基于并网型微电网多级储能系统的设计

何勇，彭晓，曾丽琼，冯韧（湖南工业大学　电气学院　湖南株洲412000）

基于并网型微电网多级储能系统的设计

何勇，彭晓，曾丽琼，冯韧
（湖南工业大学电气学院湖南株洲412000）

摘要：设计了一种新型的弹性储能系统，联合相关的自动控制系统实现自动控制储能与能量的释放。采用了多级发条重复储能，实现了储能大，重复利用率高，避免了传统化学电池的弊端。首次引进了能量子弹的新型储能概念，并能通过相关的制动控制系统实现了能量子弹与母体间的分离。利用能量子弹解决目前弹性储能系统间不能进行大能量存储以及运输的瓶颈，为微电网并网稳定性问题的解决打下基础。

关键词：微电网；弹性储能；稳定性

本文引用格式：何勇，彭晓，曾丽琼，等．基于并网型微电网多级储能系统的设计[J]．新型工业化，2015，5（7）：64-70

Citation:HEYong,PENGXiao,ZENLi-qiong,etal.ANewTypeofMultistageEnergyStorageSystemBasedon Grid-ConnectedMicro-grid[J].TheJournalofNewIndustrialization,2015,5（7）:64-70.

0　引言

能源是我们生活的物资基础，在满足能源需要，又不影响环境的前提下，人类在采取各种措施提高能源的利用率，对能源结构进行改善，充分利用清洁能源。在我们国家清洁能源发电发展非常慢，相关技术有待改进，建设规模不大，但我国具有丰富的天然资源优势和巨大的市场需求空间，为我国清洁能源的发展打下了基础。在国家相关政策扶持下，清洁能源的利用已经成为了关注的焦点，有待解决的问题越来越多，发展空间巨大。风能，太阳能和潮汐能都是清洁能源，但它们又是一种随机性和间歇性能源，因此由太阳能发电系统，风能发电系统和潮汐能发电系统等组成的微型电网，在并网时会因它的随机性和间歇性的特点给电网带来冲击，，成为了微网并网发展的瓶颈，要解决这个问题，可以利用储能方式来解决。把储能系统运用到微电网中，利用它在动态情况下储存能量，在适当时候释放所储存的能量，改善风电场输出功率的可控性，这是我们至今在用的一种方法，能够有效的弥补风电的间歇性和随机性特点。但是储能少，储能不可移植问题一直没有解决。

本文利用弹簧特性材料和弹簧机构的特点，即当其弹性材料产生形变后，能够把机械能变成回形变或者把回形变变成机械能，正是基于弹簧这一特性来进行研究，在原有的机构上改进弹性储能机构，改变原来的弹性储能机构储能少，所储能量不可移植性问题。

1　储能装置的结构及其工作原理

1.1储能装置的结构

储能结构由电机、联轴器、转筒、棘轮结构和带有斜面的底座（如图1所示）组成，这些已在储能装置的结构图2中画出，在装置中还包含有自动控制系统，自动分离系统装在储能装置的电机处，用来分离已储满能量的弹簧结构，分离状态如图3所示。

图1　带斜面的底座图Fig.1　The　bevel　base

图2　储能装置的结构图Fig.2　The　structure　of　energy　storage　device

图3　能量子弹分离状态图Fig.3　The　diagram　of　Energy　bullet　separation　state

1.2储能装置工作原理

该储能装置的转筒中含有四个涡卷弹簧结构（如图4所示），在本文中把单个涡卷弹簧结构叫做能量子弹，它的每个能量子弹的储能机理和传统的单发条是一样的，都是利用钢条的弹性进行储能，通过电动机带动轴的转动，使缠绕在轴上的发条发生形变从而进行旋转储能。

转筒里含有的每个涡卷弹簧结构及其相关控制装置组成一个子系统，每个子系统都是一个能量子弹储能装置，当把它们装进去时，它们处于非工作状态（如图2所示），棘轮限制了它们的旋转，此时既不能进行储能也不能进行释放能量。通过进步电机带动外筒转动，随着底座斜面高度的变化（斜面底座如上图1），使得处在底座最低处的子系统脱离棘轮的束缚，该子系统的轴突出，与电动机通过联轴器联合，然后在电动机的转动下进行储能。当这个储能完成时，相应的的力感应装置测到力达到最大值时会把信号传回控制器控制相应的进步电机带动下一个子系统进入相应的储能位置，这里只进行相应的技术阐述，不做具体的结构设计。在下一个未储满能量的子系统进入时，上一个储满能量的子系统在端部的弹簧的作用下回缩。端部弹簧的伸缩状态如图5所示。

图4　储能装置端部结构Fig.4　Energy　storage　device　end　structure

如果有无限多的能量子弹的话，我们可以在无限储能模式下储能，不断的从B处（图2所示）拿出储满的能量子弹，取出的能量子弹将在控制系统的控制下拿到相应的储存室进行存储，然后放入未储满的子弹就可以无限储存能量。储能装置中储能弹簧的选择时最重要的，他决定储能的多少。

2　储能装置中弹簧的选择及其弹簧结构力学仿真分析

2.1弹簧的选择

弹簧的类型很多，按外形可以区别为三种：螺旋型弹簧、板型弹簧和特种型弹簧等，但对于螺旋型弹簧分成三种，他们分别是压缩型螺旋弹簧、拉伸型螺旋弹簧和扭转型螺旋。弹性储能机构以平面涡卷弹簧来进行储能，平面涡卷弹簧是常用弹性工具，它受到不同的力时形变就不一样，可以将不同的能量转化为形变能储存在弹簧里面，力放开后弹簧回到原来状态，又能将变形能转化为机械能或其它形式的能量。

图5　滚筒剖面图Fig.5　Cylinder　profile

我们选择弹簧时，我们第一要注意弹簧的特性，即受力大小和产生弹性变化量的大小间的联系，受力大小E除以角度变化量G就是弹簧的储能强度D，弹簧的特性曲线分为直线型、渐增型和渐减型。就平面涡卷弹簧来说，在受到外力时弹簧有段不能储能，这种情形的曲线就称为直线曲线，当外力不断的加大，弹簧内部相互摩擦，它的曲线就叫做渐增曲线，就能量的加载大小区别，我们需要储存大的能量，因此我们对弹簧承受力的程度大小有要求，所以我们要用渐增曲线型的弹簧，也就是当受力大小的增加，它刚度也不断的增大，考虑到本储能装置本身的特点和平面涡轮它的的弹簧特点，本储能机构选择平面涡卷弹簧作为弹性储能装置的储能元件。具体涡卷弹簧结构如下图6所示。

图6　涡卷弹簧结构图Fig.6　Vortex　coil　spring　structure

图7　3圈弹簧的部分变形图Fig.7　3　Parts　of　the　coil　spring　deformation　figure

2.2弹簧结构力学仿真分析

由于ADAMS软件的分析数量有限，而且储能装置的形状复杂，不能直接进行仿真，所以很难模拟仿真。只能对弹簧结构进行力学仿真，最通过弹簧形变与能量间模型进行推算，从而初步评价该系统的设计的效果。首先对3圈、5圈的弹簧进行了动力学分析，然后由此得出28圈弹簧的刚度曲线。

图8　5圈弹簧的部分变形图Fig.8　5　Parts　of　the　coil　spring　deformation　figure

首先使用Pro/Ewildfire4.0对弹簧进行实体建模，分别建立了3圈弹簧和5圈弹簧的实体模型，该模型包括弹簧芯轴、弹簧盒:和弹簧三部分。用ADAMS进行仿真测试，通过后面的图形曲线可以观察到弹簧受力后变形情况，弹簧受的力大小情况不同，变化的曲线就不一样，应力的分布情况也随着被旋紧圈数的不同而变化，如图7和图8分别表示的是3圈弹簧和5圈弹簧在仿真过程中，弹簧的部分变形图。图9和图10分别为通过仿真得到的3圈弹簧和5圈弹簧的刚度曲线图。

由图9中曲线和图10中曲线可以看出，当弹簧得到力矩的作用，开始卷紧时候，随着卷紧圈数矩也越来越大，但由于弹簧存在空转，弹簧空转的圈数也在增加，弹簧刚度曲线的直线段斜率在逐渐变小，再由弹簧的储能计算公式为U=T￠，通过U=T￠可以把扭力的两个曲线相加，就可以画出能量曲线，如图11和图12所示，图11和图12分别为3圈弹簧和5圈弹簧的储能曲线图，曲线1代表的弹簧变化角度趋势，曲线2代表的是弹簧扭力的变化趋势，根据弹簧的储能公式U=T￠合成得到，即曲线1和曲线2的相乘叠加，其中，横坐标表示弹簧的旋转角度，纵坐标表示弹簧所储存的能量，单位为N.mm.r。

从上面的图可以看出，弹簧刚刚开始就承载大的力，而且就有能量储存，当弹簧受力不断加大。能量也储存的越来越大，所以可以推断弹簧的储能曲线的变化趋势类似与图11和图12所示弹簧的储能曲线。

由上面得到了其在施加一个恒定角速度情况下的弹簧刚度曲线及其储能曲线，下面我们对弹性储能装置的弹簧储能进行计算，计算如下：

图9　3圈弹簧刚度曲线Fig.9　3parts　of　coil　spring　stiffness　curve

图10　5圈弹簧刚度曲线Fig.10　5　parts　of　coil　spring　stiffness　curve

图11　3圈弹簧的储能曲线Fig.11　3　parts　of　Spring　energy　storage　curve

图12　5圈弹簧的储能曲线Fig.12　5parts　of　Spring　energy　storage　curve

式中 K 为涡簧的刚度。

当弹簧末端固定不动，固定在A上，A点到弹簧末端长度为r，在轴上力的大小为T1时，A点将会有T大小的力，相交点的力为P，外部向力大小为P。沿弹簧长度s取无限小的ds弹簧单元体，则此单元内的弹簧变形能dU为：

图13　弹簧的受力分析简图Fig.13　The　diagram　of　spring　force　analysis

在下式中，E表示弹性材料的模量；I 表示为惯性矩，T表示为轴上的牛力大小。弹簧的最大长度为1时，可以得到下式U为：

当轴上用T大小的力时，弹簧内部受力均匀，跟轴受的力一样大，根据力学中的卡式定理：变形能对任一外力 P 的偏导数，等于P作用点沿弹簧P方向上的位移 δ，用公式表示:

因此可得弹簧的变形角为：

由公式（3-1）、（3-4）可得弹簧的扭转刚度为：此外，由（3-3）、（3-4）可得到弹簧储能公式的另一种表达方式：

若用变形圈数n表示变形角的大小，则φ=2πn，由此得弹簧的工作圈数为：

根据中华人民共和国机械行业标准[39]JB/T7366-1994，选择弹簧截面的宽度b=80mm和厚度h=4mm。在进行弹簧设计时，一般选择弹黃长度l和弹簧厚度h的比值，最大不超过15000，所以该弹簧的极限工作长度为=1653MPa。

己知该弹簧的基本参数和材料特性，可以确定其所承受的极限转矩Tj为:所以，可得到该弹簧的最大输出转矩T2为：

其中，K3是根据固定方式不同选择的系数，本文选择销式固定。该弹簧所缠绕的芯轴的直径d3可由公式：

确定，本文选择放置该弹簧所需的弹簧盒的内径D2为：当弹簧受载卷紧时，弹簧圈的外径d2为：

由卷紧时涡簧的外径d2和芯轴直径d1可以确定弹簧在卷紧时候的圈数n2为:

当弹簧卸载松卷时，弹簧的内径D1为：

由该弹簧的基本参数和其所能承受的最大输出转矩T2可以确定该弹簧的理论工作圈数n为:

由弹簧卷紧时的圈数减去其理论工作圈数可以得到弹簧在自由状态下的圈数n0为:

当弹簧置于弹簧盒内后，由弹簧盒内径D2和弹簧卸载松卷时弹簧圈的内径D1可以确定该弹簧在未加转矩状态下的圈数n1为:

由此可以得到该弹簧的有效工作转数n有效为：

根据公式（3-6）可得弹簧的最大储能U为

功率P为

所以，弹簧的储能密度p为:

从上面看储能密度比较大，再假设每个储能弹簧重为30，又因为储能弹簧的个数在弹簧数量能够提供足够多的情况下，可以实现储能巨大（n为弹簧个数）W的值为：

在n为无限的条件下可以实现无限储能。

3　结束语

新型的弹簧储能系统最大的优点就是能实现多级储能，并且每级储好能后可以以能量子弹的形式分级移出来，在能量子弹足够多的情况下可以实现无限储能，所储能量大大增加，所储能量大，为解决微电网并网问题打下了基础。移出的能量子弹也可以为电动汽车充电，只要把能量子弹移到电动汽车上可以让电动汽车边走边充电，解决电动汽车充电等待时间长的问题。

参考文献

[1]M.Geescu，Vetal.Basedontheintroductionofenergystorageequipmentandapplication，Anoverviewofthewindpowersystemandits applicationVolume6.[J].Molecularcell，2008，30（5）：649-656.

[2]P.HuR，KarkiR，Vetal.Thebiggestadvantageisthenewkindofspringenergystoragesystemcanrealizemultistageenergystorage.[J]. Nature，2008，452.

[3]C.N.Rasmussen，LBetal.Energybulletsalsocanchargethebatteryforelectricvehicles，aslongasthemoveenergybulletstoelectric carscanmakeelectriccarstowalkwhilecharging，solvetheproblemofelectricvehiclechargingwaitforlongtimeSpain.[J].TrendsinBiotechnology，2007，25（3）：105-110.

[4]SWMohod，GouetPetal.Springhasjuststartedcarryinglargeforce，andhastheenergystorage，whenthespringforceincreasing.[J]. Nature，2007，450.

[5]TaguchiA，NakanishiHetal.Designanewkindofelasticenergystoragesystem，thejointrelatedautomaticcontrolsystemtorealize automaticcontroloftheenergystorageandenergyrelease.[J].Molecularcell，2005，20（1）：21-32

[6]K.Veszpremi，LealWS.Adoptsthemultistageclockworkrepeatenergystorage，hasrealizedtheenergystorage，repeatedutilizationratio ishigh，toavoidthedisadvantagesofthetraditionalchemicalbattery.[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnited StatesofAmerica，2002，99.

[7]PaulDenholm，BogdanowiczSMetal.Toavoidthedisadvantagesofthetraditionalchemicalbattery.Forthefirsttimetheintroductionofthe conceptofanewtypeofenergystorageenergybullets，andcanpasstherelevantbrakingcontrolsystemtorealizetheseparationbetweenthe energybulletsandmatrix.[J].EnergyPolicy，315-385

[8]J.K.Kaldellis，HaoGetal.Usingenergybulletstoresolvetheelasticenergystoragesystemscannotbebigbetweenenergystorageand transportbottlenecks，laysthefoundationforthemicropowergridstabilityVolume.[J].TheJournalofBiologicalChemistry，2002，277.

[9]WEILI，5Eetal.GEZAJOOS.Bulletsandanoverviewoftheconceptofenergyuseintheroleofcontroltheoryanditswaysandmethods.[J]. Cell，2002，108（6）：735-738

[10WeiDuan，HengchangFeng，HaoGetal.Windpowergenerationsysteminthestudyandapplicationofelasticenergystorage，the applicationofmicrogrid.[J].TheJournalofBiologicalChemistry，2001，276

作者简介：何勇（1988-），男，硕士，主要研究方向：电力系统继电保护。

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.010

A New Type of Multistage Energy Storage System Based on Grid-Connected Micro-grid

HEYong,PENGXiao,ZENLi-qiong,FENGRen
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Hunan Zhuzhou, 412000)

Abstract:Anewtypeofelasticenergystoragesystemisproposedinthispaper,realizingtheautomaticcontrolofenergy storageandtheenergyreleasebytheco-operationoftherelatedautomaticcontrolsystem.Thisdesign,withalargestorageand highreuseratio,adoptsthemultistageclockworksrepeatedstorage,againstthedisadvantageofthetraditionalchemicalbattery. Theconceptofanewtypeofenergystorageenergybulletsintroducedforthefirsttime,inwhichtheenergybulletsandmatrix canbeseparatedbysomerelevantbrakingcontrolsystem.Suchenergybulletscansolvetheproblemoflargeenergy’sstorage andtransportinaelasticenergystorage,layingafoundationforgrid-connectedstabilityofthemicro-grid.

Keywords:Themicro-grid;Elasticenergystorage;Stability