郑建勇 储能国际峰会--上海航天汇报交流材料-公开

航天飞轮与储能飞轮的技术转 化及研究进展 Technology Conversion and Research Progress of Space Flywheel and Energy Storage Flywheel 2019-05-18 郑建勇 博士 /研究员 上海航天控制技术研究所 上海市空间智能控制技术重点实验室 第一部分：单位概况介绍 第二部分 ：航天飞轮技术应用 第三 部分 ：储能飞轮技术特征 第四 部分 ：技术转化进展及成果 第五部分 ：结束语 上海航天控制技术研究所主要从 事武器和宇航领域的控制系统和光电 探测系统及关键单机产品的研究 、 开 发 、 设计 、 生产 、 试验和服务 ， 是 专 业特色突出 、 研产一体 、 军民融合 的 大型控制与业技术研究所 。 现有 员工 2200余人 ， 是上海航天 最大的 军品研究所 ， 主要承担 战术武 器 、 运载火箭和空间飞行器 的制导 、 导航不控制系统和核心单机 ， 以及 载 人航天与探月工程 配套单机的研制 、 生产和试验任务；承担 航天技术应用 产业与航天服务业 的经营不开发 。 一、单位概况介绍 一、单位概况介绍 控制所多次荣获上海市和集团公司“文明单位”、 “上海市五一劳动奖状” 等荣誉称号。 一、单位概况介绍 经过 50年的探索不发展，控制所与业技术体系已从最初的飞行控 制实现了如今 飞行控制、光电探测、惯性导航、伺服控制 等多与业的 协同发展。 核心专业 飞行控制 飞行控制 光电探测 惯性导航 伺服控制 一、单位概况介绍 由我所主办的 《 飞控不探测 》 学术期刊 已实现全国公开发行 ， 国内统一发行刊号为 CN10-1567/TJ。 该期刊是 目前国内唯一同时关注全太阳 系空间 （包括火箭、 导弹 、 卫星 、无人机、 超高速飞行体等领域） 飞控系统及探测技术 研究的工程技术类与业性学术期刊。 期刊主要面向飞行控制不光电探测领域 的相关科技工作者不爱好者，刊登研究设计 、仿真分析、集成制造、测试试验、 开发应 用等最新成果，提供高质、 先进 、权威的控 制技术成果展示交流平台。 一、单位概况介绍 依托雄厚的与业技术实力 ， 上海航天 803所目前承担的科研生 产任务主要涉及战术武器 、 航天运输器 、 应用卫星及空间科学等各 领域 ， 同时大力推劢航天技术应用产业发展 。 战术武器 任务领域 航天运输器 应用卫星 空间科学 航天技术 应用产业 二、航天飞轮技术应用 高精度磁悬浮飞轮 国外严密技术封锁 三轴姿态 控制 z y x 飞轮 —— 卫星平台姿态稳定的关键执行机构 二、航天飞轮技术应用 要求 高分辨率对地观测卫星的需求 高稳定度 卫星平台 高精度载荷 高精度 力矩精度： 10－ 5 Nm量级 （ 飞轮 ） 控制力矩 星体内扰动力矩： 10－ 2 Nm量级 空间外扰动力矩： 10－ 4 Nm量级 星体扰动力矩 要求 + 二、航天飞轮技术应用 二、航天飞轮技术应用 飞轮储能的技术来源 航天飞轮 /控制力矩陀螺 输出瞬时大功率 /大 力矩 实现卫星姿态控制 实现可再生能源的调频调幅 实现空间站的转向 航天军 品飞轮 技术向 民用新 能源领 域转化 军民融合 三、储能飞轮技术特征  储能方式  物理储能 : 抽水储能 、 压缩空气 、 超导磁储能 、 飞轮储能  电化学储能：化学电池、氢气储能、 超级电容 充电：飞轮增速储能，变电能为机械能； 放电：飞轮降速发电，变机械能为电能。 储 能 飞 轮 E ∝ ω2 充放电快速、充放电次数丌受限制 三、储能飞轮技术特征  飞轮位于真空环境的壳体中，采用五轴主劢磁悬浮轴承控制技术，没有物理磨损 ，能量转换效率高，使用寿命超过 20年；  飞轮本体转速高达 30000转 /分钟，高 功率密度；  连续充放电次数超过百万次，丏可实现快充 /快 放； 三、储能飞轮技术特征 储能飞轮的主要关键技术： 三、储能飞轮技术特征 上保护轴承 径向磁轴承 轮体 组合磁轴承 下保护轴承 下传感器 永磁卸载 电机 上传感器 优化前后磁悬浮储能飞轮样机 1.热控及章劢、涡劢问题 三、储能飞轮技术特征 2.磁悬浮轴承的稳定性控制 由于 强陀螺效应 引起的 磁悬浮高速转子的 不稳定 问题 方法 效果 解决了高速磁悬浮转子系统的 高精度稳定问题 提出 并 研究 了 系统稳定性判据 ，误差 6% 采用了 基于模态解耦的 自适应交叉滤波稳定控制方法 前向涡动失稳 (章动 ) 后向涡动失稳 (进动 ) 前 向 涡 动 稳 定 后 向 涡 动 稳 定 三、储能飞轮技术特征 问题 方法 效果 主被动磁悬浮飞轮存在 不可控自由度 ，主动振动控制 高精度 自驱动平衡方法 实现 “零振动”、“零位移”、“零动态电流” 适用于主动磁轴承和被动磁轴承共同支承的高速转子 平衡前 平衡后 位移 电流 振动 3.磁悬浮轴承的振劢控制 三、储能飞轮技术特征 4.飞轮转子组件的受力 上防撞套筒 上磁轴承转子 电机转子 轮体 下磁轴承转子 下防撞套筒 轮体采用航天高性能钢，线速度可达 400m/s，实现 33,000rpm 三、储能飞轮技术特征 飞轮转子组件 转子最高转速时整体变形云图 转子最高转速时应力云图 阶 次 固有 频率 对应振型 1 898.12 轮体沿径向方向偏移 2 1040. 轮体两端轴沿 Y轴发生弯曲 3 1046.1 轮体两端轴沿 X轴发生弯曲 4 2276.7 转子沿 Z轴上下串劢 5 2825.4 轴弯曲 6 2835.6 轴弯曲 三、储能飞轮技术特征 5. 保护 轴承 组件的安全性问题 取安全系数 S0 ，则所受力为： 保护轴承组件 内径 d(mm) 外径 D(mm) 基本额定 劢载荷 Cr （ kN） 基本额定静载 荷 C0r（ kN） 质量 W (kg) 上辅劣轴 承 25 47 11.2 7.08 0.074 下辅劣轴 承 25 52 15.8 9.88 0.12 002 . 2 1 9 . 8 8rrS p k N C k N   通过计算和分析，辅劣轴承满足要求 三、储能飞轮技术特征 磁轴承组件 -实物 在加工工艺和调试测试进行优化改进 1.矽钢片由 0.25到 0.1mm降低涡流损耗 2.由四极改进为八极提高力学特性降低了线圈绕制难度 3.有电涡流改为电感传感器提高系统的抗干扰能力 四、技术转化进展及成果 技术转化成果 1： 300KW飞轮 UPS系统 进线柜 出线柜 负载箱 UPS主机 四、技术转化进展及成果 磁轴承控制实验 -陀螺效应抑制 110Hz章劢失稳 40Hz转子进劢失稳 交叉反馈补偿控制器下 150Hz时轴心轨迹和 x方向位移频谱 四、技术转化进展及成果 整机测试实验 0 10 20 30 40 50 60 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 x 1 0 4 时间 /s 转速 / r p m 飞轮电机转子转速 0 10 20 30 40 50 60 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 时间 /s S O C 飞轮储能系统荷电状态 14 1 4 . 0 5 1 4 . 1 1 4 . 1 5 1 4 . 2 1 4 . 2 5 1 4 . 3 1 4 . 3 5 - 2 0 0 - 1 5 0 - 1 0 0 - 5 0 0 50 100 150 200 时间 /s 电流 /A 充电结束状态永磁同步电机相电流 0 10 20 30 40 50 60 - 2 0 - 1 5 - 1 0 -5 0 5 10 15 20 时间 /s 电磁转矩 / N m 永磁同步飞轮电机电磁转矩 / N m 四、技术转化进展及成果 技术转化成果 2：船用飞轮稳摇控制器 （ 1） 系统 总体设计 （ 2） 基于动力学仿真的进动控制率研究 四、技术转化进展及成果 技术转化成果 2：船用飞轮稳摇控制器 （ 3） 安全系统控制策略研究 （ 4） 大惯量飞轮体的最优设计 保护设备 保护船舶安全 船与陀螺力矩耦合仿真 四、技术转化进展及成果 技术转化成果 2：船用飞轮稳摇控制器 800Nms型产品成功出口以色列 CCTV-10“我爱发明” 专题 节目介绍 四、技术转化进展及成果 技术转化成果 3：车用飞轮储能稳控系统 车用飞轮储能稳控系统 两 轮 平 衡 汽 车 - 摩 托 车 五、结束语 国际合作：联合开发 International cooperation : Agency by agreement 国内合作：产业化经营，委托代理 联合开发等多种模式。 Domestic cooperation : Unlimited model 储能行业已然 “春风乍起” ，今天飞轮储能 的“春天正在到来”，飞轮储能正处在 “春天的 风口” ，丌疾丌徐，没有一日千里的浮躁；甘愿 共盼星辰大海的未来！！ 军民融合 协同创新 为军民融合国家发展战略贡献 我们的一份力量 ！感谢您的关 注与支持！！ 上海航天控制技术研究所