邱清泉，羅曉悅,2，林玉鑫,2，王青山，李 妍，聶子攀，張京業(yè)，肖立業(yè),2

（1中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008）

“雙碳”目標(biāo)是中國(guó)為應(yīng)對(duì)全球氣候變化做出的鄭重承諾，也是國(guó)家實(shí)施節(jié)能減排政策的目標(biāo)和方向。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，一方面要逐步減少化石能源的消費(fèi)量，另一方面要提升可再生能源的消費(fèi)占比。我國(guó)可再生能源分布和居民用電負(fù)荷之間存在較強(qiáng)的時(shí)空不匹配性，并且可再生能源受氣候影響存在較大的波動(dòng)性，導(dǎo)致高比例可再生能源直接并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成較大的影響，因此可再生能源電力的利用率較低，出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象。而大容量、高效率、低成本、選址靈活的儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱等物理儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域綠色可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

基于固體重物的重力儲(chǔ)能技術(shù)因其不依賴水資源、選址靈活、效率高等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望成為缺水地區(qū)重要的儲(chǔ)能技術(shù)之一，可以很好地滿足可再生能源電力并網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求[1-3]。重力儲(chǔ)能主要包括基于山體斜坡的斜坡式重力儲(chǔ)能以及基于地下豎井和地面構(gòu)筑物的垂直式重力儲(chǔ)能等形式。本文著重對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外基于豎井和地面構(gòu)筑物的垂直式重力儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀和示范工程進(jìn)行介紹，并進(jìn)一步對(duì)垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)垂直提升、水平轉(zhuǎn)移和自動(dòng)接駁機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，以及發(fā)電電動(dòng)機(jī)和并網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)行討論。

1 垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 基于豎井的重力儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

豎井重力儲(chǔ)能選址靈活、占地小，且不受天氣和自然環(huán)境影響，相對(duì)于其他重力儲(chǔ)能形式具有更廣泛的適應(yīng)性。

2013 年，英國(guó)Fraenkel Weight 公司提出了基于廢棄豎井和單卷?yè)P(yáng)提升機(jī)提升單個(gè)重物的重力儲(chǔ)能方案[4]；2020年，英國(guó)Gravitricity公司提出了基于廢棄豎井和多卷?yè)P(yáng)提升機(jī)提升單個(gè)重物和多個(gè)重物的重力儲(chǔ)能方案[5-6]，可以在150～1500 m 深的鉆井中重復(fù)吊起與放下高度16 m、重量500～5000 t的鉆機(jī)，在用電低谷時(shí)將鉆機(jī)拉升至廢棄礦井頂部，而在用電高峰時(shí)再讓鉆機(jī)落下，進(jìn)而釋放存儲(chǔ)起來(lái)的能量，如圖1(a)所示。該系統(tǒng)還可以控制重物提升和下落速度，以調(diào)節(jié)儲(chǔ)/發(fā)電功率。該公司聲稱此系統(tǒng)可以在1 s 之內(nèi)反應(yīng)，使用壽命長(zhǎng)達(dá)50 年，效率最高可達(dá)90%，并計(jì)劃在利斯港口建成4 MW 級(jí)全尺寸重力儲(chǔ)能系統(tǒng)。 目前，Gravitricity 公司已經(jīng)利用15 m 的鉆井平臺(tái)完成了250 kW 原理演示系統(tǒng)的測(cè)試[2]。2021 年，美國(guó)學(xué)者提出了在單個(gè)豎井中利用2個(gè)獨(dú)立的卷?yè)P(yáng)提升機(jī)分別提升多個(gè)重物的重力儲(chǔ)能方案[7]。

圖1 豎井重力儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)Fig.1 Prototypes of gravity energy storage system based on vertical shafts

在國(guó)內(nèi)，2018 年，葛洲壩中科儲(chǔ)能技術(shù)有限公司提出了利用廢棄礦井和礦井提升機(jī)提升單個(gè)重物的方案[8]；2019年，中煤能源研究院提出了利用廢棄礦井和礦井提升機(jī)提升多個(gè)重物的方案[9]；2021 年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出了多種基于豎井和龍門提升機(jī)提升多個(gè)重物的重力儲(chǔ)能方案[10-12]：利用自動(dòng)吊具或罐籠實(shí)現(xiàn)多個(gè)重物的吊裝，多個(gè)重物可以橫向停放在巷道或豎向疊放在豎井中，并采用AGV(automated guided vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引車)地平車進(jìn)行水平轉(zhuǎn)載。2022 年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所完成國(guó)內(nèi)首個(gè)利用單梁門式提升機(jī)的10 kW級(jí)豎井重力儲(chǔ)能原理樣機(jī)的研制和充放電性能測(cè)試，如圖1(b)所示。該樣機(jī)通過(guò)4 象限變流器實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)的控制，可以采用孤島模式或并網(wǎng)模式運(yùn)行。另外，還通過(guò)PLC對(duì)軌道平車、自動(dòng)吊具和卷?yè)P(yáng)提升機(jī)進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

表1所示為國(guó)內(nèi)外比較有代表性的豎井重力儲(chǔ)能研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。可以看出，豎井重力儲(chǔ)能的研發(fā)工作相對(duì)較少，大多數(shù)工作僅僅提出了概念設(shè)計(jì)方案，缺少樣機(jī)或示范工程進(jìn)行實(shí)證。

表1 基于豎井的重力儲(chǔ)能研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目Table 1 Typical research, development and demonstration projects of gravity energy storage based on vertical shafts

2022 年，英美等國(guó)家政府部門為支撐可再生能源的消納，開(kāi)始布局豎井重力儲(chǔ)能項(xiàng)目的研發(fā)。美國(guó)能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署(advanced research projects agency for energy，ARPA-E)于2022年4月宣布最新一期的OPEN2021開(kāi)放招標(biāo)計(jì)劃，資助1.75億美元支持變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)，助力美國(guó)2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。在儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，布局了將廢棄油氣井轉(zhuǎn)換為重力井的儲(chǔ)能項(xiàng)目[13]。英國(guó)商業(yè)、能源和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部(bussiness，energy，and industrial strategy department，BEIS)于2022年5月宣布“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能示范計(jì)劃”第1階段招標(biāo)結(jié)果，投入670 萬(wàn)英鎊支持24 個(gè)創(chuàng)新儲(chǔ)能技術(shù)項(xiàng)目，以促進(jìn)風(fēng)、光等波動(dòng)性可再生能源消納，助力英國(guó)能源系統(tǒng)向綠色轉(zhuǎn)型。在電力儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，布局了豎井重力儲(chǔ)能項(xiàng)目[14]。

豎井重力儲(chǔ)能根據(jù)井道結(jié)構(gòu)和重物運(yùn)行通道的不同，可以分為2種類型：一種是基于豎井巷道和罐籠的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，比較適合基于現(xiàn)有的廢棄豎井和巷道來(lái)建造，如圖2(a)所示；另一種是基于豎井和自動(dòng)吊具的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，比較適合利用新掘豎井來(lái)建設(shè)，如圖2(b)所示。

圖2 豎井重力儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design scheme of gravity energy storage system based on vertical shafts

1.2 基于地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)

與豎井重力儲(chǔ)能類似，基于地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)也具有選址靈活、占地小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的適應(yīng)性。表2所示為國(guó)內(nèi)外比較有代表性的基于地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目?？梢钥闯?，瑞士EV 公司和中國(guó)天楹集團(tuán)進(jìn)行了較多的研究開(kāi)發(fā)工作，目前已開(kāi)發(fā)出工程示范樣機(jī)系統(tǒng)。

表2 基于地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目Table 2 Typical research, development and demonstration projects of gravity energy storage based onground buildings

2018 年，瑞士Energy Vault 公司(簡(jiǎn)稱EV 公司)提出基于6臂塔吊和多重物塊堆疊成塔的第1代重力儲(chǔ)能技術(shù)方案(EV1)，并于2019 年開(kāi)始進(jìn)行4 MW/35 MWh 重力儲(chǔ)能示范樣機(jī)系統(tǒng)建設(shè)和初步測(cè)試[15-16]，如圖3(a)所示。高塔重力儲(chǔ)能對(duì)于重物的堆疊方式和高度有著嚴(yán)格的要求，塔吊的高度受限，重物吊裝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)和扭動(dòng)，難以精準(zhǔn)定位。另外，多層重力塔的穩(wěn)定性同樣存在技術(shù)難點(diǎn)。2021年，Energy Vault公司提出基于電梯轎廂和地面構(gòu)筑物的第2 代重力儲(chǔ)能技術(shù)方案(EVx)，并啟動(dòng)EVx示范樣機(jī)的建設(shè)工作，如圖3(b)所示。

圖3 高塔重力儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.3 High tower gravity energy storage system

2017 年，徐州中礦大公司提出利用門式提升機(jī)的支撐架配備多倍率滑輪組實(shí)現(xiàn)重載，通過(guò)升降重物進(jìn)行儲(chǔ)能的方案[17]；2020年，上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院提出利用多層承重墻配備多組行吊，在墻壁之間堆疊重物實(shí)現(xiàn)重力儲(chǔ)能的方案，可滿足1～10 MWh的儲(chǔ)能需求，并且電能存儲(chǔ)時(shí)間可長(zhǎng)可短，如圖4所示[18]；2021年，中國(guó)天楹集團(tuán)取得瑞士Energy Vault 公司技術(shù)授權(quán)，并于2022 年初啟動(dòng)了基于地面構(gòu)筑物(147m 高差)的25 MW/100 MWh 垂直式矩陣型重力儲(chǔ)能示范工程的建設(shè)工作。2021 年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出了一種基于山體陡坡和高墩橋梁/豎井隧道的垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖5 所示[19]。當(dāng)前的高墩橋梁和豎井隧道的高度差均可做到200 m以上量級(jí)，并可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有交通系統(tǒng)相融合，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。另外，國(guó)家電投集團(tuán)、華能集團(tuán)還分別提出了基于退役的電廠冷卻塔和風(fēng)機(jī)塔筒群的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)廢棄資源的二次利用[20-21]。

圖4 行吊和承重墻堆疊重物儲(chǔ)能系統(tǒng)[18]Fig.4 Row crane and load-bearing wall stacking heavy energy storage system

圖5 基于山體斜坡和高墩橋梁的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)[19]Fig.5 Gravity energy storage system based on mountain slope and high pier bridge

2 垂直提升機(jī)技術(shù)方案分析

2.1 垂直提升機(jī)的分類

垂直提升機(jī)主要分為基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的卷?yè)P(yáng)機(jī)方案、直線電機(jī)方案和基于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的液壓頂升機(jī)方案。

垂直式卷?yè)P(yáng)提升機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，礦用卷?yè)P(yáng)提升機(jī)的最大提升高度可達(dá)2000 m 以上，有效載荷可達(dá)60 t[22]；在門式卷?yè)P(yáng)提升機(jī)領(lǐng)域，利用多個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)和高倍率滑輪組配合，其提升高度可達(dá)百米級(jí)，提升重量可達(dá)2 萬(wàn)t 以上，但提升速度較慢，僅為0.2 m/min 左右[23]。研發(fā)大提升高度的重載快速提升機(jī)對(duì)于提升重力儲(chǔ)能的單機(jī)功率具有積極意義。

垂直式卷?yè)P(yáng)提升機(jī)在單個(gè)通道內(nèi)一般只能提升單個(gè)重物，通道空間無(wú)法得到有效利用，另外，超高層建筑和超深礦井卷?yè)P(yáng)提升系統(tǒng)的鋼絲繩很長(zhǎng)，會(huì)影響到系統(tǒng)的效率，同時(shí)柔性鋼絲繩的振蕩也會(huì)影響系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程穩(wěn)定性。因此將直線電機(jī)用于垂直提升領(lǐng)域也具有一定意義，可以在一個(gè)通道內(nèi)同時(shí)提升多個(gè)重物。河南理工大學(xué)研制出利用直線永磁同步電機(jī)的直驅(qū)快速電梯樣機(jī)[24]，其承載力約為3 t，采用多段初級(jí)分段供電的方式以降低損耗。研發(fā)大推動(dòng)力的直線電機(jī)將具有非常積極的意義。

基于液壓機(jī)構(gòu)的頂升機(jī)盡管最大載荷也可達(dá)到萬(wàn)噸級(jí)，但其升降高度一般不超過(guò)20 m，因此難以用于重力儲(chǔ)能的垂直提升機(jī)構(gòu)，但可以用于重物的接駁、碼垛等操作。

可以看出，卷?yè)P(yáng)提升技術(shù)成熟度最高，下文重點(diǎn)對(duì)不同卷?yè)P(yáng)提升技術(shù)進(jìn)行討論。

2.2 塔式卷?yè)P(yáng)提升機(jī)方案

塔式提升機(jī)在建筑領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)重物的水平移動(dòng)和360°旋轉(zhuǎn)，因此無(wú)需采用特殊的轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)重物的碼放。缺點(diǎn)是由于采用了懸臂梁結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)臂遠(yuǎn)端載重量比較小。瑞士EV 公司采用的塔式提升機(jī)采用了6 臂對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其高度110 m，單臂整體長(zhǎng)度約80 m，單臂載重量30 t左右，如圖6所示[15-16]。

圖6 多卷?yè)P(yáng)塔式提升機(jī)[16]Fig.6 The multi-winch tower elevator

2.3 礦用卷?yè)P(yáng)提升機(jī)方案

礦井提升機(jī)主要分為單繩纏繞式和多繩摩擦式2 種類型。常用的雙罐籠礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。目前，國(guó)內(nèi)中信重工研發(fā)的多繩摩擦式礦井提升機(jī)最大提升高度為1150 m，最大提升速度為14 m/s，最大有效載荷為50 t，電動(dòng)機(jī)功率最大為6.3 MW；德國(guó)和瑞典研發(fā)的多繩摩擦式礦井提升機(jī)最大提升高度為2000 m，最大提升速度為20 m/s，最大有效載荷為60 t，電動(dòng)機(jī)功率最大為9.9 MW[22]。礦井提升機(jī)用于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)重物提升具有載荷、速度等方面的優(yōu)勢(shì)，但存在著一些問(wèn)題：?jiǎn)卫K礦用提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由于捻向而產(chǎn)生扭力，對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生壓力和摩擦損耗；多繩摩擦式礦用提升機(jī)則會(huì)在制動(dòng)等過(guò)程中在摩擦輪上產(chǎn)生摩擦損耗。

圖7 礦用提升機(jī)Fig.7 Mine elevator

2.4 電梯用卷?yè)P(yáng)提升機(jī)方案

目前用的電梯用卷?yè)P(yáng)提升機(jī)一般采用曳引驅(qū)動(dòng)方式、采用對(duì)重與載人或載貨轎廂重量平衡，以降低系統(tǒng)運(yùn)行損耗。如果采用強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)方式，需要將載人或載貨轎廂下降過(guò)程中的能量利用起來(lái)才能獲得較高的效率。對(duì)于重力儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，只能采用強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)方式。電梯用卷?yè)P(yáng)提升機(jī)的機(jī)組一般位于建筑物頂部，載重量比較低，用于重力儲(chǔ)能需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。中國(guó)天楹聯(lián)合EV 公司提出一種新型的大功率電梯卷?yè)P(yáng)機(jī)方案，采用動(dòng)力軸在多個(gè)電梯井道內(nèi)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)轎廂，多個(gè)轎廂的卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)通過(guò)離合器實(shí)現(xiàn)與動(dòng)力軸的連接[25]。引入機(jī)械離合器，可以實(shí)現(xiàn)轎廂與驅(qū)動(dòng)軸的靈活切入和切出，如何減少重物動(dòng)能在機(jī)械離合器中的損失并減少機(jī)械摩擦損耗是需要解決的重要問(wèn)題。

2.5 重載門式卷?yè)P(yáng)提升機(jī)方案

門式起重機(jī)是室外貨場(chǎng)散貨裝卸作業(yè)中常見(jiàn)的吊裝設(shè)備。2008年，大連重工研制出“泰山”2萬(wàn)噸級(jí)門式起重機(jī)，如圖8 所示。該機(jī)總體高度為119 m，主梁跨度為125 m，這臺(tái)吊機(jī)共有12套卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)，整機(jī)共48 個(gè)吊點(diǎn)，最大起升重量達(dá)20160 t，起升速度0.2 m/min[26]。另外，振華重工還研制出世界上載重能力最大的“宏海號(hào)”門式起重機(jī)，由2臺(tái)拱形龍門吊組成，每臺(tái)龍門吊的吊裝能力均為11000 t，組合后吊裝能力達(dá)到22000 t[23]。

圖8 大連重工2萬(wàn)噸級(jí)門式起重機(jī)[26]Fig.8 20000 ton gantry crane by DHHI

大型的重載門式卷?yè)P(yáng)提升機(jī)在垂直升船機(jī)領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用[27]。以三峽升船機(jī)為例，其最大提升高度為113 m、最大提升重量超過(guò)1.55 萬(wàn)t，其承船廂長(zhǎng)132 m、寬23.4 m、高10 m，可提升3000 t級(jí)的船舶過(guò)壩，如圖9所示。

圖9 國(guó)機(jī)集團(tuán)萬(wàn)噸級(jí)三峽升船機(jī)垂直提升系統(tǒng)[27]Fig.9 10000 ton Three Gorges ship lift vertical lifting system by SINOMACH

重載門式提升機(jī)通過(guò)多卷?yè)P(yáng)、多滑輪組和多吊點(diǎn)的組合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)噸級(jí)的載重能力，但是多滑輪組的配合會(huì)帶來(lái)更多的摩擦損耗，如何降低系統(tǒng)機(jī)械損耗是需要解決的重要問(wèn)題。

2.6 循環(huán)傳送鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)方案

傳統(tǒng)的垂直式卷?yè)P(yáng)提升機(jī)難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性操作，作為重力儲(chǔ)能應(yīng)用會(huì)帶來(lái)功率間歇問(wèn)題。燊能集團(tuán)和華電集團(tuán)均提出了基于垂直式循環(huán)傳送鏈提升機(jī)的技術(shù)方案，通過(guò)掛鉤或刮板將水平傳送鏈傳遞過(guò)來(lái)的重物接駁到垂直傳送鏈上[28-29]，如圖10所示。如何實(shí)現(xiàn)重物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的自動(dòng)接駁，降低傳動(dòng)鏈在重物接駁過(guò)程的沖擊和傳動(dòng)鏈的損耗是需要解決的重要問(wèn)題。

圖10 傳動(dòng)鏈?zhǔn)骄頁(yè)P(yáng)提升系統(tǒng)[28-29]Fig.10 Transmission chain hoisting system

2.7 多卷?yè)P(yáng)提升機(jī)方案

對(duì)于大噸位提升機(jī)而言，針對(duì)增加鋼絲繩強(qiáng)度或增大滑輪組倍率的方法難以解決起重力矩不足的問(wèn)題，目前常采用的方法是采用多卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)通過(guò)滑輪組共同提升吊鉤，極大地提高起重機(jī)的吊重量與起重機(jī)的工作安全性能。目前，千噸級(jí)以上的起重機(jī)至少都具備4卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)[30]。

對(duì)于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于高倍率滑輪組的損耗較大，利用多卷?yè)P(yáng)提升機(jī)方案對(duì)于提升系統(tǒng)的效率具有積極意義。英國(guó)Gravitricity公司提出了一種應(yīng)用于豎井重力儲(chǔ)能的4卷?yè)P(yáng)提升系統(tǒng)，如圖11所示，可以實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)的提升能力[5,6]。如何通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣控制實(shí)現(xiàn)多卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的同步，是需要解決的重要問(wèn)題。

2.8 卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)分析

針對(duì)大提升高度的重載快速卷?yè)P(yáng)提升機(jī)在礦井和海上勘察船用起重機(jī)上有所應(yīng)用，關(guān)于礦井卷?yè)P(yáng)提升機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)仿真研究工作較多。國(guó)內(nèi)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等單位對(duì)礦井用卷?yè)P(yáng)提升機(jī)的鋼絲繩彈性模量、提升速度及加減速度、載荷大小及提升高度等參數(shù)對(duì)鋼絲繩和卷筒機(jī)械強(qiáng)度及安全性的影響進(jìn)行了建模和仿真分析[31-32]，摩洛哥拉巴特國(guó)際大學(xué)對(duì)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了建模仿真分析[33]，中國(guó)科學(xué)院電工研究所針對(duì)柔性鋼絲繩寬頻機(jī)械振蕩對(duì)電氣系統(tǒng)的影響進(jìn)行了理論研究，提出了基于電磁-機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型的傳動(dòng)鏈系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)。

卷筒和鋼絲繩是卷?yè)P(yáng)機(jī)的核心元件，為了保證鋼絲繩在卷筒內(nèi)排列的整齊性，一般采用折線繩槽結(jié)構(gòu)，美國(guó)Lebus 公司聲稱其鋼絲繩直徑可以從1 mm 到100 mm，層數(shù)可以到50 層，卷筒直徑最大可達(dá)5 m左右，鋼絲繩的線速度并沒(méi)有限制。關(guān)于卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩直徑及層數(shù)，以及卷筒尺寸和最大線速度、加速度的設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)公式，理論上需基于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析確定[33]。另外，關(guān)于卷?yè)P(yáng)機(jī)損耗的精準(zhǔn)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)也是重力儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需解決的重要問(wèn)題。俄羅斯新西伯利亞大學(xué)提出了一種基于帶狀纜繩的卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)，有望通過(guò)降低卷?yè)P(yáng)機(jī)損耗以提升重力儲(chǔ)能的效率[34]。

3 自動(dòng)接駁和水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)技術(shù)方案分析

3.1 AGV車輛水平轉(zhuǎn)移方案

對(duì)于提升車輛類重物的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于車輛自帶動(dòng)力，可以無(wú)需設(shè)計(jì)專用的水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出了基于AGV 車輛水平轉(zhuǎn)移的重力儲(chǔ)能技術(shù)[35]，該方案的優(yōu)點(diǎn)是各重載車輛動(dòng)力分散，可以實(shí)現(xiàn)頻繁啟停且損耗較低，但需要為每個(gè)重物都增加車底盤(pán)、車輪、動(dòng)力源及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等輔助設(shè)施，將增加系統(tǒng)成本。為了降低成本，一方面可以減少AGV 車輛的數(shù)量，利用AGV 地平車和重物承臺(tái)配合，以“穿梭機(jī)”的形式運(yùn)行，中國(guó)科學(xué)院電工研究所和瑞士EV 公司分別將該方案用于基于豎井和地面構(gòu)筑物的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)[35]，如圖12 和13 所示；另一方面，利用已有的重載車輛做重物，可以降低重物成本，也可以用于重力儲(chǔ)能和交通運(yùn)輸融合領(lǐng)域[19]。

圖12 中國(guó)科學(xué)院電工研究所軌道地平車轉(zhuǎn)載系統(tǒng)[35]Fig.12 Rail flat car transfer system by IEE,CAS

圖13 EV公司軌道地平車轉(zhuǎn)載系統(tǒng)[16]Fig.13 Rail flat car transfer system by EV

3.2 傳送鏈/傳送帶機(jī)水平轉(zhuǎn)移方案

傳送鏈/傳送帶機(jī)水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在物流及生產(chǎn)線上獲得廣泛應(yīng)用，但在重力儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用較少。燊能集團(tuán)提出了一種利用水平傳送鏈的重物水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)[28]，如圖10(a)所示；華電集團(tuán)提出一種水平傳送鏈和龍門式碼垛機(jī)結(jié)合的重物水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)[29]，如圖10(b)所示。水平傳送鏈可以和垂直提升系統(tǒng)接續(xù)運(yùn)行，減少重物在接駁過(guò)程中的動(dòng)能損耗，但水平傳送鏈的動(dòng)力機(jī)械需按照滿載設(shè)計(jì)，如何降低水平傳送鏈的造價(jià)和損耗是需要解決的重要問(wèn)題。

3.3 龍門式碼垛機(jī)轉(zhuǎn)載方案

采用龍門式吊機(jī)橫梁上小車水平轉(zhuǎn)移重物廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，但一般并未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。前期采用龍門式吊機(jī)進(jìn)行重物的水平轉(zhuǎn)移一般采用柔性鋼絲繩，由于重物塊的晃動(dòng)和扭動(dòng)問(wèn)題難以實(shí)現(xiàn)快速操作和精準(zhǔn)定位。英國(guó)Gravitricity公司提出了一種龍門式碼垛機(jī)方案[6]，如圖14所示。其平移裝置和自動(dòng)吊具進(jìn)行硬連接，硬連接可以采用液壓、絲杠、導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)天津大學(xué)在斜坡式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)中也提出了龍門碼垛機(jī)技術(shù)方案[36]，可以實(shí)現(xiàn)重物塊的多層碼放。高載重的龍門式碼垛機(jī)水平轉(zhuǎn)移速度較慢，且損耗較大，如何實(shí)現(xiàn)龍門式碼垛機(jī)的移動(dòng)節(jié)拍與垂直提升系統(tǒng)相匹配，并降低損耗是需要解決的重要問(wèn)題。

圖14 英國(guó)Gravitricity公司龍門碼垛機(jī)轉(zhuǎn)載系統(tǒng)[6]Fig.14 Gantry palletizer transfer system by Gravitricity

3.4 自動(dòng)吊具技術(shù)方案

在垂直式重力儲(chǔ)能的多種技術(shù)方案中需要對(duì)重物塊進(jìn)行碼放，自動(dòng)吊具是吊裝系統(tǒng)和碼垛機(jī)所需要的重要設(shè)備。瑞士EV 公司提出了一種帶有2 個(gè)貫穿插孔的重物塊和2 個(gè)細(xì)長(zhǎng)轉(zhuǎn)銷的自動(dòng)吊裝方案[15]，如圖3(a)所示。深孔和細(xì)長(zhǎng)轉(zhuǎn)銷的配合結(jié)構(gòu)對(duì)定位精度要求很高，自動(dòng)定位采用的機(jī)器視覺(jué)算法較為復(fù)雜。英國(guó)Gravitricity公司提出了一種使用電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械嚙合的自動(dòng)吊具結(jié)構(gòu)[6]，如圖14 所示。華北電力大學(xué)提出了一種用于重力儲(chǔ)能的自動(dòng)抓取和釋放重物的無(wú)源機(jī)械吊具[37]，由于無(wú)源機(jī)械吊具上沒(méi)有電控機(jī)構(gòu)和傳感器，如何實(shí)現(xiàn)軟啟停、自動(dòng)定位等自動(dòng)化操作是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出了一種用于豎井重力儲(chǔ)能的自動(dòng)吊具[38]，通過(guò)伺服電機(jī)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)轉(zhuǎn)銷，實(shí)現(xiàn)與凸字形重物塊的鎖定，如圖15所示。

圖15 豎井重力儲(chǔ)能自動(dòng)吊裝結(jié)構(gòu)Fig.15 Automatic lifting structure of gravity energy storage based on vertical shaft

4 發(fā)電電動(dòng)機(jī)和并網(wǎng)控制技術(shù)方案分析

4.1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)方案

重力儲(chǔ)能電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能與勢(shì)能轉(zhuǎn)換的核心部件，正轉(zhuǎn)時(shí)以電動(dòng)機(jī)模式運(yùn)行，將電能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能；反轉(zhuǎn)時(shí)以發(fā)電機(jī)模式運(yùn)行，將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。傳統(tǒng)重載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是籠型異步電機(jī)配合減速裝置實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的大轉(zhuǎn)矩輸出，但存在著許多問(wèn)題：銅耗隨電機(jī)負(fù)載的增加而增大，功率因數(shù)和電機(jī)效率隨之降低；需要減速裝置配合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜易磨損，維護(hù)成本高；機(jī)械結(jié)構(gòu)較多，損耗較大，系統(tǒng)整體效率較低等。這些問(wèn)題導(dǎo)致異步電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制。為了提高系統(tǒng)整體的性能和效率，低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)替代傳統(tǒng)的重載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢(shì)。就結(jié)構(gòu)而言，永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，體積更??；就性能而言，永磁電機(jī)的極對(duì)數(shù)可以很多，定子銅耗更低，功率因數(shù)和效率更高，系統(tǒng)更為節(jié)能，而且可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持優(yōu)良性能，所以低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)在重載驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出了重力儲(chǔ)能用兆瓦級(jí)永磁半直驅(qū)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩情況下發(fā)電電動(dòng)機(jī)的效率進(jìn)行了仿真分析。

盡管永磁同步電機(jī)用于重力儲(chǔ)能具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是永磁同步電機(jī)造價(jià)較高，且需要經(jīng)過(guò)全功率變流器并網(wǎng)，在極端工況下運(yùn)行還存在失磁問(wèn)題，因此，也有很多研究者提出了將電勵(lì)磁同步電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和籠型異步電機(jī)應(yīng)用于重力儲(chǔ)能的技術(shù)方案。中國(guó)天楹在其重力儲(chǔ)能項(xiàng)目中擬采用常規(guī)的電勵(lì)磁同步機(jī)作為發(fā)電電動(dòng)機(jī)[39]，中電普瑞在其重力儲(chǔ)能項(xiàng)目中嘗試將永磁同步機(jī)、電勵(lì)磁同步機(jī)和雙饋異步電機(jī)用于重力儲(chǔ)能的適用性進(jìn)行對(duì)比分析，華北電力大學(xué)等也提出了將鼠籠式異步電機(jī)用于重力儲(chǔ)能的技術(shù)方案[40]。幾種常用儲(chǔ)能電機(jī)技術(shù)方案的對(duì)比分析如表3所示。

4.2 并網(wǎng)控制方案

在重力儲(chǔ)能電動(dòng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制方面，由于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)電機(jī)的工作狀態(tài)頻繁切換于電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)，保證此類電機(jī)在2種工況下均能穩(wěn)定高效運(yùn)行是目前的研究熱點(diǎn)。另外，對(duì)于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于固體重物的不可流動(dòng)性和不連續(xù)性，重物啟停和切換過(guò)程會(huì)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)和電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊，并產(chǎn)生功率間歇和波動(dòng)，因此，如何實(shí)現(xiàn)功率平滑也是固體重力儲(chǔ)能所需要解決的重要問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究了永磁同步電機(jī)經(jīng)變流器并網(wǎng)控制方法，分別設(shè)計(jì)機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行[41]。為了解決功率平滑問(wèn)題，提出了基于多電機(jī)集群或耦合功率型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能效及電能質(zhì)量[42]。國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院還提出了重力儲(chǔ)能耦合超級(jí)電容器儲(chǔ)能的技術(shù)方案[43]。圖16(a)給出了重力儲(chǔ)能雙機(jī)組耦合飛輪儲(chǔ)能機(jī)組以實(shí)現(xiàn)功率平滑的電路拓?fù)洌?部分系統(tǒng)共用直流母線、網(wǎng)側(cè)變流器以及濾波器等電路，對(duì)重力儲(chǔ)能出力進(jìn)行功率平滑。圖16(b)給出了多同步機(jī)組直接并網(wǎng)通過(guò)運(yùn)行時(shí)序配合實(shí)現(xiàn)功率平滑的電路拓?fù)?，通過(guò)多機(jī)協(xié)調(diào)控制，使等效機(jī)械功率穩(wěn)定且可控，在集群系統(tǒng)內(nèi)部完成功率互補(bǔ)。

圖16 重力儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)方案Fig.16 Grid-connected scheme of gravity energy storage system

5 結(jié)論與展望

重力儲(chǔ)能是一種度電成本、儲(chǔ)能容量等性能指標(biāo)可與抽水儲(chǔ)能對(duì)標(biāo)，但又不依賴于水資源的規(guī)模化物理儲(chǔ)能手段，特別適合于在我國(guó)北方和西北地區(qū)建設(shè)。本文簡(jiǎn)要介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外基于豎井和地面構(gòu)筑物的垂直式重力儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀和示范工程，并進(jìn)一步對(duì)垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)垂直提升、水平轉(zhuǎn)移和自動(dòng)接駁，以及發(fā)電電動(dòng)機(jī)和并網(wǎng)控制等核心機(jī)電設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。研究表明，盡管當(dāng)前垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)方案較多，也有多個(gè)示范工程在建，但在重載快速提升和轉(zhuǎn)移、重物啟停和切換過(guò)程控制、并網(wǎng)功率控制和能效提升等方面還存在諸多技術(shù)難題有待解決，后續(xù)通過(guò)技術(shù)提升可進(jìn)一步降低系統(tǒng)建造成本并提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率和壽命，有望在近期獲得一定的示范應(yīng)用。需要說(shuō)明的是，受垂直提升機(jī)的載重量和速度所限，垂直式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的單機(jī)功率目前尚難以突破10 MW 量級(jí)，無(wú)法達(dá)到抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)組所能達(dá)到的功率等級(jí)。如果要進(jìn)行大規(guī)模重力儲(chǔ)能電站的建設(shè)，在當(dāng)前只能采用多機(jī)集群陣列以提升整體功率。以豎井重力儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，目前的10 m 級(jí)大口徑垂直式豎井掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)深度可達(dá)800～1000 m，如果豎井深度為500 m，單臺(tái)設(shè)備可掘進(jìn)10～20口豎井，可供建造100～200 MW的豎井重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。