（控制科学与工程专业论文）飞轮电池充放电控制系统的研究及应用.pdf

r tl ：t 。 原创性声明 !jiiiii iii i j f ll f l lil llil l l l f f l l l y17 1 , 9 r , l l l4 i l l l 。1 2 i i hi l l 7 i l l l 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：斟嗍世年月匝日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者繇抖师签名丑丝吼也年上月堡目 摘要 飞轮电池作为种新概念蓄电池，具有高密度储能、大功率输出、 充放电时间快、无污染、使用寿命又长等优点，在能源缺乏、环境污 染越来越严重的今天，研究并开发出飞轮电池是有重要意义的。 本论文在查阅了许多国内外相关研究的基础上，以电动车辆和不 间断电源( u p s ) 为应用背景，进行了飞轮电池充放电控制系统的硬件 电路和软件的设计。选择t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为系统控制器，通过应用矢 量控制和直流升降压斩波技术，采用电流、转速双闭环控制，结合多 种保护措施和降低功耗方法，使得该系统具有工作安全可靠、功耗低 等优点。 在选用永磁同步电机作为飞轮电机的基础上，利用m a t l a b 建立 了永磁同步电机控制系统的仿真模型，仿真结果验证了模型的可行 性。针对永磁同步电机具有非线性、强耦合性和时变性，以及系统运 行时会受到不同程度的干扰，常规p i d 控制策略很难满足高性能的控 制要求，本文设计了一种基于模糊控制的参数自适应p i d 控制器，将 其作为永磁同步电机电流和速度双闭环矢量控制系统的转速调节器， 仿真实验结果证明了系统具有较好的动态性能和鲁棒性。 关键词：飞轮电池，充电，放电，p i 控制器，模糊控制，仿真 a b s t r a c t a san e wc o n c e p to ff l y w h e e lb a t t e r y , i th a sah i g hd e n s i t y , h i g h p o w e ro u t p u t ，r a p i dc h a r g ea n dd i s c h a r g et i m e ，n op o l l u t i o n ，n a t u r ea n d l o n g l i f e a d v a n t a g e s ，w i t he n e r g ys h o r t a g e s ，w o r s e n i n gp o l l u t i o n i n c r e a s i n g l yt o d a y , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ef l y w h e e lb a t t e r y i sv e r yi m p o r t a n t u n d e rr e a d i n gal o to fd o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d ya b o u tf l y w h e e l b a t t e r y ，t h i sp a p e rf o rt h ep u r p o s eo ft h ea p p l i c a t i o no ft h ef l y w h e e l b a t t e r yo nt h ee l e c t r i cv e h i c l ea n du n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ( u p s ) i c o m p l e t et h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea b o u tf l y w h e e lb a t t e r y c h a r g e a n d d i s c h a r g e c o n t r o l s y s t e m t h i ss y s t e m c h o s et h e t m s 3 2 0 f 2 812a st h es y s t e mc o n t r o l l e r , a n dt h es y s t e mi so nt h es a f es i d e a n dh i g h e r e f f i c i e n c y , b e c a u s eo fu s i n gt h e f i e l do r i e n t e dc o n t r o l l e d m o d e m t e c h n o l o g ya n dt h eb o o s t b u c kc o n v e r t e ro fd c ，t h ec l o s e dl o o p c o n t r o lo fc u r r e n ta n d s p e e d ，a n dc o m b i n i n gw i t hm a n yw a y so fs a f e g u a r d a n dr e d u c i n gp o w e r w a s t i n g t h ep a p e rc h o s ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) a s t h ef l y w h e e lm o t o ra c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ft h ef l yw h e e ls t o r a g e s y s t e m t h es i m u l a t i o nm o d e lo fp m s mc o n t r o ls y s t e mi s b u i l ti n m a t l a b t h ef e a s i b i l i t yo ft h es i m u l a t i o nm o d e li sp r o v e d t h e n ，b e c a u s e t h ef l y w h e e lm o t o rh a sn o n - - l i n e a r i t y , c l o s ec o u p l i n ga n dt i m e - - v a r i a n c e a n dt h es y s t e ma l s or e c e i v e sd i s t u r b a n c ei nv a r y i n gd e g r e e s ，i ti sd i f f i c u l t f o rt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rt oa c h i e v es a t i s f a c t o r yc o n t r o le f f e c to f h i g h e rp r e c i s i o n s ot h ep a p e rr e s e a r c hi n t ot h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt o f l y w h e e ls t o r es y s t e m t h et h e o r yo ff u z z yl o g i cc o n t r o li se l a b o r a t e d d e t a i l e d l y t h ef u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n du s e da s t h es p e e dc o n t r o l l e ro fc u r r e n ta n ds p e e dd o u b l el o o p sp m s mv e c t o r i i i t h a tt h es y s t e mh a sg o o d a r g e ，p ic o n t r o l l e r ，f u z z y 目录 摘! i 2 l ：一i a b s t ra c t 第一章绪论l 1 1 引言l 1 2 飞轮电池国内外的发展概况2 1 2 1 飞轮电池关键技术研究现状2 1 2 2 飞轮电池的发展机遇与展望5 1 3 课题来源及主要内容6 第二章飞轮电池的原理及工作模式分析：8 2 1 飞轮电池的组成及基本原理8 2 1 1 飞轮电池的组成8 2 1 2 飞轮电池工作的基本原理8 2 2 飞轮电机的选择9 2 2 1 飞轮电机的要求9 2 2 2 飞轮电机选用1 0 2 3 永磁同步电机及数学模型lo 2 3 1 永磁同步电机的结构组成。1 0 2 3 2 坐标变换1 1 2 3 3 永磁同步电机在d , q ，0 坐标系下的充电数学模型1 3 2 3 4 飞轮电池放电的数学模型一1 4 2 4 永磁同步电机的控制策略l5 2 4 1 矢量控制原理1 5 2 4 2 永磁同步电机矢量控制方法的选择l6 2 5 飞轮电池工作模式分析1 7 2 5 1 充电工作模式l7 2 5 2 放电工作模式19 2 5 3 保持工作模式2 0 2 6 本章小结2 0 第三章控制系统硬件设计2 l 3 1 控制电路2 l 3 1 1 控制器选择2 1 3 1 2t m s 3 2 0 f 2 812 简介2 2 3 1 3 控制器最小系统外设结构2 2 3 2 主电路中功率开关器件的选择2 3 3 2 1i g b t 的内部特点2 4 3 3 飞轮转子的位置检测。2 4 3 3 1 增量式光电编码的结构与工作原理2 5 i v 3 3 2 飞轮角位移的检测2 6 3 4 飞轮速度的检测2 7 3 5 逆变器输出电流和直流母线电流电压测量模块2 7 3 5 1l e m 电流传感器的工作原理2 8 3 5 2l e m 传感器的测量电路2 9 3 6 保护电路3 0 3 6 1 过电流保护3 0 3 6 2 过电压保护3 0 3 6 3 过热保护3l 3 7 系统低功耗设计的措施3 2 3 8 系统抗干扰设计3 2 3 8 1 抗干扰设计的基本原则3 3 3 8 2 硬件抗干扰技术的设计3 3 3 9 本章小结3 4 第四章控制系统的软件设计3 5 4 1 软件设计的方法3 5 4 2 飞轮电池的软件结构3 6 4 2 1 前台中断模块描述3 6 4 2 2 充电中断x i n t l 模块3 7 4 2 3 空间矢量控制算法3 8 4 2 4 放电中断x i n 1 2 模块。4 0 4 2 5 中断x i n t 3 模块4 l 4 3 本章小结。4 2 第五章飞轮电池控制系统建模与仿真4 3 5 1 飞轮电池控制系统建模4 3 5 1 1 永磁同步电机矢量控制系统框图4 3 5 1 2 永磁同步电机矢量控制调速系统的控制过程4 4 5 1 3 永磁同步电机矢量控制系统闭环控制方法的选择。4 4 5 2 充电控制系统建模。4 5 5 2 1 永磁同步电机本体模块。4 6 5 2 2 坐标变换模块4 6 5 2 3 电流和速度p i 控制模块4 8 5 2 4p w m 模块4 8 5 2 5 整个飞轮电池充电控制系统的仿真模型4 9 5 3 充电控制系统仿真研究5 0 5 3 1 仿真参数。5 0 5 3 2 仿真结果5 0 5 4 放电控制系统建模5 2 v 5 4 1 整流电路5 2 5 4 2 斩波器一5 2 5 a 3 放电控制系统的仿真模型。5 4 5 4 4 放电电路仿真结果。5 4 5 5 本章小结5 4 第六章飞轮电池充电过程的模糊自适应p i d 控制5 5 6 1 模糊自适应p i d 控制原理5 5 6 1 1 模糊控制简介5 5 6 1 2 模糊控制系统的组成5 5 6 1 3 模糊控制原理5 6 6 2 飞轮电池的模糊p i d 控制5 7 6 2 1 飞轮电池充电模糊p i d 控制原理5 7 6 2 2 模糊自适应p i 控制器5 7 6 3 模糊自适应p l 控制器的设计5 8 6 4 模糊控制系统仿真及分析6 0 6 4 1 模糊自适应p i 控制器的仿真6 1 6 4 2 控制系统仿真。6 2 6 4 3 仿真结果6 3 6 5 ，j 、结6 5 第七章总结和展望。6 6 参考文献6 8 致谢。7 1 攻读硕士学位期间的科研及论文的发表情况一7 2 硕上论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 飞轮电池( 又称飞轮储能系统) 是一个储能系统，已经应用到了电动汽车、 航空、通信、医疗、电力等领域【。 伴随着全球能源问题的同益严重，一个世界性的研究热点课题就是储能技 术。飞轮电池储能作为一项新技术，与化学电池相比，飞轮电池的优势主要表现 在【2 l ：瞬时功率大，储能密度高；在整个寿命周期内，不会因过充电或过放电 而影响储能密度和使用寿命，而且飞轮也不会受到损害；放电深度和剩余“电 量”容易测量；充电时间短，充满电一般只需几分钟；使用寿命一般可达2 0 年左右；能量转换效率高，化学电池最高仅有7 5 ；而飞轮电池一般可达 8 5 - 9 5 ；温度要求不高，一般环境下都能满足，绝对绿色产品；当飞轮电池 与其他装置组合使用时，如用于卫星上与卫星姿态控制装置结合在一起时，它的 优势更加明显。 飞轮电池的原理是由电网提供的电能，利用现代功率电子技术，使飞轮高速 旋转，把能量以动能的形式储存起来，当能量紧急缺少或需要时，就将飞轮的动 能转化成电能释放出来【3 i 。飞轮电池能量储存方式简单直接、功率密度高、储能 密度大、基本上不受充放电次数的限制、转换效率高且无环境污染、维护简单、 寿命长、占地面积小、可就近分散布置、且不受地理环境限制，在电力工业等领 域具有广泛的应用前剽4 】： 1 飞轮电池在电力系统的应用：在用电低谷时，飞轮电池以电动机模式运行， 把电能转换为飞轮的运动动能存储起来；在用电量大时，飞轮电池则以发电机模 式运行，把电池所储存的动能转换为电网的电能，从而可以平衡电网的负荷。 2 飞轮电池在高质量用电场合的应用：在提高电网的电能质量上，飞轮电池 可以为电网提供有功和无功功率，也可以在电网吸收有功和无功功率；飞轮电池 可以提供能量来解决由电力系统故障、功率冲击等引起的电压方面的问题。 3 飞轮电池在分布式发电系统中的应用：它能为不连续性发电系统( 像太阳能 发电站、风力发电站等) 提供连续的供电储能环节。 4 飞轮电池在航空和航天中的应用：飞轮电池不但能储存能量，而且可控制 飞轮的转矩动量来改变航天器的姿态。 5 飞轮电池在多功能电动汽车中的应用：它可以在汽车制动时储存能量，然 而在爬坡和加速时释放能量。同时，它可以提高汽车利用率，降低能量消耗量和 硕士论文第一章绪论 减少尾气排放量。 6 飞轮电池可以代替不间断电源中的化学电池，特别在通信行业中，因为大 多数不间断电源都是工作在户外，而且周围环境恶劣，通常，一般电池很难适应。 1 2 飞轮电池国内外的发展概况 由于飞轮电池储能具有原理简单和容易控制等优点，已成为一个世界性热门 课题，早在上个世纪中期就有人提出了在汽车上利用高速旋转的飞轮来储存能 量，实现电动汽车的设想，这项研究一直持续到现在。但由于飞轮的边缘速度一 直被限制在1 5 0 m s 左右，所以这项技术一直没有应用成功【5 i 。2 1 世纪以来，磁 悬浮技术、高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现、现代电力电子技术的发展给飞轮 电池的快速发展提供了条件，结合这三项技术，可以使飞轮的边缘速度达到 1 0 0 0 m s 以上，同时也增加了单位质量储能密度，并逐渐在一些领域中应用成功。 近来，一些工业强国如美国、德国、英国、日本等j 下在大力投入力量到飞轮 电池的研究中，并取得了一些阶段性的进展，准备从实验室研究转向试用运行和 实际应用，然后向产业化、市场化的方向发展。然而，我国在飞轮电池技术的研 究才刚起步，近几年来主要是一些高校和研究所如清华大学、中科院电工研究所 等开始了对飞轮电池研究。研究内容主要集中在两个方面：第一是飞轮电池的整 机系统和几个关键技术的基础研究；第二是飞轮电池在电力调峰、混合动力车及 不间断电源等领域的应用研究1 6 1 。 1 2 1 飞轮电池关键技术研究现状 飞轮电池是一种有高功率比、高能量比的绿色储能系统，从开始研究到现在 的几十年间，国内外许多著名的研究机构已经取得了很多重要的研究成果，主要 体现在下面几个方面1 7 1 。 1 飞轮电池的飞轮转子 飞轮电池的主要组成部分就是高速旋转的飞轮转子【8 1 ，一般选用超强玻璃纤 维或碳纤维等复合材料作为飞轮材料，此时飞轮具有高强度，高密度，能实现最 大的储能。从现在已制造出的飞轮形状看，主要有单层圆柱状、伞状、实心圆盘、 环形等几种。据资料说明采用芳仑纤维( k e v l a r ) 制造出飞轮，它的理论能量密度 可以达到3 0 6 w h k g ，但由于各种原因，现在储能只达到1 3 4 w h k g ，因此还有 很大的开发潜力。美国n a s a 小组期望1 0 年后飞轮的转速可达到5 0 0 ，0 0 0 r m i n ， 储能密度达2 5 0w h k g 。美国的马里兰大学已经研究成功储能2 0k w h 多层圆柱 飞轮，飞轮材料为碳纤维环氧树脂复合材料，重1 7 2 8k g ，转速4 6 3 4 5r m i n 。 2 硕士论文第一章绪论 清华大学工程物理系储能飞轮实验室，在1 9 9 9 年设计了一套复合材料飞轮，重 15 k g ，转速4 8 0 0 0r m i n 。 2 飞轮电池的轴承技术 目前，飞轮储能电池的一个研究热点就是轴承技术【叭。现在飞轮轴承支承方 式主要有电磁悬浮、超导磁悬浮、永磁悬浮、机械支承四种以及它们之间的两两 组合。飞轮轴承主要是用来支撑高速旋转的飞轮转子，其起的作用有：一是承受 飞轮转子的自身重量，二是克服飞轮重心偏离引起的离心力，三是飞轮高速旋转 产生的陀螺效应力。美国n a s a c l e n n 研究中心研发的电磁悬浮轴承，主要用在 国际空间站，同时还可以在电磁悬浮轴承失效时当作机械轴承，它的工作效率可 达8 5 。德国物理高技术研究所和美国马里兰大学等机构长期从事飞轮磁轴承技 术的研发工作，同时也进行磁轴承相关技术的研究。国内在磁轴承研究方面取得 了巨大进展的主要单位有清华大学、南京航空航天大学、西安交通大学、合肥工 业大学等。 3 飞轮电池电机系统 飞轮电池中实现机械能和电能之间的相互切换主要靠飞轮电机i 1 0 1 。为满足飞 轮的高速旋转要求，当前有三种电机可以选择【l l l ：感应电机、永磁无刷直流永 磁同步电机、开关磁阻电机。然而在实际应用中基本上采用永磁电机的居多，特 别是转速在3 0 ，0 0 0 r r a i n 以上的飞轮储能系统中。因为永磁电机结构简单、成本 低、恒功率调速范围宽，在各种运行条件下都有较高的效率，而且其速度可做得 很高，目前永磁电机的转速可达2 0 0 ，0 0 0 d r a i n ，此外对永磁电机进行调速也很容 易。美国i n d i g o 能源公司的飞轮电池就是采用三相高效永磁电机，其能量转换 效率大于9 5 。 4 飞轮控制系统 飞轮电机的加减速，主要是由飞轮的控制系统来完成的，所以飞轮控制系统 是系统实现能量电能和机械能转换的桥梁。因此，在整个储能系统设计中，关键 就是对飞轮电机的控制，通过电机调速，可以达到对储能系统中能量的流动的有 效控制1 1 2 i 。电气传动系统由控制部分、功率部分和电动机三要素组成。电机调速 在电流型式上主要分为交流调速和直流调速。然而在交流调速中，异步电动机调 速系统和同步电动机调速系统己发展成为占有相当比例的两类调速系统。在电气 传动的领域中，实现高性能的调速传动控制一直是电气传动领域研究的热剧1 3 l 。 电机的直流调速比较容易，实现恒转矩调速只要在额定转速下，保持励磁电 流恒定；实现恒功率调速只要改变励磁就可以。双闭环系统( 比如直流调速系统) 具有优良的静、动态调速特性，所以，一直以来直流调速系统在调速中都占有统 治性的地位。但是，直流调速系统也存在的一定的缺陷，直流电机在换向电流时 硕j ：论文 第一章绪论 需要电刷，而且此时容易产生电火花，这样很多维修工作带来难度。 上世纪6 0 年代以后，交流调速技术由于节能效果好，在各国得到了很大的 发展。在各国的发展中，交流调速方式有电压源型变频器、电流源型变频器，脉 宽调制变频器等等。脉宽调制技术控制是变频调速系统的核心，各种p w m 控制 方式有效组合基本上可以实现所有的控制算法。p w m 分为【1 4 】：正弦p w m 法 ( s p w m ) 、等宽p w m 法、电流跟踪p w m 法及磁链跟踪型p w m 法【l 5 1 。由于p w m 技术消除了相控原理的所有缺点，使交流电动机定子有接近于正弦波的电压和电 流，提高了电机的输出效率和功率因数，减小了电机的转矩脉动，还加快了系统 调节速度，提高了系统的动态响应性能，从而实现了节能高效。 7 0 年代初，西德f b l a s s c h k e 等人提出了矢量控制理论，利用坐标变换把三 相系统转化为两相系统，以此来解决交流电动机的转矩控制问题。矢量控制原理 是经过转子磁场定向的同步旋转坐标变换，把定子电流励磁分量与转矩分量的解 耦，可以达到对交流电动机定子电流励磁分量和转矩分量分别进行控制的目的 【1 6 】。因此，可以将三相异步电动机等效为直流电动机来控制，可以获得与直流调 速系统同样优良的动、静态性能f 1 7 1 。实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的 性能优于直流调速系统。近年来出现的诸如变结构滑模控制、自适应控制、多变 量解耦控制等方法【1 8 】，丰富完善了矢量控制，使其具有更加实际的应用价值。但 由于电机参数的不确定性、纯滞后性和非线性耦合性，加上电机转子参数估计的 不准确及参数变化的影响都会造成定向坐标的偏移，因此，提高矢量控制系统的 鲁棒性和对参数变化的自适应性是今后矢量控制研究的热点方向【l 纠。 目前，应用在交流伺服系统中的控制策略可以大致分为三类：一类是传统控 制策略，包括p i d 反馈控制、解耦控制等；二类是现代控制策略，包括自适应 控制、鲁棒控制等等；三类是智能控制策略，包括模糊控制、神经网络控制、模 糊神经网络控制等等。由于实际的传动系统中，电机本身的参数( 如交流电机的 转子电阻) 和拖动负载的参数( 如转动惯量) 在具体的应用场合会随工况而发生变 化；由于交流电机本身具有非线性，再加上拖动负载具有间隙或弹性等非线性因 素，使得常规p i d 控制器很难满足高性能电机调速的要求【2 0 1 ，因此，交流调速控 制技术的新研究方向就是一种不依赖于被控对象的数学模型，能克服交流调速系 统的变参数、非线性等不利因素，提高系统的鲁棒性的技术。在多环控制结构中， 智能控制器常常处于最外环，而内环可以保留p i d 控制器的传统方法。这是由 于外环通常是决定系统性能的根本因素，而外环控制可以抑制或弥补内环带来的 各种扰动误差，内环主要起改进对象特性促进外环的作用。当前交流电机智能控 制的研究热点主要集中在神经网络控制、模糊控制应用上【2 1 1 。 飞轮电池充放电控制系统主要的作用是控制集成电机，实现电能与机械能的 4 硕上论文第一章绪论 相互转换，它是控制整个系统正常工作的核心组成部件。针对系统中使用电机类 型不同，应用不同的功率驱动电路和驱动控制方案。对于感应电机，目前应用最 多的是矢量控制和直接转矩控制【2 2 1 ，其中包括无位置传感器等控制算法；永磁电 机根据反电势的不同应按照正弦、方波的驱动方式，永磁同步电机一般也是矢量 控制方案【2 3 i ，而永磁直流无刷电机一般都是三相六拍导通，通过p w m 调制来达 到控制的目的。该系统总的来说，充电时，先将交流电整流成直流，然后经过逆 变电路转换成驱动电动机所需的电压；放电时，则先将集成电机输出的幅值变化 的正弦电压经过整流电路转变成直流电压，然后再把这个电压幅值变化的直流电 压经过斩波电路转变成幅值恒定直流电压。总之，飞轮电池的电力电子转换系统 必须具有调频、整流、恒压的功能。电力电子转换器主要采用的电力电子元件是 i g b t ( 绝缘栅结双极型晶体管) ，通过电源逆变和脉宽调制技术( p w m ) 来对飞轮电 池进行充放电。美国r p m 公司的电力电子控制器采用正弦电流脉宽调制技术， 通过反馈直流电压、飞轮转速、飞轮振动来防止过速、监视能量存储、释放等状 态。该系统主要包括安全保护、轴承伺服电路、电机控制、l c d 显示几个模块， 其功率损耗只有2 w 。此外，马里兰大学也开发出“敏捷微处理器电力转换系统” 用于电力转换器的控制。 5 飞轮电池的真空腔 真空腔主要作用是降低损耗、提高效率，同时还可以屏蔽事故。当前真空腔 一般可达到1 0 4 p a ；辅助轴承是在电磁悬浮轴承失效时可以支承飞轮转子。r p m 公司制造的着地轴承，不需要润滑因为它采用旋转接触球轴承：而n a s a 采用 电磁悬浮轴承和机械轴承相结合的辅助轴承。事故屏蔽容器是飞轮电池安全保护 装置的重要组成部分，因为飞轮的转速非常快，而且惯性力也非常大，旦飞轮 出现意外或破裂，就容易伤害旁边的人和设备。又由于事故屏蔽容器的结构与飞 轮储能电池的安全相关，所以许多人对事故屏蔽容器的设计做了诸多研究。如复 合材料圆筒衬套，当飞轮转子发生意外时，它能够消耗瓦砾的径向能量，并且通 过摩擦消耗瓦砾的旋转能量，从而降低传给转子支座和支承零件的力距负载 7 1 。 1 2 2 飞轮电池的发展机遇与展望 我国是一个幅员辽阔、人口众多的发展中国家，目前还有很多偏远山区没有 通电。我国也是一个边境线很长的国家之一，在绵延几千万公罩的边境线上，一 般以上的边防哨所尚未通电。对于这些地区，架设输电线路的成本较高，即使架 设了输电线路，运行成本也比较高。因此，要想实现全国电气化，光靠水电、火 电或核电是很难满足要求的。在这些地区中，有些地方风力资源或太阳能资源比 较丰富，如果利用风力或太阳能发电，将这些分布式发电的电力先转化为飞轮的 硕上论文第一章绪论 动能储存起来，待需要时再将飞轮的动能转换成电能向外供电将是非常经济的， 而且不会对环境产生任何负面影响。对于我国大部分农村地区，即使建成了农村 电网，但往往时常停电。如果使用飞轮电池，则可以在电力供应充足时将电力储 存起来，而在停电时由飞轮电池供电。即使在我国较发达的城市地区，研究对环 境友好、既经济可靠又能长期储能的经济型电源也非常重要的。在这些地区，经 济型飞轮电池既可以作为电网负载均衡，即在电力充足时将电力储存在飞轮中， 而在电力供应不足时，由飞轮电池回馈给电网，保证电网负载始终是均衡的。除 储能外，飞轮电池还可以作为重要负载设备，如通信设备、计算机和医疗设备等 的不间断电源( u p s ) ，取代目前使用的u p s ，还可以作为应急灯的应急电源1 2 4 1 。 可见，研究既经济可靠又对环境友好的飞轮电池在我国是大有市场的，也符合我 国对环境保护的要求。 飞轮技术的发展是一个漫长的过程，尽管目前的开发费用比较昂贵，但由于 市场的巨大潜力，世界各国的科学研究者仍然对它孜孜不倦的追求以抢占未来市 场的最高点。尽管飞轮电池的研究已经取得了许多骄人的成绩，但大部分研究工 作仍然集中在飞轮电池的几大关键技术上，如磁悬浮技术、集成驱动的电动发 电机技术、变频调速技术和复合材料飞轮技术等【2 5 1 。飞轮电池仍然需要不断的发 展和创新，许多地方需要进一步的完善，如电池的储能密度还需进一步提高，系 统的费用和能耗还需大幅降低【2 6 】等等。 1 3 课题来源及主要内容 本课题基于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题“基于无线传感器网 络的铁路重载货运车辆危险状态监测系统研究与应用”中无线信息传输网络体系 的能源解决方案，无线传感器网络特别适合部署在列车内这样的恶劣环境和人不 宜到达的场所。但这也给无线传感器网络带来能量限制的问题。在传感器网络中， 汇聚点往往个数有限，而且能量能够得到补充，而传感器结点数目非常庞大，通 常采用电池提供能量，而且一般情况下电池无法更换。开发一种性能更好的电池 来代替蓄电池是一种大趋向，而飞轮电池与一般电池相比有很多优越性。本论文 主要是对飞轮储能系统中的实现能量转换控制的关键组件，即飞轮储能控制系统 进行深入的研究，旨在解决飞轮储能系统中实现能量转换的一些应用设计问题， 提出一些新的思路与方法，并获得高的能量转换效率，为下一步的研究奠定基础。 本论文的主要内容包括： 1 第一章主要是查阅了飞轮电池相关的很多国内外参考文献，在这个基础 上概述了飞轮电池的目前发展情况。另外对飞轮电池的几个关键技术进行了具体 的描述，比如飞轮转子材料的选择、飞轮电机、飞轮控制系统、真空腔以及支撑 6 硕一l 二论文第一章绪论 轴，并对飞轮电池以后的发展进行了一翻讨论。 2 第二章主要分析了飞轮电池的基本工作原理和几个工作模式，首先就是根 据飞轮电池的性能特点选择电机，本课题选择的是永磁同步电机，然后对永磁同 步电机进行了数学模型的推导以及建立，在永磁同步电机的控制中主要采用了矢 量控制的方法，飞轮电池的工作模式，包括充电工作模式、放电工作模式、保持 模式。 3 第三章控制系统的硬件电路的设计，控制器选择t m s 3 2 0 f 2 81 2d s p ，介 绍了该控制器的最小系统控制电路；在电力电子电路设计中比较重要的是功率开 关器件的选择，本文主要选择了i g b t ，硬件设计中包括了飞轮转子位置检测系 统，飞轮速度的检测等等，系统要保持低功耗必须采用保护电路，低功耗设计电 路，抗干扰电路。 4 第四章主要介绍了三种中断，即三个工作模式的软件流程及处理的过程。 5 第五章在m a t l a b s i n m u l i n k 环境下，建立了飞轮电池充电的p i d 控 制仿真模型，并抓出了飞轮的旋转速度曲线图，转矩曲线图，定子的三相电流图。 同时，对飞轮电池的放电模式进行了仿真分析。 6 第六章在m a t l a b s i n m u l i n k 环境下，建立了飞轮电池在模糊自适应 p i d 控制器作用下的充电仿真模型，也分别抓出了旋转速度曲线图，转矩曲线图， 定子的三相电流图，和第五章的进行了对比，得出结论。 7 硕上论文 第二章飞轮电池的原理及工作模式分析 第二章飞轮电池的原理及工作模式分析 2 1 飞轮电池的组成及基本原理 2 1 1 飞轮电池的组成 飞轮电池由转子系统、轴承系统、电动发电机系统三部分组成。此外，辅助 系统有真空室、外壳和控制系统等。基本结构如图2 1 所示。 一 -l j i 一 何 ： 一 ”知 - 。k i 卅i 壬“j h ：，h i ； ，一 il|；i l ； 毒；一 一一 lfi ， - jl l 黝就扩 u ：l 一 电力转挠器 电动发电机 真空室 飞轮本体 轴承 图2 - 1 飞轮电池基本结构 飞轮电池的内置电机，在充电过程中，它作为发电机加快飞轮转动，形成更 大的动能；在放电过程中，作为电机，减慢飞轮的转速，使飞轮动能转换为电能。 由于电机转速非常快，速度范围大，且要求在真空环境下工作，散热差，因此对 电机有非常高性能的要求。电力转换器有控制电机、调频、恒压、整流的作用， 在飞轮电池中通过电力转换器来控制电机，实现电能和机械能的相互转换。其作 用过程：加快电机的运转，通过把直流电转换为交流电；减慢电机运转，交流电 变直流电，输出电能。 2 1 2 飞轮电池工作的基本原理 飞轮电池的工作过程为：系统在充电储能时，飞轮电机以电动机形式运行， 由输入电通过电力电子转化器加快飞轮的转速，把电能转化为动能存储在飞轮 中；在飞轮达到达设定的最大转速后，系统就处到能量保持状态。当系统接收到 放电的控制信号时，系统就丌始释放能量，减慢飞轮的转速，完成机械能向电能 的转捌2 7 1 。由此，实现了整个系统电能的输入、储能及输出控制。图2 2 是飞轮 8 硕上论文 第二章飞轮电池的原理及t 作模式分析 电池工作原理框图。 图2 - 2 飞轮电池原理框图 飞轮电池中，核心部件肯定是旋转飞轮，它直接决定了系统的储能量，然而 它储存的能量e 的大小由式( 2 一1 ) 决定： e ：! ，国2 ( 2 1 ) 2 j 是转动惯量，与飞轮的重量和形状有关；f 0 是飞轮旋转的角速度。 飞轮在预定的最低转速妯与最高转速之间来回运转时，可以储存或释放的 能量大小为 丝：委，( ( 0 2 m a x - - c 0 2 m i n ) ( 2 2 ) 由此，引入定义： 口：1 一竺童( 2 3 ) 口为放电深度。当选择最小转速等于最大转速的一半时，则放电深度可以达到 7 5 。 2 2 飞轮电机的选择 2 2 1 飞轮电机的要求 飞轮电机是飞轮电池的核心组成部分，它必须具备以下功能【2 8 】：必须要在 发电和电动两种状态之间切换；因为储存能量和飞轮的转速的平方成正比，所 9 硕十论文 第二章飞轮电池的原理及工作模式分析 以飞轮电机要求能达到较高的旋转；充电和放电过程时要求电机能够在大范围 变化速度；因为飞轮电池有时候要很长时间的充电运行，所以电机不能有太大 的空载损耗；不停歇的运行要有较长的使用寿命；电机的调速效果明显，运 行效率要高；电机要有大功率容量以及较好的转矩输出能力。 2 2 2 飞轮电机选用 要符合以上的要求，目前有三类电机可以选择：磁阻电机、感应电机、永磁 电机。磁阻电机缺点是结构比较复杂，价格高，而且功率因数又低；感应电机较 低的转换效率，难做到超高转速，并且控制比较复杂，所以永磁电机是当前控制 飞轮应用最多的电机类型。永磁同步电机相比于传统电机的优势f 2 9 】： p m s m 低 损耗。由于永磁同步电动机采用了永磁体代替电励磁，并且没有励磁损耗，所以 运行时，没有铁耗和铜耗，这样也就清除了电机发热的根源。电机效率高，密 度高。电机材料都采用了稀土、钱铁硼，而b r , h e 都具有较大磁能积；简化 了转子复杂结构，并且降低了生产成本同时提高了电机的稳定性，因为永磁同步 电机转子上没有了电励磁装置；电机的转速容易控制，只要通过控制电源的频 率；p m s m 的转子使用了永久磁铁作为励磁，可以在较低的速度下保持同步 运行，使调速范围变宽。 由于永磁同步电机的许多优点使其成为飞轮电池的最佳选择，因此目前许多 科研单位和生产商也都选用永磁同步电机作为飞轮控制系统的集成电机。本课题 也采用永磁同步电机作为飞轮电池的控制电机。 2 3 永磁同步电机及数学模型 2 - 3 1 永磁同步电机的结构组成 永磁同步电机主由转子、定子绕组、机体三大部分组成如图2 3 。转子是永 磁体，它由永磁材料制作而成，在旋转磁场的作用下，转子开始旋转。定子绕组 是经过三相交流电，产生一个旋转磁场并且与电源频率同步。电机机体是整个电 机的支撑框架，它的好坏直接决定整个电机的性能，可以说是整个系统的依托。 1 0 硕十论文第二章飞轮电池的原理及工作模式分析 c ya 图2 - 3p m s m 结构图及实物图 当转子开始匀速旋转时，在空间上会形成旋转磁场，从而在定子绕组上经过 切割定子绕组形成感应电动势，分析感应电动势的差异，可以把永磁同步电机分 成梯形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机，我们通常叫的永磁同步电机其实 是正弦波永磁同步电机；而梯形波永磁同步电机就是直流无刷电机，其原因是在 控制效果上相当于直流电机的控制。 2 3 2 坐标变换 我们在讨论永磁同步电机的数学模型前，假定电机的转子和定子表面光滑而 忽略磁滞和涡流、磁饱和，转子在结构上对称，定子三相对称等，这种前提下可 以称为理想电机，虽然实际环境中的永磁同步电机不可能达到这种条件，但是这 样的假定可以大大简化分析工作。而且还可以用修正相关参数等办法来弥补。下 面一些系列的研究都要建立在坐标变化原理的基础上。因此我们首先讨论坐标变 化。 坐标变换在数学上的定义：用一组新的变量来代替原方程中的一组变量。线 性变换：新变量与旧变量之问存在线性关系。而电动机中运用的坐标变换都是线 l 性变换。 永磁同步电机中有两种坐标系，一种0 【，p ，0 坐标系，它相对我们是静止的 是因为它固