（电力电子与电力传动专业论文）飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究.pdf

飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 案的正确性与可行性。 从整体上看，本文设计的主回路充分借鉴了全波升压式c d u m p 变换器的 设计思想，技术可行，满足了电力转换器的设计要求；控制回路的设计以一片 高速高性能的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片为核心，外围配置简单，控制软件采用 c 和汇编语言混合编程的设计方法，取代硬件实现了大多数功能，基本达到了 单芯片控制的设计目标。整个系统具有硬件电路紧凑、效率高、功耗低、可靠 性高、便于升级等特点，具有一定的应用价值。 关键词：3 篮懂筐、箍丞熊歪剜直速电扭、錾皇信呈处理赞、塞匝控制、篚 量旦堡、电盘毯缝器 ! 丝笪墼笙型墨堑墨壁量墅堡茎查塑塑窒 r e s e a r c ho nc o n t r o l s y s t e m a n d e n e r g y f e e d b a c k t e c h n o l o g y o f f l y w h e e le n e r g ys t o r a g e a b s t ra c t f l y w h e e le n e r g ys t o r a g e ( f e s ) i sa na d v a n t a g e o u st y p eo fl a t e - m o d e le n e r g y s t o r a g et e c h n o l o g y ；a l s o ，f e ss y s t e m ( f e s s ) i t s e l f i sa ni n e r t i as y s t e m a tp r e s e n t ， f e s t e c h n o l o g yh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm a n y f i e l d ss u c ha su n i n t e r r u p t a b l e p o w e rs u p p l y ( u p s ) s y s t e m s ，e l e c t r i cp o w e rs y s t e m s ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ，e t c r e s e a r c h e si n d i c a t et h a ti ne n e r g ys o u r c e sa n da t t i t u d ec o n t r o ls y s t e mo fs a t e l l i t e s ， b yf e s s b o t he n e r g ys t o r a g ea n da t t i t u d ec o n t r o lc a nb ea c c o m p l i s h e d i tw o u l db e r e m a r k a b l et oi m p r o v eg l o b a lp e r f o r m a n c eo fs a t e l l i t e s ，s oa e r o n a u t i c s a s t r o n a u t i c s d e p a r t m e n t s a t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et of e s s a n di tb e c o m e saf r o n t i e rt o p i ci nt h i s r e s e a r c ha r e a ，b u th a sn o tb e e na p p l i e di np r a c t i c e w i t ht h ea d v a n c e dt o p i co f8 6 3 p r o g r a ma s r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h ep a p e rm a k e ss o m ea d v a n c e dr e s e a r c h e so l l a p p l i c a t i o no f f e s t e c h n o l o g y i nf u t u r es a t e l l i t e s t h ep a p e ri s m a i n l ye n g a g e d i nr e s e a r c h e so n p o w e rc o n v e r t e r , t h ek e y c o m p o n e n t i n f e s s ，a n d i ts h o u l db eab i d i r e c t i o n a l p o w e r t r a n s f o r m a t i o n i n s t r u m e n t t h ep a p e rd e s i g n sb a s i cm o d u l e sa tf i r s t , a n dt h e ni n t e g r a t e s m u l t i p l e m o d u l e si n t oaw h o l ep o w e r c o n v e r t e r t h r o u g ha n a l y s e so fp h y s i c a ls t r u c t u r e ，w o r k m o d u l ea n dc o n t r o lm o d eo ff e s s ，t h ep a p e r p r o p o s e sag l o b a ls o l u t i o nb a s e d o nt h e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p c h i p ，e m p h a t i c a l l y c o n d u c t st h ed e s i g no fr e a l t i m ec o n t r o l s y s t e m a n dr e s e a r c ho n e n e r g y f e e d b a c k t e c h n o l o g y , e l a b o r a t e l y d i s c u s s e st h e i n t e g r a t i o nd e s i g n o fp o w e rc o n v e r t e ra n df i n a l l y c o m p l e t e st h ed e v e l o p m e n to f e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e i nt h ed e s i g no fr e a l t i m ec o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rt a k e st h r e e p h a s ef u l l b r i d g e m o s f e ti n v e r t e ra st h er e a l - t i m ec o n t r o lm a i nc i r c u i t ，a n da d o p t sac o n t r o ls c h e m e w i t h 1 2 0 。s w i t c h i n g m o d ec o m b i n e dw i t h h a l f - b r i d g ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ，w h i c h w o u l da v o i ds t r a i g h n h r o u g hs h o r to fac e r t a i nb r i d g e p h a s ec u r r e n ti s d e t e c t e db ys i n g l ec u r r e n ts e n s o r ；t h r e e p h a s ep o s i t i o ns i g n a l sg e n e r a t e db yp o s i t i o n s e n s o r sc o u l dn o to n l ys u p p l yc o m m u t a t i o ni n f o r m a t i o nf o ri n v e r t e r , b u ta l s ob eu s e d 飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 f o rs p e e dd e t e c t i n gb a s e do ns i g n a l s p e r i o dm e a s u r e m e n t , w h i c hm a k e st h es p e e d s e n s o r u n n e c e s s a r y t h ew h o l e c o n t r o l s y s t e ma d o p t ss p e e d a n dc u r r e n td u a l c l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g y i no r d e rt oc o n s t r u c tah i g h p e r f o r m a n c e r a r e - e a r t h p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o r ( r e p mb l d c m ) f u l l d i g i t a l r e a l t i m e c o n t r o l s y s t e m d u r i n g t h er e s e a r c ho n e n e r g y f e e d b a c k t e c h n o l o g y , t h ep a p e r e x p l i c a t e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fe n e r g yf e e d b a c k a n d p u t sf o r w a r daf e a s i b l es o l u t i o n a n dan o v e lb o o s t b u c kd c d cc o n v e r t e ri ss p e c i a l l yd e s i g n e d t h ei n v e r t e ra c t i n g a sa r e c t i f i e r , d u m p i n gc a p a c i t o r a n da b o v ed c d cc o n v e r t e rt o g e t h e rc o n s t i t u t e st h e e n e r g yf e e d b a c k m a i nc i r c u i t t h ec o n t r o ls y s t e m a d o p t sc u r r e n tp w m c o n t r o lm o d e ， a n dh i g hq u a l i t ye n e r g yf e e d b a c kw i t hc o n s t a n tp o w e rc o u l db ea c c o m p l i s h e d ，i n a d d i t i o n ，t h ep a p e r i n v o l v e ss o m er e s e a r c h e so nm a l f u n c t i o n sd e t e c t i o na n d p r o t e c t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，s t a t es u p e r v i s i o n ，a n ds oo n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tu n d e rt w od i f f e r e n tw o r km o d u l e s ，i e r e a l t i m ec o n t r o la n de n e r g y f e e d b a c k ，e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e c o u l da c h i e v ee x c e l l e n ts t a t i c p e r f o r m a n c e , d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n d h i g hp o w e r t r a n s f o r m a t i o n e f f i c i e n c y ，w h i c h c o n s e q u e n t l yp r o v e t h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo fo u rs o l u t i o n o nt h ew h o l e ，t h em a i nl o o pd r a w so nt h ed e s i g ni d e ao ft h ef u l l - w a v eb o o s t i n g c d u m pc o n v e r t e ra n dm e e t sd e s i g nr e q u i r e m e n t so fp o w e rc o n v e r t e r t h ec o n t r o l l o o pt a k e sah i g hs p e e d ，h i g hp e r f o r m a n c et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p c h i pa st h ec o n t r o l c e n t e r , s oi ts i m p l i f i e sp e r i p h e r a l s t h ec o n t r o l s o f t w a r et a k e s p l a c eo fh a r d w a r e c i r c u i tt oi m p l e m e n tt h em a j o r i t yo ff u n c t i o n s ，w h i c hi sd e s i g n e db ym e a n s o fca n d a s s e m b l y m i x e dp r o g r a m m i n g f i n a l l y , i tr e a c h e st h ed e s i g no b j e c t i v e o ft h e c o n t r o l l e ro nac h i p t h ew h o l es y s t e mh a sm a n yf e a t u r e ss u c ha sc o m p a c th a r d w a r e c i r c u i t ，h i g he f f i c i e n c y ；l o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y a n dc o n v e n i e n c ef o r u p g r a d e ，y e th a sg r e a ta p p l i c a t i o n v a l u e h e r u i j i n ( p o w e r e l e c t r o n i c s p o w e r i y a n s m i s s i o n ) s u p e r v i s e db y a s s o c i a t e p r o f e s ，s o r 。w u o i n g b i a o k e y w o r d s ：f l y w h e e le n e r g ys t o r a g e ( f e s ) 、r a r e 。e a r t hp e r m a n e n tm a g n e t i c b r u s h l e s sd cm o t o rf r e p mb l d c m ) 、d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 、r e a l - t i m e c o n t r o l 、e n e r g yf e e d b a c k 、p o w e r c o n v e r t e r 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所是交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j i j 每凳今 日期：细。4 年2 月形日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复e p , i i ：和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权”伟。 本学位论文属于 不保密口。 一虢叩论 日期：弘班多月f 6 日 指导教师签名 日期：芦。晦月名日 飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 引言 0 1 飞轮储能技术的发展和国内外研究现状 储能技术已成为一个世界性的研究课题，其中飞轮储能( f l y w h e e le n e r g y s t o r a g e ，简称f e s ) 技术因其具有原理简单和易于控制等优点而备受关注。早 在2 0 世纪5 0 年代就有人提出了研究用于电动汽车的飞轮储能技术，并持续进 行了多年的研究，由于受当时科技发展水平的限制，飞轮的边缘速度被限制在 1 5 0 m s 左右、单位质量储能低、损耗大，能量传递和转换系统也非常复杂，所 以飞轮储能技术一直未取得突破性的进展【1 ，讲。近年来，与飞轮储能技术密切相 关的三项技术取得了重要突破，一是磁悬浮技术的研究进展很快，磁悬浮配合 真空技术，可把轴系的摩擦损耗和风损降到人们所期望的限度；二是高强度碳 素纤维和玻璃纤维的出现，允许飞轮边缘速度达到1 0 0 0 m s 以上，大大增加了 单位质量的动能储量；三是现代电力电子技术的发展给飞轮电机与系统之间的 能量交换提供了灵活的桥梁。这三项技术的新进展使飞轮储能技术也取得了突 破性的进展，并在许多领域中获得成功应用，其潜在价值和优越性逐渐体现出 来，飞轮储能的研究更加引起人们的重视【1 卅。 早期的飞轮储能技术采用传统飞轮，该类飞轮通常采用钢制( 或其他金属) ， 只能以相对较低的速度旋转，由于采用传统飞轮的低速飞轮储能系统存在摩擦 损耗大、储能效率低、储能密度低和寿命短等固有缺陷，其应用范围受到很大 的限制【3 , 7 1 。2 0 世纪8 0 年代之后，飞轮储能技术则以高速飞轮为主导，这使得 飞轮储能技术的研究进入一个崭新的发展阶段，高速、低损耗、高储能密度的 飞轮储能技术也成为主流的研究方向。与传统飞轮相比，高速飞轮采用复合材 料，高强度和轻重量的结合使复合材料飞轮可以达到极高的边缘速度，从而使 得复合材料飞轮能够实现高的能量密度和功率密度【7 , a l ，但是高速飞轮储能技术 对材料、电机、轴承以及控制系统的要求较高，其系统设计比低速飞轮储能系 统要复杂得多，它的发展尚须解决一系列多学科、综合的基础研究问题【她”。 目前，美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大、意大利等工业强国f 在 飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 大力开展飞轮储能系统( 指高速飞轮储能系统，下同) 的研究与开发，并取得 了很大进展，开始由实验室研究转向试运行与实际应用，并向产业化、市场化 方向发展 。当前的研究方向主要集中体现在两个方面：一是飞轮储能系统的 基础研究，包括整机系统及各组件等关键技术的研究，二是飞轮储能系统的应 用研究，这主要包括在电力调峰、航空航天、风力发电、混合动力机车、不间 断电源、军事设备等领域的应用研究，而且其应用领域也在不断扩大【2 删。 国外很多著名的研究机构在飞轮储能技术方面进行了大量的研究，并取得 了很多重要的研究成果。1 k w h 左右的高温超导磁悬浮飞轮储能系统物理模型 已经制造出来，正在进行各种试验和测试：美国能源部与州立爱迪生电力公司、 国家阿贡试验室合作，进行超导磁悬浮轴承飞轮储能系统的研究开发，轴承摩 擦系数已达到3 xl o 一7 的世界记录；日本东京核反应研究实验室经过大量的试验 表明，1 5 5 的氦气和s f 6 气体混合可以显著降低风损耗；美国马里兰大学 p a r k 学院研究出了3 0 0 w h 的“o p e nc o r ec o m p o s i t ef l y w h e e l ”，目 前正在进行试验研究；休斯敦大学已研制出质量为1 9 k g 飞轮储能系统；柏克 利大学的研究小组得到美国国家自然科学基金资助，正在研究混合型电动车的 飞轮储能系统：f t 本的i s t e c 等机构也在从事f e s 的研究，研究重点是超导在 f e s 中的应用；欧洲的法国国家科研中心，德国的物理高技术研究所，意大利 的s i s e 均正在开展高温超导磁悬浮轴承飞轮储能系统的研列1 _ 1 2 】。 国内对飞轮储能技术的研究刚刚起步，1 9 9 5 年始清华大学工程物理系和中 科院电工所等单位开始进行初步研究，组建了专用的飞轮储能实验室。鉴于国 内在磁悬浮方面技术差距，该实验室提出并采用了永磁悬浮与机械轴承混合支 承储能飞轮结构方案，设计并成功运行储能为0 3 k w h 的小型飞轮储能系统， 应用永磁无刷电动发电机驱动，其中包括电力转换部分( 如电机控制、整流、 变压、变频等) ，实现飞轮线速度5 0 0 m s ，发电功率2 0 0 w 。现阶段，其主要研 究目标是基础固定的飞轮储能模块团】。此外，国内其他的一些大学和科研机构 也在从事该方面的研究【3 。 0 2 本论文的研究背景、内容和意义 ( 1 ) 研究背景 2 e 轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 飞轮储能系统在地面的成功应用引起航空航天部门的关注。目前，航天器 蓄电池具有能量密度低、使用寿命有限、性能不稳定以及电量的不确定等缺点。 美国自2 0 世纪8 0 年代初就开始进行飞轮储能系统在航空航天领域应用的可行 性研究，通过研究表明，飞轮储能系统取代蓄电池作为航天器的储能装置不仅 是可行的，而且还发现一项重要的附加功能，即利用储能飞轮产生的动量矩可 对航天器的姿态进行有效控制。也就是说，利用飞轮储能系统可以同时完成能 量储存和姿态控制两方面的功能，这样一来就可省去航天器用于姿态控制的反 作用轮或控制力矩陀螺，因此航天器的重量可以得到较大幅度的减轻，而有效 负荷大幅度增加。飞轮储能系统这种独特的兼具有储能与姿态控制的双重功能， 对于提高宇宙飞船、空间站、人造卫星等航天器的性能有着显著的意义，而且 还具有明显的经济效益，这就揭开了飞轮储能技术在航空航天领域的应用研究 的序幕 3 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 本论文是以飞轮储能系统的优越储能特性可以实现能量储存以及其大惯量 特性可以实现姿态控制为研究背景，与科研机构合作开展飞轮储能技术在国内 某种卫星的能源和姿态控制系统应用的预研工作。 在卫星的能源和姿态控制系统应用场合，飞轮储能系统在卫星面对太阳时， 把从太阳电池阵中转化的电能中的多余部分供给飞轮电机，飞轮加速，储存的 能量增加；在卫星背对太阳时，飞轮带动电机输出电能，飞轮降速，飞轮储存 的部分动能转换为电能供卫星使用。在能量变化的同时，飞轮转速变化引起动 量矩变化，控制这一变化也就控制了卫星的姿态，从而可以形成一个集成的能 源与姿态控制系到1 ，扪。目前，美国s a t c o n 技术公司、n a s a l e w i s 研究中心、 马里兰大学都在开发卫星姿态控制用飞轮储能系统，n a s a 并进行了太空运行 试验【”。国内的北京航空航天大学和一些航天研究院所等也正在开展卫星用飞 轮储能系统的研究。 ( 2 ) 研究内容 现阶段，关于飞轮储能系统的设计与理论研究还很不够，尚没有形成一套 比较系统、完整的设计理论与方法，也没有比较统一的设计规范和标准。本论 文主要是对飞轮储能系统中实现能量转换控制的关键组件电力转换器进行 深入的研究，旨在解决卫星用飞轮储能系统实现能量转换的一些应用设计问题， 3 飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 提出一些新的思路与方法，以期实现从直流母线到三相变频交流的双向能量转 换，并获得高的能量转换效率，从而为下一步的研究奠定基础。本论文的主要 研究内容包括： 1 ) 总体分析和设计通过对飞轮储能系统组成结构、运行特点、控制方 式和工作模式的分析，进行电力转换器的系统分析和总体设计，确定电力转换 器的总体解决方案，并选取合适的微处理器。 2 ) 实时控制系统的设计提出实时控制单元的主电路方案和控制方案， 并完成以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片为控制核心的硬件设计和软件设计，以实现 对稀土永磁无刷直流电机的高性能实时控制。 3 ) 能量回馈技术的研究阐述能量回馈的基本原理，提出能量回馈单元 的解决方案，完成能量回馈主电路的设计，并以同一d s p 芯片为核心进行控制 系统的设计，以实现高效率、高品质的恒功率能量回馈。 4 ) 集成设计在实时控制单元和能量回馈单元的基础上，从硬件电路的 配置和控制软件的集成两个角度论述电力转换器的集成设计，最终得到功能完 整的电力转换器实验样机。 ( 3 ) 研究意义 飞轮储能系统具有优越的储能特性和独具的姿态控制功能，若能实现其在 包括卫星在内的航天器上的应用，必将大大提高航天器的总体性能，也有助于 提高我国在航空航天领域的技术水平和国际地位；飞轮储能技术是从地面应用 拓展到空间应用的，它在许多领域有着重大的应用价值，有着巨大的经济和社 会效益，国外主要研究国家在这些方面已有成功的应用证明了这点；此外， 稀士永磁无刷直流电机是一种性能优越的新型电机，它有着深厚的技术背景， 对其控制系统的研究对于提高其性能、推广其应用有着直接的推动和促进作用。 因此，本论文的研究不仅有着重大的理论意义和研究价值，而且具有非常广阔 的应用前景。 d 飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 第一章飞轮储能系统概述 1 1 飞轮储能的原理和特点 飞轮储能系统是一种机电能量转换与储存装置，它突破了化学电池的局限， 用物理方法实现储能，其基本原理是在储能时，电能通过电力转换器变换后驱 动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮就以动能的形式把能量储存起来， 从而完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中： 之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；当释 能时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经电力变换器输出适用于负 载的电流与电压，从而完成机械能到电能转换的释放能量过程1 1 , 3 , 4 , 1 6 , 1 7 , 1 8 】。由此， 整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。圈1 - 1 所示是飞轮储 能基本原理图，图中用两种不同的箭头符号表示了能量流入和能量流出路径。 表示能量流八路径表示能量i ；i f 泄路径 图1 - 1 飞轮储能基本原理图 飞轮储能系统主要有以下的特点m 捌： 1 ) 能量转换效率高：工作效率高达9 0 。 2 ) 能量密度高：储能密度 2 0 w h k g ，功率密度可达5 0 0 0 w k g 。 3 ) 工作温度范围广：对温度波动感觉相对迟钝。 4 ) 循环寿命长：不受重复深度放电影响，能够运行几百万次循环。 5 ) 高可靠性、使用寿命长：只有一个运动组件，实时监控，没有零件年龄 老化，使用寿命可与电子设备相比，预期寿命2 0 年。 飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 6 ) 固有安全性：超速探测和关机使飞轮不可能出现超速现象。 7 ) 低维护：没有机械轴承，所以事实上系统无需维修。 8 ) 低损耗：独一无二的轴承系统和真空工作环境使机械损耗可以被忽略， 其他损耗也可通过设计使之最小化到可忽略的水平。 9 ) 对环境无危害：无任何有毒材料，对环境无任何污染。 当然，飞轮储能系统也有它的局限性，存在制造成本高、平稳性不好、抗 震性能不佳等缺点，但是随着飞轮储能技术的继续发展和研究的不断深入，这 些缺点将会逐步得到改善和解决【5 】。 作为电能储存的手段之一，与常用的化学蓄电池相比，飞轮储能具有控制 精度高、能量密度大、效率高、寿命长和无环境污染等优点 4 】，表1 - 1 给出了飞 轮储能与化学蓄电池储能的比较。从表中可以看出，飞轮储能技术在多个方面 显示出其优越性f l o ，6 1 。 表1 1 飞轮储能与化学蓄电池储能的比较 项目1化学蓄电池飞轮储能项目2化学蓄电池飞轮储能 效率7 0 9 0 维护时间 1 0 篮 储能容量中高储能测定差极好 循环寿命几百次几百万次环境影响污染环境无污染 使用寿命2 8 年 2 0 矩储能密度 l o 2 0 w h k g 2 0 w h k g 放电深度有限制基本无限制功率密度 1 5 0 w k g5 0 0 0 w k g 1 2 飞轮储能系统主要组件 典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动发电机、电力转换器和真空 室五个主要组件构成 1 , 3 1 。在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。图1 - 2 所示是_ 种飞轮和电机各为一个整体的飞轮储能系统 2 , 6 1 。 。扣 眵 蓬亘卜一 一 图1 - 2 飞轮储能系统结构示意图 6 电力转换器 电动发电机 真空室 飞轮本体 轴承 b 轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 下面对飞轮储能系统的各主要组件进行介绍【m 1 】： 1 ) 飞轮本体 飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件。飞轮转子材料一般选用超强玻璃 纤维或碳纤维等。转子形状主要采用多层空心圆柱体状和环状，此外还有纺锤 状、伞状、带式变惯量等。飞轮本体的设计力求提高转子的极限角速度，减轻 转子重量，增加储能量。目前，已实现的储能密度 2 0 w h k g 。 2 ) 轴承 轴承是制约飞轮转速的关键因素之一。飞轮的支承方式主要有超导悬浮、 电磁悬浮、永磁悬浮、机械轴承四种。目前，轴承技术主要集中于磁悬浮和超 导磁悬浮轴承系统的研究和开发，同时采用辅以机械轴承系统。 3 ) 电动，发电机 飞轮储能系统中有一个既可作为电动机又可作为发电机的电机，它是飞轮 储能系统的核心动力部件。飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动， 发电机及其控制为核心来实现的，电动发电机集成为一个部件，在储能时，作 为电动机运行，由外界电能驱动电动机，从而带动飞轮转子加速旋转至设定的 某一转速；当释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速 不断下降。显然，低损耗、高效率的电动发电机是能量高效传递的关键。 4 ) 电力转换器 除了采用低损耗、高效率的电动，发电机外，飞轮储能系统须配备一个高效 的双向功率电子变换装置电力转换器。电力转换器是飞轮储能系统的能量 转换控制部分，其能量转换效率对飞轮储能系统的整体效率有直接的影响。电 力转换器通过控制电机，实现电能与机械能的相互转换。输入电能经过电力转 换器变换后供给电机，而输出电能也是经过电力转换器变换( 调频、整流或恒 压等) 后获得符合母系统要求的电能。这里开展的就是有关电力转换器的控制 系统和能量回馈技术的研究工作。 5 ) 真空室 真空室的主要作用是提供真空环境以及屏蔽事故传递。同时，真空度对系 统效率是一个直接的决定因素，真空度增加可明显降低风损，但空气的散热功 能相应减弱，转子温升较快，所以必须采取必要的措施以改善散热条件。目前， 7 一 ! 笙堕壁篓型墨堑墨韭量旦堡垫查堕堡壅 国际上真空度一般可达1 0 。5 p a 量级。 1 3 飞轮电机的选取 1 3 1 运行特点和要求 飞轮储能系统的运行特点以及对飞轮电机的要求主要有 5 , 1 7 , 1 8 】。： 1 ) 飞轮电机应具有可逆性，能运行于电动和发电两种工作状态； 2 ) 飞轮的高速旋转的要求电机易于高速运行： 3 ) 储能和释能的需要要求电机能够适应大范围的速度变化； 4 ) 长时间的不间断运行需要电机有较长的稳定使用寿命； 5 ) 长时间的储能运行要求电机的空载损耗不能太大； 6 ) 要求电机有较大的转矩输出能力和功率容量； 7 ) 要求电机运行效率高、调速性能好： 8 ) 要求电机结构简单、运行可靠、低维护、重量和体积小等。 1 3 2 电动发电机的选取 根据以上的运行特点和要求，在飞轮电动发电机的选取上有四种电机可供 选择：感应电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机、永磁无刷直流电机。考虑 到飞轮储能系统的运行特点，从系统结构及降低功耗出发，国内外研究机构或 单位一般均采用稀土永磁无刷直流电机，稀土永磁无刷电机具有调节控制方便、 调速范围宽、转子损耗低、易于实现双向功率转换等优点，在飞轮储能应用中 有很大吸引力“2 。3 4 ”3 。 无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的一种新型直流电机， 而稀土永磁无刷直流电机是在普通无刷直流电机的基础上发展起来的。稀土永 磁无刷直流电机的运行状态具有可逆性。在电动状态，它就是一台稀土永磁无 刷直流电动机，将电能转换为机械能；在发电状态，它就是一台稀土永磁无刷 发电机，则将机械能转变为电能，两者是可逆的 2 2 埘】。 稀土永磁无刷直流电机具有以下优点i 捌： 1 ) 稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，故可产生很大的气隙磁通，大大缩 小了永磁转子的外径，从而减小转子的转动惯量，降低时间常数，有效 地改善电机的动态特性。 8 飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 2 ) 稀土永磁材料容易实现在气隙中建立近似于矩形波的磁场，电机可设计 成方波电机，可有效地减少力矩波动，提高电机的出力。 3 ) 由于稀土永磁体磁导率与空气相近，电枢反应磁路磁阻明显增大，因此 可有效地抑制电枢反应，使电机工作稳定，特性优良。 4 ) 稀土永磁无刷直流电机机械特性硬，过载能力强，起动性能好，系统动 态特性优良。 5 ) 稀土永磁无刷直流电机无励磁损耗，从而提高了电机效率。 6 ) 稀土永磁材料的高磁能积显著地减小了电机的重量和体积【1 8 】。 总之，稀土永磁无刷直流电机保持了采用传统永磁材料的无刷直流电机的 优点，既具备直流电机的运行效率高、不存在励磁损耗问题及起动性能和调速 性能好的优点，又具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便、散热容易、 转速不受机械换向限制、噪声小等特点，故在许多领域获得了广泛地应用，特 别适合于对性能、体积和重量要求更高的场合【2 2 _ 2 7 】。正是稀土永磁无刷直流电 机的这些优点和特点满足了飞轮储能系统对飞轮电机的要求，能够适应大范围 的速度变化，实现高效率的能量转换，从而使得其成为飞轮电机的理想选择。 1 4 稀土永磁无刷直流电机 这里主要从作为电动机的角度对稀土永磁无刷直流电机进行介绍。稀土永 磁无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和控制器三部分构成，与有 刷直流电动机正好相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢，它以电子换相取代 有刷直流电动机的机械换相装置，实现无刷运行【2 2 , 7 3 , 2 5 , 2 6 。 对于稀土永磁无刷直流电动机，其气隙磁场波形可以为正弦波，也可以是 方波或梯形波。通常情况下，正弦波气隙磁场在稀土永磁同步电机中常用，而 在稀土永磁无刷直流电动机中较少采用。在电机设计中，转子采用高磁能积的 稀土永磁体，瓦形磁钢直接面向均匀气隙，采用径向激磁结构、不对称磁路， 得到的气隙磁场空间分布不是传统的正弦波，而是具有较好的方波( 指1 2 0 。 电角顶宽的矩形波或梯形波) 形状，反电势亦为顶宽1 2 0 。电角度的梯形波， 具有上述特性的无刷直流电动机称为方波电动机，有关波形如图1 3 所示 【2 5 ，2 8 ，2 9 ，3 们。 9 飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究 b b m 厂 i 2 亚 口 k 佩 ”u 2 品 ( a ) 矩形波气隙磁场分布( b ) 梯形波反电势与方波相电流 图1 - 3 稀土永磁无刷直流电动机的有关波形 与普通正弦波无刷直流电动机相比，在有效材料利用相同的情况下，方波 电动机具有体积更小、重量更轻、电磁转矩出力更大和无转矩脉动等优点，而 且具有与直流电动机相似的转矩控制特性，控制简单【2 5 , 2 8 ，- 3 0 , 3 1 】。这里研究的飞轮 储能系统采用的电机就是方波( 矩形波) 电动机。 1 4 1 运行特性 下面以二相导通星形三相六状态为例，分析稀土永磁无刷直流电动机的运 行特性【2 2 , 2 3 , 2 5 , 2 6 ，3 2 - 3 7 1 。假设不考虑开关管的过渡过程和绕组的电感。 1 ) 起动特性 对于稀土永磁无刷直流电动机，其电枢电流为： i 。u - 2 a u - e( 1 1 ) 。 2 ，丑 式中：( ，- 一电源电压；a u 开关管的饱和管压降；，a 平均电枢电流； ，。电枢绕组的相电阻：电枢绕组的线反电势( e 一2 e 。) 。 当电动机在起动时，反电势为零，所以起动电流很大，其值通常为正常工 作电枢电流的几倍到几十倍。如此大的电枢电流往往是不允许的，在实际应用 中，通常要采取合适的起动策略来使电机安全快速地起动。 2 ) 机械特性和调节特性 稀土永磁无刷直流电动机的机械特性方程式为： 玎= 半一惫瓦 n z ， ，l = 一。 、j z ， k 。k 。k t “ 式中：竹转速；一反电势系数；崭一转矩系数：转矩。 可见，稀土永磁无刷直流电动机的机械特性与有刷直流电动机的机械特性 的表达式相同，机械特性较硬。如图1 4 ( a ) 是不同的供电电压驱动时稀土永 ，1 0 ! 笙堕墼蕉型至堕墨墼量回堡垫查盟婴壅 磁无刷直流电动机的机械特性曲线。 稀土永磁无刷直流电动机的调节特性曲线如图1 - 4 ( b ) 所示，特性曲线的 始动电压u 。和斜率k 分别为： 吣等地u 一去 s ， n 珈4 n 0 3 n 0 2 n o l 0 ( a 从机械特性和 流电动机一样好的 过改变磁通来实现 3 ) 工作特性 工作特性主要 的关系、电机效率 1 - 5 所示。 由曲线可知， 而增加。在t l = 0 效率为零；随着输 “谚坦 磊茹基隧 电枢电流随着负载转矩的增加l ，即没有输出转矩时，电机的 l 一_ 增加，当电机的可变损耗等于不可变损耗时，电机效率达到最大值；随后效率 开始下降。从效率特性可知，稀土永磁无刷直流电动机的高效率段较宽，当输 出转矩在一定范围变化时，仍保持较高效率。 1 4 2 数学模型 对于稀土永磁无刷直流电动机，通常直接利用电动机本身的相变量来建立 ! 笙堡! ! 丝型墨竺墨堂量旦堡垫查塑堕塞 由此可得如图1 - 6 所示稀土永磁无刷直流电动机的方框图1 2 2 j 8 。“。 图1 - 6 稀土永磁无刷直流电动机的方框图 1 5 飞轮储能的能量分析 1 5 1 能量方程 飞轮储存的能量与其旋转角速度( 角速度与速度成简单的比例关系) 的平 方成正比，能量方程为： e ；j t 0 2 ( 1 7 ) 二 式中：，一飞轮转动部分的转动惯量；。角速度。 飞轮的单位重量储能密度u 表征了飞轮的储能特性，其方程为【3 捌： 【厂= 墨= 委三：兰k 。k u ( 1 8 ) 式中：题一飞轮形状系数；陆r 一飞轮材料利用系数，随材料不同而异；【，m 。 = d b p 飞轮材料比强度，6 b 材料强度极限，p 材料密度。 1 5 2 储能和释能过程分析 ( 1 ) 储能过程分析 飞轮储能过程中，电机运行于电动状态，由于飞轮属于大惯性负载，速度 响应慢，为了满足获得尽可能快的储能速度的要求，电机升速可以采用变频控 制。通常变频控制有恒转矩和恒功率两种控制方式，对应储能控制方式的就有 恒转矩控制方式和恒功率控制方式。前者以系统允许的最大转矩为加速转矩保 持系统的加速转矩不变；后者以系统允许的最大功率为加速功率保持系统的加 速功率不变【1 7 , 1 8 , 4 2 。 设飞轮的角速度由三c o 加速到6 0 ( 即飞轮储能的最高转速和最低转速的比 z 值是2 ：1 ，这样可实现占最大储能量的7 5 的储能和释能) ，加速时间为t ，系 统能承受的最大转矩为，系统允许的最大功率为，则有： 1 3 一! 丝熊壁丝型墨竺墨! ! 量旦堡堇查塑堡窒 恒转矩控制方式储能 恒功率控制方式储能 一= l 最= p m = k - = 1 置。一l i 1 ，e = _ - 棚 j 了1 j 1 i ， 三l ，2 1 j ( 1 、2 f ：2 22 7 3 j t o 仁手2 丢等 最 4l 比较可得：1 ) t 2 ：t l = 3 ：2 ，即恒功率控制方式所需要的储能时间为恒转 矩控制方式的1 5 倍；2 ) p 2 ：p 1 m a x = 1 ：2 ，即恒功率控制方式所需要的电机功 率为恒转矩控制方式的一半。