储能技术是调峰调频、构建智能电网和保障间歇式新能源入网的关键核心技术,能在电力系统发、输、配、用四大环节发挥巨大效用。本文提出了一种利用涡卷弹簧机械弹性的电能储存方式,对其总体技术方案、系统性设计、模型和控制方法进行研究。论文的主要工作如下：(1)提出了一种新型基于涡卷弹簧的机械弹性储能技术方案。选用永磁同步电机为执行机构,构建了永磁电机式机械弹性储能系统,设计了系统的技术实现方案,论证了系统的技术可行性,分析了系统涉及的关键技术。(2)建立了机械弹性储能技术特性指标,提出了一种基于微分进化算法的涡卷弹簧结构优化设计方法,设计了一种新颖的“手拉手”串联联动式储能箱结构。基于机械弹性储能技术特性指标,分析了三种常见涡簧材料的储能特性,比较了机械弹性储能与其它主流储能技术的储能特性；在此基础上,运用传统经验公式法设计了涡卷弹簧结构,并分别以储能容量和储能密度最大为优化设计目标,采用微分进化算法对涡卷弹簧结构进行了优化设计。结果表明,机械弹性储能系统在功率密度、自放电率、工作温度等诸多技术指标上具有比较优势；不同目标函数下涡卷弹簧优化外形的芯轴直径、弹簧厚度和强度系数基本相同,增加弹簧厚度是提高涡簧储能容量和储能密度的有效方法。针对单一涡簧箱储能容量较低的问题,还设计了一种新颖的联动式储能箱结构,通过串联连接多个涡簧箱,以简单、精巧的结构设计,在基本不改变储能箱最大输出扭矩的基础上,增大了储能容量,平滑了扭矩输出特性。(3)构建了永磁电机式机械弹性储能全系统数学模型,提出了一种基于分段分态思想的储能涡簧转动惯量通用计算方法。分析了储能过程涡簧扭转变形特性,根据储能时涡簧簧片的状态变化和相应的阶段划分,计算了储能过程中涡簧实时变化的转动惯量。结果表明,储能过程中涡簧从外盒内壁不断向芯轴收缩,使得其扭矩不断增大,转动惯量逐渐减小,发电过程则与之相反。在此基础上,建立了永磁电机式机械弹性储能全系统数学模型,该模型表现出高维度、多变量、强耦合的非线性特征。(4)针对系统储能运行时涡簧转动惯量和扭矩同时变化情形以及低转速要求,考虑永磁同步电动机模型非线性的特点,提出了一种带遗忘因子的最小二乘辨识与微分进化优化算法相结合的改进非线性反推控制方法。该方法通过带遗忘因子的最小二乘算法同时估计储能系统转动惯量和扭矩,将估计结果输入设计的改进反推控制器,并采用自适应微分进化算法对控制参数进行了优化。仿真结果表明,控制方法能够抑制涡簧转动惯量和扭矩的同时变化,保证定子电流输出期望的参考值,使永磁电机式机械弹性储能系统在给定的低转速下稳定储能。(5)针对系统发电运行时外部动力源涡簧转动惯量和扭矩同时变化情况,计及永磁同步发电机内部结构参数不确定情形,提出了一种基于高增益观测器的L2鲁棒反推控制方法。该方法把电机外部动力源特性与电机内部结构参数变化表达为电机状态空间模型上的综合干扰,利用高增益观测器估计该综合干扰,并将L2增益理论和反推控制理论相结合,设计了L2鲁棒反推控制器。仿真结果表明,高增益干扰观测器能够较为准确地观测内外干扰,提出的控制方法在抑制内外部干扰的同时,保证了永磁同步发电机输出电流和运行转速跟踪各自的参考值,实现了永磁电机式机械弹性储能系统安全、高效发电。(6)以上述研究工作为基础,开发了基于弹簧钢材料的储能涡簧和联动式储能箱,计算了储能涡簧转动惯量,研制了小型永磁电机式机械弹性储能系统原理性样机。通过原理性样机的储能运行和发电运行实验,验证了本文所提设计方案、模型和控制方法的正确性与有效性。