt sich, wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um und gibt sie aus.

Das moderne Schwungrad-Energiespeichersystem integriert fortschrittliche Verbundrotortechnologie, Magnetlagertechnologie, Hochgeschwindigkeitsmotor und Leistungselektroniktechnologie, um die Leistung erheblich zu verbessern. Um das Jahr 2000 wurde begonnen, moderne Schwungrad-Energiespeicherprodukte auf unterbrechungsfreie Stromversorgung, Stromqualitätsmanagement und Stromnetz-FM umzustellen. Die in der Entwicklung befindlichen Schwungradspeicher-Energieanwendungen umfassen die Erzeugung von Windkraft und Solarenergie. In den letzten Jahren hat China Durchbrüche in der Forschung und Entwicklung von Schlüsseltechnologien für die Schwungrad-Energiespeicherung erzielt.

Ölbohrinsel ist die Hauptausrüstung für den Bohrbau. Seine Leistung wird normalerweise von Diesel- oder Erdgasmotoren geliefert. Die Ausgangseigenschaften des Netzteils sind nicht flexibel genug, um sich an die häufigen und großen Schwankungen der Rig-Last anzupassen, und das Stromversorgungssystem verfügt über eine höhere Leistungsredundanzkapazität.

Der Spitzeneinstellmotor und die Schwungrad-Energiespeichervorrichtung werden in das Bohrkraftsystem eingeführt, um den Spitzeneinstellvorgang zu realisieren. Bei niedriger Last die redundante Leistung des Aggregats verwenden, um den Spitzeneinstellmotor anzutreiben, um Strom zu erzeugen und das Schwungrad-Energiespeichersystem aufzuladen; Wenn eine Spitzenlast auftritt, entlädt sich das Schwungrad-Energiespeichersystem, treibt den Spitzenregelungsmotor an, um einen elektrischen Betrieb auszuführen, und gibt schnell Strom an das Stromversorgungssystem ab, um die Last auszugleichen. Das in Spitzenzeiten laufende Aggregat läuft reibungslos und kann die redundante Kapazität reduzieren, was zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung beiträgt.

Die vom Rig-Hybrid-Übertragungssystem vorgeschlagenen technischen Indikatoren für den Energiespeicher sind: 100-300 kW Ladeleistung, 500-1000 kW Erzeugungsleistung, 42 MJ nutzbare Energie und 3-5 Minuten häufiger Lade- und Entladezyklus . Die Forschung zeigt, dass die Hersteller keine ausgereiften Produkte anbieten können. Zu diesem Zweck wurde ein 1 MW / 60 MW-Schwungrad-Energiespeichersystem entwickelt und eine experimentelle Studie zum axialen dynamischen Gleichgewicht, Laden und Entladen, Verlust und Wirkungsgrad durchgeführt.

Fazit

Unter Verwendung der Finite-Elemente-Festigkeitsanalyse wird die Gitterstruktur des Schwungrads aus legiertem Stahl mit variablem Querschnitt und des Permanentmagnetmotors aus eingebettetem Magnetstahl modelliert und optimiert. Nach einer optimierten Konstruktion erreicht die Tragfähigkeit des zusammengebauten Permanentmagnetlagers 50 kN, was dem Gewicht des Schwungradmotorwellensystems entspricht.

Basierend auf der leistungselektronischen Transformation und der Motorvektorsteuerungstechnologie mit hoher Kapazität werden die Steuerschaltungshardware und -software für das Laden mit geringer Leistung und die Stromerzeugung mit hoher Leistung entwickelt. Die kombinierten Regelstrategien von schwachem Magnetismus, Stromdurchführung, Spannungsregelung und Drehzahlregelung werden angewendet. Die Vibration des Schwungrad-Energiespeichers wurde im Bereich mit hoher Drehzahl nach dem Manöverausgleich auf 0,02 mm reduziert, und es wurde realisiert, dass der gesamte Geschwindigkeitsbereich reibungslos lief.

Die theoretische Analyse des mechanischen Verlusts und des Eisenverlusts des Motors stimmt mit den experimentellen Ergebnissen überein. Der System-Standby-Verlust beträgt 18 kW, was 2% der maximalen Leistung der Stromerzeugung entspricht. Der Wirkungsgrad des Lade- und Entladezyklus des Schwungrad-Energiespeichersystems beträgt 86% -88%. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Schwungrad-Energiespeicher eine leistungsstarke und hocheffiziente Energiespeichertechnologie ist.

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