基于飞轮储能技术的柴油机钻机机械调峰

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1、基于飞轮储能技术的柴油机钻机机械调峰1.绪论1.1.课题研究的背景、目的和意义飞轮储能技术作世界的前沿技术，它主要是利用飞轮的加速储能和减速放电来实现机械能与电能之间的相互转化。飞轮储能技术的主要特点包括以下几个方面：①飞轮储能功率密度比较大、高，可以在短暂的时间内输出相当高的能量，这一特点非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动；②飞轮储能作为世界前沿技术，它的储能密度很大、能量转换效率非常高（约为90%）；③测量剩余电量和放电深度容易；④飞轮储能技术属于分钟级别，其使用寿命比较长；⑤对环境要求不高；⑥它的优势在与其他装置组合使用时更加明显，如

2、与传统的发电机组混合用于分布式发电系统中，可以将发电机组处于低负荷的能量存储起来，供高负载时的利用。目前情况下，化学电池技术的不足越来越突出，比如对环境污染相当严重、不能短期充电、对充放电次数的限制、对工作温度的要求很高等。在这种情况下，新行的储能技术得到了高度的重视，使得飞轮储能技术得到了迅速的发展。基于飞轮储能系统突出的优势，本文首次提出将其应用于油田钻井平台，辅助石油钻机动力机组负载调峰。1.2.飞轮储能技术的发展概况及研究现状随着社会的发展，能源问题已经迫在眉睫，尤其是在21世纪能源问题已经刻不容缓。在新能源的不断开发过程中，还必须制定出先

3、进的能量存储技术和节能技术[1]。飞轮储能(简称FES)技术作为先进的储能技术备受关注，其原理简单、控制方便[2]。飞轮储能系统是一种高科技的机电一体化系统，其主要是将高速电机技术、磁悬浮技术、电力电子技术、真空技术以及复合材料等新技术相结合，以实现能量的高效转化。能源存储技术主要由三种形式组成：机械储能、电化学储能以及电磁储能[4]。其中电化学储能已成为目前最成熟的储能方式之一，主要是蓄电池储能技术；电磁储能技术的种类非常繁多，如电容器储能、超导磁储能等；飞轮储能技术是一种机械储能，也是机械储能技术中应用最为广泛的一种，还有一些机械储能技术近年来

4、也得到了快速的发展，如抽水储能、压缩空气储能等。在目前情况下，化学电池不仅是产量最大的存储技术，也是最为完整的能量存储技术，所以电能的存储通常都是用化学蓄电池[5]，比如铅酸电池。通过将电能转换为化学能实现电能储存，化学蓄电池价格低廉但对环境污染和腐蚀问题难以避免，一些主要性能总是难以提高。燃料电池由于其特殊的构成以及质量轻、工作可靠、没有污染以及使用寿命长等特点，近几年得到了广泛利用。燃料电池主要由燃料(一般采用氢)、电极、氧化剂以及电解液等组成，其中电极不参与其中的化学反应。因此，这种电池通常用在电力行业与汽车工业中。2.飞轮储能技术在钻机机械

5、调峰系统中的应用研究2.1.飞轮储能系统的基本构成与原理在飞轮储能系统中，为了降低电机在怠速运行时的损耗，提高储能装置的利用效率，本文在轴承选型上采用的是磁悬浮轴承技术，该技术可以降低损耗、提高电机的利用效率。一般情况下，飞轮电机是通过一台电机来实现的，通过轴承使飞轮和电机直接连在一起且密封在真空容器内。常用的飞轮储能装置主要由飞轮、轴、轴承、集成式电动/发电机、真空容器以及电力电子变换装置等组成[17~20]。图2-1为飞轮储能装置结构的示意图所示。飞轮储能装置主要是由飞轮、电机以及电力电子变换装置3个核心部分组成。其工作原理为：当系统加速储能时

6、，通过电力电子变换装置将输入的电能转换成控制驱动电动机旋转的电能，这样飞轮就被电机带动加速旋转，将电能转换成飞轮的机械能存储下来；当系统减速放电时，飞轮通过降速带动发电机旋转，将存储的机械能转化为电能[21]，最后为了满足用户的需求，通过电力电子变换装置将飞轮发电机发出的电能变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，要求飞轮在空载运转时损耗极小，甚至可以忽略不计。其中的电力电子装置一般是由MOSFET或IGBT组成的双向电力变换器，它对飞轮储能装置输入输出能量大小起着一定的决定权，外接负载的性质与该装置没有关系。至此，该飞轮储能装置通过两用电机完成

7、了加速储能和减速发电的过程。它的原理图如图2-2所示。..2.2.飞轮电机的选择及其工作原理飞轮储能系统中，加速储能和减速放电的能量传递都是通过飞轮电机来实现的，所以电机是能量转换的核心部件。因此，对电机的选择就有着比较严格的要求，具体要求主要有[17~23]：根据以上的要求，在通常情况下，可供选择的电机有：感应电机、磁阻电机以及永磁无刷直流电机[24]。其中感应电机的转换效率较低，因此要做到高速控制相当复杂，而开关磁阻电机的构成非常复杂，且价格比较昂贵，功率因数很低。永磁无刷直流电机与前两种电机相比具有：效率高、功耗小、可靠性高、寿命长、启动力矩

8、大以及调速性好等优点。从电机系统的结构要求和减小功率损耗方面考虑，几乎所有的单位都将BLDCM作为飞轮的储能电机。美国In