강체모델 기반 시스템 안정성을 고려한 자기부상 플라이휠 에너지 저장장치의 최적 설계

김정완(Jungwan Kim),유승열(Seong-yeol Yoo),배용채(Yongchae Bae),노명규(Myounggyu Noh) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.3

친환경기술과 신재생 에너지 자원에 대한 세계적인 관심이 증가하면서, 플라이휠 에너지 저장 장치는 화학전지나 연료전지와 같은 기존의 에너지 저장 시스템의 대안 중 하나로 부상하고 있다. 플라이휠 에너지 저장장치의 에너지 저장 용량은 극질량 관성모멘트와 회전속도의 제곱에 비례하기 때문에, 가능한 높은 회전속도와 높은 극질량 관성모멘트를 갖도록 설계하는 것이 중요하다. 하지만, 시스템의 운전안정성 확보가 최적설계의 구속조건으로 작용할 수 있다. 본 논문에서는 에너지 저장 용량을 최대화하고 운전안정성 및 외란에 대한 강인성을 확보하는 플라이휠 시스템의 최적설계를 제안한다. 그리고, 기존의 PD 제어에 비교하여 교차궤환제어법이 자이로스코프효과를 줄이고, 에너지 저장밀도를 높이는데 필수적임을 확인하였다. Owing to the increasing worldwide interest in green technology and renewable energy sources, flywheel energy storage systems (FESSs) are gaining importance as a viable alternative to traditional battery systems. Since the energy storage capacity of an FESS is proportional to the principal mass-moment of inertia and the square of the running speed, a design that maximizes the principal inertia while operatingrunning at the highest possible speed is important. However, the requirements for the stability of the system may impose a constraint on the optimal design. In this paper, an optimal design of an FESS that not only maximizes the energy capacity but also satisfies the requirements for system stability and reduces the sensitivity to external disturbances is proposed. Cross feedback control in combination with a conventional proportional-derivative (PD) controller is essential to reduce the effect of gyroscopic coupling and to increase the stored energy and the specific energy density.

플라이휠 에너지 저장장치를 이용한 전력계통의 안정도 향상

이정필(Lee, Jeong-Phil),한상철(Han, Snag-Chul),한영희(Han, Young-Hee) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

플라이 휠 에너지 저장장치(Flywheel Energy Storage System: FESS)는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하였다가 필요시 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 재사용 가능한 에너지 저장장치 이다. 최근 전력 변환 기술의 발전으로 인하여 플라이휠 에너지 저장 장치의 에너지 입출력 속도가 빨라지고 대용량의 에너지를 저장할 수 있게 되었다. 본 논문에서는 이러한 플라이휠 에너지 저장 장치의 전력 입출력 특성을 이용하여 전력 시스템에서 발생하는 저주파 진동(Low frequency oscillation)을 억제하는 방안을 제시 하여 안정도를 향상 시키고자 하였다. 전력 시스템은 발전조건, 전송조건, 부하조건에 따라 동작 조건이 지속적으로 변하고 있다. 이러한 동작 환경 변화는 전력 시스템에 대한 수학적인 표현과 실제 전력계통간의 차이가 발생하기 때문에 정확한 제어 목적을 달성하기가 힘들다. 따라서 본 논문에서는 제어기 설계 단계에서 전력 계통의 불확실성을 고려할 수 있는 H_{infty} 제어 기법을 이용하여 플라이휠 에너지 저장장치를 위한 강인 제어기를 설계 하였다. 제안한 플라이휠 에너지 저장장치의 강인 제어기의 유용성을 입증하기 위하여 1기 무한대 모선에 적용한 결과를 비선형 시뮬레이션을 통하여 다양한 외란이 발생한 경우에 외란 억제 성능과 강인성에 대하여 고찰 하였으며, 제안한 방식이 기존의 전력계통 안정화 장치(Power system stabilizer: PSS) 보다 효율적이며 전력계통의 안정도 향상에 크게 기여함을 보이고자 하였다.

2차원 유한요소법을 적용한 플라이휠 에너지 저장 장치 동특성 해석 프로그램 개발

구동식(Dong Sik Gu),배용채(Yong Cae Bae),이욱륜(Wook Ryun Lee),김재구(Jae Gu Kim),김효중(Hyo Jung Kim),최병근(Byeong Keun Choi) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.11

플라이휠 에너지 저장 장치는 잉여 전기를 회전관성을 통해 운동 에너지로 저장하는 장치로, 회전의 중심이 되는 축과 외부의 플라이휠로 구성이 된다. 수치해석을 위한 일반적 프로그램들은 3차원의 모델을 통하여 구조해석 및 주파수 응답 등의 해석을 수행하게 된다. 허나 상용 프로그램을 이용한 동역학적 해석의 응용은 매우 어려운 실정이며, 사용자가 그 방법을 익히는 것 또한 쉽지 않다. 이러한 문제들을 보완하고자 동역학적 해석을 위한 프로그램을 2차원의 모델을 사용하여 구축하였다. 본 논문에서 제시한 모델링은 회전체를 2차원으로 표현함으로써 3차원에 비해 시스템의 표현을 보다 단순화하여 시스템의 구조를 쉽게 이해할 수 있도록 하였으며, 회전체를 서로 다른 재질의 다중 레이어로 모델이 가능하게 하였다. 또한 축계에 추가적 강성의 영향을 줄 수 있는 열박음 부분에 대하여, 그 영향 정도를 선택적으로 입력할 수 있게 하여 열박음에 대한 효과를 조정할 수 있도록 하였다. 따라서 본 논문에서 제시하는 2차원 모델을 이용한 동특성 해석 프로그램의 해석 오차를 알아보기 위해 상용 프로그램의 해석 결과와 비교하였으며, 모델링을 위한 시간과 해석 수행 시간 역시 비교하였다. Flywheel energy storage system (FESS) is defined as a high speed rotating flywheel system that can save surplus electric power. The FESS is proposed as an efficient energy storage system because it can accumulate a large amount of energy when it is operated at a high rotating speed and no mechanical problems are encountered. The FESS consists of a shaft, flywheel, motor/generator, bearings, and case. It is difficult to simulate rotor dynamics using common structure simulation programs because these programs are based on the 3D model and complex input rotating conditions. Therefore, in this paper, a program for the FESS based on the 2D FEM was developed. The 2D FEM can model easier than 3D, and it can present the multi-layer rotor with different material each other. Stiffness changing of the shaft caused by shrink fitting of the hub can be inputted to get clear solving results. The results obtained using the program were compared with those obtained using the common programs to determine any errors.

초소형 플라이휠 에너지 저장 장치의 설계

이학인(Hak-in Lee),유승열(Seong-yeol Yoo),이지은(Ji-eun Lee),노명규(Myoungyu Noh) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

We have designed a micro flywheel energy storage system in which the flywheel stores the electrical energy in terms of the kinetic energy and converts this kinetic energy into the electrical energy when necessary. The flywheel is supported by two radial permanent magnet passive bearings. Permanent magnet passive bearings use the repulsive forces between two sets of permanent magnets so that contact free rotation is possible. The toroidally-wound BLDC motor which has high efficiency and little additional negative radial stiffness is used for motoring and generation. Micro flywheel energy storage system is optimally designed to have the maximum energy storage capacity. In this paper, we present the design process of the micro flywheel energy storage system.

초소형 플라이휠 에너지 저장장치의 설계

이지은(Ji-eun Yi),유승열(Seong-yeol Yoo),노명규(Myounggyu Noh) 대한기계학회 2007 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2007 No.5

Flywheel energy storage systems have advantages over other types of energy storage devices in such aspects as unlimited charge/discharge cycles and environmental friendliness. In this paper we propose a millimeter scale flywheel energy storage device. The flywheel is supported by a pair of passive magnetic bearings and rotated by a toroidally wound electric motor/generator. The geometry of the bearings is optimized for the maximum dynamic performance.

플라이휠 에너지 저장 장치 해석을 위한 모델링 방법

김병수(B. S. Kim),구동식(D. S. Gu),임장익(J. I. Lim),배용채(Y. C. Bae),이욱륜(W. R. Lee),김희수(H. S. Kim),최병근(B. G. Choi) 한국동력기계공학회 2009 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.11

Flywheel energy storage system (FESS) is defined as a high speed rotating flywheel system saving electric power which is a surplus power in normal days. The FESS is proposed as an efficient energy storage system because it has high accumulation energy when it is operated in high speed without mechanical problem It is consisted of flywheel, motor/generator, low friction bearings and so on. To develop a FESS, it has to be passed on the simulation and experiment and those are difficult and take a lot of time. Especially, the simulation is depending on modeling method. In common simulation software using 3D model, the 3D model is designed by rod with point masses for disks to get correct result of rotor dynamics. But, in the FESS, point masses cannot substituted flywheel because of shape. Therefore, in this research, we will propose a easy modeling method using 2D for FESS. Rotor dynamic program for it was coded by Matlab. And the result from 2D model was compared with it from common package software, MSC. Nastran and ANSYS Workbench. And then, modal test had done.

자기부상형 플라이휠 에너지 저장 장치의 자기베어링 시스템 설계

유승열(S. Yoo),모상수(S. Mo),최상규(S. Choi),이정필(J. Lee),한영희(Y. Han),노명규(M.D. Noh) 대한기계학회 2007 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2007 No.5

Flywheel energy storage systems (FESS) have advantages over other types of energy storage methods due to their infinite charge/discharge cycles and environmental friendliness. The system has two radial bearings and one hybridthrust bearing. Thrust hybrid-type bearing use permanent magnet to relieve gravity load. The radial bearings were designed to provide sufficient force slew rate considering the unbalance disturbance at the operating speeds. In this paper, we will derive dynamic model of hybrid-type bearing using permanent magnet for thrust bearing and present simulation and stability of the model.

플라이휠 에너지 저장장치를 위한 저 전력소모 하이브리드 마그네틱 베어링의 설계

김우연(Kim, Woo-Yeon),이종민(Lee, Jong-Min),배용채(Bae, Yong-Chae),김승종(Kim, Seung-Jong) 한국소음진동공학회 2010 한국소음진동공학회 논문집 Vol.20 No.8

For the application into a 1 kWh flywheel energy storage system(FESS), this paper presents the design scheme of radial and axial hybrid magnetic bearings which use bias fluxes generated by permanent magnets. In particular, the axial hybrid magnetic bearing is newly proposed in this paper, in which a permanent magnet is arranged in axial direction so that it can support the rotor weight as well as provide a bias flux for axial magnetic bearing. Such hybrid magnetic bearings consume very low power, compared with conventional electromagnetic bearings. In this paper, to stably support a 140 kg flywheel rotor without contact, design process is explained in detail, and magnetic circuit analysis and three-dimensional finite element analysis are carried out to determine the design parameters and predict the performance of the magnetic bearings.

유한요소법을 이용한 대용량 플라이휠 에너지 저장 장치의 연성 회전체 모델의 검증

유승열(Seong-yeol Yoo),박철훈(Cheol-hoon Park),최상규(Sang-kyu Choi),이정필(Jeong-pil Lee),노명규(Myounggyu Noh) 대한기계학회 2008 大韓機械學會論文集A Vol.32 No.12

When we design a controller for the active magnetic bearings that support a large rotor, it is important to have an accurate model of the rotor. For the case of the flywheel that is used to store energy, an accurate rotor model is especially important because the dynamics change with respect to the running speed due to gyroscopic effects. In this paper, we present a procedure of obtaining an accurate rotor model of a large flywheel energy storage system using finite-element method. The model can predict the first and the second bending mode which match well with the experimental results obtained from a prototype flywheel energy storage system.

유한요소법을 이용한 대용량 플라이휠 에너지 저장 장치의 연성 회전체 모델링

유승열(Seong-yeol Yoo),박철훈(Cheol-hoon Park),최상규(Sang-kyu Choi),노명규(Myounggyu Noh) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

When we design a controller for the active magnetic bearings that support a large rotor, it is important to have an accurate model of the rotor. For the case of the flywheel that is used to store energy, an accurate rotor model is especially important because the dynamics change with respect to the running speed due to gyroscopic effects. In this paper, we present a procedure of obtaining an accurate rotor model of a large flywheel energy storage system using [mite-element method. The model can predict the first and the second bending mode which match well with the experimental results obtained from a prototype flywheel energy storage system.