飞轮储能装置储能状态控制研究.pdf

第2 3 卷第6 期 2 0 1 0 年 月 机电产品开崖与剀崭 D e v e l o m e n t I n n o v a t i o no fM a ch i n e r y E l e cm ca lP r o d u ct s V 0 1 2 3 N o 6 N o v 2 0 10 文章编号 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 0 0 6 1 0 0 0 3 飞轮储能装置储能状态控制研究 张邦力 胡汉春 何青 代刚 西南交通大学机械工程学院 四川成都6 1 0 0 3 1 摘要 对飞轮储能装置性能的特点以及结构和储能原理进行了分析 对飞轮储能装置储能状态过程中如 何提高系统所存储能量及能量存储效率作了具体分析 设计了复合控制方案对无刷直流电机进行 调速 从而提高飞轮转速 增加系统存储能量 关键词 飞轮储能 复合控制方式 无刷直流电机 储能能量 中图分类号 T P 2 9文献标识码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 0 0 6 0 3 9 R e s e a r chn oS t o r a g eS t a t eC o n t r o lo fF l y w h e e lE n e r g yS t o r a g eS y s t e m Z H A N GB a n g L i H UH a n C h u n H EQ 讽g D A IG a n g S ch o o lo f M e ch a n i ca lE n g i n e e r i n go f S o u t h w e s t J i a o t o n gU n i v e l s i t y C h e n g d uS i ch u a n6 1 0 0 3 1 C h i n a A b s t r a ct I nt h i sp a p e r t h ep e r f o r m a n cech a r a ct e r i s t i cso ff l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m F E S S a n ds t r u b t u r ea n de n e r g ys t o r a g ep r i n ci p l e a r er e s e a r ch e d T h es t o r a g es t a t eo fF E S So nh o wt Oi m p r o v ee n e r g ys t O r a g ea n de n e r g ys t o r a g ee f f i ci e n cya r es p e ci f i cl ya n a l y z e d T h eco m p o s i t eco n t r o ls t r a t e g yf o rb r u s h l e s sD Cm o t O rs p e e dco n t r o li sd e s i g n e d t h e r e b ye n h a n ci n gt h ef l y w h e e ls p e e da n di n cr e a s i n gt h ee n e r g y s t O r a g eo fF E S S K e yw o r d s l y w h e de n e r g ys t O r a g e co m p o s i t eco n t r o ls t r a t e g y b r u s l d e s sD Cm o t o r s t o r a g ee n e r g y 0 引言 当今世界能源日趋紧张 大量含碳能源的使用已经 严重影响了地球气候的变化并直接影响我们的生活环境 各个国家在不断发掘新能源的同时 也不断地研发各种 储能装置 并已在各行各业及日常生活之中得以应用 1 飞轮储能装置结构及储能原理 1 1 飞轮储能装置的基本结构 表1 中给出了目前人们最看好或者是最常用的储能 装置及性能的比较 当然 另外还有很多其它的新型储 能设备 如核电池 超大容量电池等都受到了科学家们 的关注 并且正在不断地进行技术研究和产品开发 由表1 可以看出 飞轮储能具有其他储能方式无法 比拟的优点 目前飞轮储能技术得到世界上许多国家的 高度重视 已成为研究热点 飞轮储能装置主要包括3 个核心部分 飞轮 电机和 收稿日期 2 0 1 0 0 9 3 0 作者简介 张邦力 1 9 8 4 男 硕士研究生 研究方向 机车电力传动与微机控制 1 0 0 表1 储能装置性能比较 飞轮储超导储 对比特性化学蓄电池燃料电池 能装置能装置 储能方式化学方式机械方式电磁方式化学方式 使用寿命3 5 年2 0 年以上约2 0 年l O 年以上 污染 需耍 对环境影响几乎无污染几乎无污染污染极少 回收 严格控 工作温度有要求要求低有要求 制温度 相对尺寸最大最小较小较大 价格最低较高 较高 不定 较低 不定 储能密度小大大大 维护周期半年以内l O 年以上经常维护经常维护 电力电子装置 事实上 为了减少飞轮运转时的损耗 提高飞轮的转速和储能装置的效率 飞轮储能装置轴承 一般使用非接触式的磁悬浮轴承 并且将电机和飞轮密 封在一个真空容器内 以减少风阻 提高储能效率 在 储能时 将能量传给电机 由电机驱动飞轮储能 当能 量释放时 则由飞轮驱动发电机向外输出电能 由于电 机具有可逆性 通常发电机和电动机使用同一台电机来 实现 通过轴承直接和飞轮连接在一起 这样 在实际 使用的飞轮储能装置中还包括轴承 真空容器等 飞轮 储能装置结构示意图如图1 所示 测试与控制 飞 图l 飞轮储能装置结构 示意图 1 2 飞轮储能装置储能 原理 飞轮储能最基本的储 能原理就是将外界输入的 电能通过电动机转化为飞 轮转动的动能储存起来 当外界需要电能的时候 又 通过发电机将飞轮的动能 转化为电能 输出到外部 负载 要求空转损耗非常小 其储能原理如图2 所示 喜4 垂垂蚕赡言裹主蓁裹芋薹霎蓁差 图2 飞轮储能装置原理图 定了整个装置储能的多 少 设飞轮横截面为圆形 其半径为R 厚度为H 密 度为P 则飞轮转动惯量的计算公式为 I J Ir 2 d m 2 仃p Hj 把 叩H R 4 1 l 当飞轮以某一角速度 旋转时 其具有的动能为 1t w J l 毡 1 r p H R 4 0 2 2 1 由式 2 可以看出当飞轮的材料 半径 厚度选定 I 之后 所储存的动能只与飞轮转速的平方成正比 即高 速旋转的飞轮所存储的能量远远高出同尺寸同质量的低 速飞轮 因此 提高飞轮转速是提高储能能量的有效途 径 飞轮在给定的最高速度 与最低速度 血之间循 环运转时 可以吸收或释放的能量大小为 w J 2 o 3 二 在不考虑飞轮运转时机械性摩擦 空气摩擦 电机 及电力电子功率元件等损耗的前提下 飞轮存储或释放 能量的功率为 k 譬 掣 J co 警舶 2 储能过程中无刷直流电机控制方式 系统在加速储能过程中 要求系统要有较快的反应速 度 由于飞轮属于大惯性负载 速度变化比较慢 为了达 到尽可能快的储能速度的要求 通常无刷直流电机升速 可以采用两种变频控制方式即 恒转矩和恒功率控制 恒转矩控制方式是以系统能允许的最大转矩为加速转矩 保持系统的加速转矩不变 恒功率控制方式以系统允许 的最大功率为加速功率 保持系统的加速功率不变 l 2 1 恒转矩控制方式储能 飞轮在恒转矩控制方式下 飞轮具有恒定的角加速i 度d o o d t 转矩和转速满足如下方程 N 警 o o a b 警 蚶手t 5 式中 T 飞轮轴的转矩 J 一飞轮的转动惯量 卜 时间 o 角初速度 设飞轮的最高转速 o 一和最低转 速 由的比值是2 1 当飞轮的速度由 加速旋转至 时 这样可实现7 5 最大储能量的存储与释放田 飞 轮所存储能量为 w J J 占 J o 6 系统以允许的最大转矩T 雌按恒转矩控制方式储能 时 其功率值P r r 在最低转速t o m i n 和最高转速 一的变 化范围内呈线性变化 表达式如下 h 面 T 氏乒7 r 啊 7 根据式 5 设 0 0 0 栌 乩 可得到储能 时间的表达式 泸 犁 掣 争 8 2 2 恒功率控制方式储能 恒定功率控制方式下满足 J 2 P t 式中 P 一飞 轮运转的功率 同样设飞轮的最高转速 一和最低转速 1 曲的比值是2 1 系统能承受的最大转矩T 哪 系统允 许的最大功率为P 二 系统以允许的最大功率为P o 按恒 功率控制方式储能时 其功率与储能时间的表达式如下 膀P 司 o 矿 f u 9 忙譬 鲁 由以上推导可得 协啦 盅 争盅 3 2 玲氏萨了1T T 珊瑚 F 1 2 由此可以得出 恒功率控制方式储能所需要的时间 为恒转矩控制方式的1 5 倍 恒功率控制方式所需要的 电机功率为恒转矩控制方式最大功率的1 2 其P 一 曲 线如图3 所示 以上分析可以看出 在恒转矩控制方式下 飞轮以 恒定的加速度快速储能 储能时间较短 但功率随着转 速的上升而增大 会超过功率 限制值 如图3 a 虚线段所示 在恒功率控制方式下 不会超 过功率限制值 如图3 b 段所 示 但储能时间稍长 且在低 速时转矩较大 会超过最大转 矩限制值 因此 保证储能系 图3P 一 曲线 1 0 1 测试与控制 统运动的稳定性及符合电机的理想运行特性 在飞轮升 速储能过程中 将两种储能控制方式相结合 即 低速 转矩恒定 高速功率恒定控制 在这里选取0 5 一对应 的电机转速为基准转速 在0 0 5 一范围内升速时 采 用恒转矩控制方式 为补偿低频段定子电阻的影响 应提 高起始段的电压 在0 5 o 啪 范围内升速时 采用恒功 率控制方式 3 无刷直流电机调速控制策略 3 1 恒转矩控制策略 由以上分析可知 在飞轮升速储能过程中 低速恒转矩 高速恒功率控制方式 这样 不但电机和 控制器的利用率和效率得到提高 而且可以有效降低电 机的功率容量 对于永磁无刷直流电机电动运行三相六 状态导通模式 两相导通时电机的基本方程如下 相间 反电势方程 E c9 电压方程 u F E 一2 I R 5 j 1 L M 电磁转矩方程 M c 和I 式中 u 一直流侧输入 电压 I 广相电流 a 一调压时P W M 的占空比 且0 仅 1 C O l 一角频率 C C r 一电机常数 垂一气隙磁通 由于永磁无刷直流电机采用永磁材料励磁 具有高 效率和大功率密度等优点 同时还存在着励磁不可调节 的缺点 电机反电动势基本上和电机的转速成正比 在 基准转速以下调速可以通过P W M 调压调速 通过改变 电压占空比改变电机端电压 从而实现电机调速控制 调节占空比a 大小就可调节相电流的大小 从而改变电 机输出转矩M 的大小 此时转矩闭环相当于电流闭环 求出占空比O t d C o co 2 I I L j co L M 1 1 l u 由于电机定子电阻及电感均很小 上式中C cl co 2 I 1 L j co L M 同所以转速接近基准转速时占空比d 1 电枢电流接近饱和 无论如何调节转矩将不再上升 3 2 恒功率控制策略 由上节分析可知 低于基准转速的情况下调节电机 端电压即可满足调速的要求 在高于基准转速时 由于I 反电势较大 占空比己经达到l 电机转速高于基准转I 速时 电机的端电压达到允许输出的最大电压之后 反 电动势逐渐升高接近电机端电压时 则相电流将越来越 小 电机的电磁转矩将减小 不能产生满足要求的转l 矩 限制了调速范围 因此基准转速以上调速时要避免 反电势对电流增长的限制 若能够减小每相磁通 降低 高速下电机相反电势的值 使得转速很高时 相电流仍 然较大 就可实现电机在高速运行时仍然有较大的转l 矩 从而可以使电机在基准转速以上恒功率运行 对传统的直流电机而言 通过削弱磁场控制而进行 1 0 2 调速是比较容易实现的 但对永磁无刷电机而言 它所 产生的磁场大小是恒定的 想要通过削弱磁场控制进行 调速 在此采用相电流超前导通方式1 3 在达到基准转速 之前提前换相 就可以使定子磁场产生一个和转子磁场 方向相反的分量 抵消部分转子磁场 达到削弱磁场的 目的 这样电机的反电势将减小 电流可进一步增加 相应的电机输出功率增大 其原理如图4 所示 由输出功率P M 瑚 C m C I I o 可知 当电流L 定子磁场 一定时 为实现电机削 磁调速的恒功率运行 定子盛场 无提前角时 必须满足等式 m 图4 相电流超前导通磁场削弱 co n s t 提前角0 满足 原理 0 f o I 可得 a m O t l 其中 a l 睾 d 2 U 2 1 I L i co L M 可以看出 当转速上升到基准转速 U 以上时 由于m o co n s t 使得d 达到恒定且为最大值 此时电流调节通过锄变化来实现 a 时 可将调节 器输出的