论文总字数：26610字

摘 要

近些年来，人类社会对能源需求越来越大，储能便成了国际上一个重点研究的课题。飞轮储能因储能密度大、效率高、无污染而备受关注。随着科技的不断发展，有关飞轮储能的技术取得了突破性的进展。目前在风力发电、UPS、电动汽车、航天技术得到了广泛的应用，有着广阔的发展前景和市场竞争力。

本文对飞轮储能系统双向电力变换装置进行了研究，对其工作原理、运行方式、控制参数设计等关键问题进行了分析。飞轮储能系统运行包括储能/释能两种状态，本文分析了系统运行原理，研究了飞轮储能系统在不同运行模式下的控制策略。储能时飞轮电机工作在电动状态，控制器采用双闭环结构，外环转速环，内环电流环，以实现电机转矩的快速调节和转速的精确控制；放电时，电机工作在发电状态，控制器采用电压闭环的结构，以实现输出电压稳定的目的。根据飞轮储能系统结构，建立了飞轮储能系统SIMULINK仿真模型，对不同运行模式下飞轮系统运行状况进行仿真分析，验证了理论的准确性。

关键词：飞轮储能系统，双向变换，控制器设计，SIMULINK，

ABSTRACT

In recent years，human society is growing demand for energy, and energy storage has become a major international research topic. Flywheel energy storage’s concerned for its high energy density, high efficiency and pollution-free. With the continuous development of science and technology, the technology for flywheel energy storage has made a breakthrough. It has been widely used in wind power, UPS, electric vehicles, aerospace technology at present，has a broad development prospects and market competitiveness.

This thesis studies the bi-directional power conversion device of flywheel energy storage system, the key problems such as its working principle, operation mode and control parameter design are analyzed. Flywheel energy storage system operation includes two states of energy storage and energy release. This thesis analyzes the operating principle of the system, and studies the control strategy of flywheel energy storage system in different operation modes. The controller uses a double closed loop structure whose outer ring is speed ring while inner ring is current loop, to achieve rapid adjustment of motor torque and speed of precise control; When discharging, the motor is in the power generation state, the controller uses a voltage closed loop structure to achieve the purpose of stable output voltage. According to the flywheel energy storage system structure, a SIMULINK simulation model of flywheel energy storage system was established. We carry out the simulation analysis of the operation status of flywheel system under different operating modes, and validate the accuracy of the theory.

KEY WORDS: flywheel energy storage system, bidirectional transformation, controller design, SIMULINK

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1选题背景和意义 1

1.2国内外研究水平综述 1

1.2.1国外发展研究概况 1

1.2.2国内发展研究概况 2

1.3研究的关键问题 3

1.4本文的主要工作 3

第二章 飞轮储能系统的原理及其控制分析 4

2.1飞轮储能的基本原理 4

2.1.1飞轮储能系统的组成 4

2.2飞轮电机的选取 6

2.3储能过程分析及其控制策略 6

2.3.1储能过程分析 6

2.3.2储能过程的控制策略 7

2.4释能过程分析及其控制策略 8

2.4.1释能过程分析 8

2.4.2释能过程的控制策略 8

2.5本章小结 9

第三章 控制器的设计 10

3.1 储能状态下的控制器的设计 10

3.1.1电机和负载的传递函数 10

3.1.2逆变器的传递函数 11

3.1.3电流和转速控制器的传递函数 11

3.1.4电流反馈 12

3.1.5转速反馈 12

3.1.6控制器的设计 12

3.2释能状态下的控制器的设计 17

3.3本章小结 19

第四章 软件仿真与波形 20

4.1仿真软件 20

4.2电路的设计与模型的建立 20

4.2.1电机的电路图 20

4.2.2驱动模块的电路图 21

4.3储能过程电路图及波形 21

4.4释能过程电路图及波形 23

4.5本章小结 24

第五章 总结与展望 26

5.1总结 26

5.2展望 26

致 谢 28

参考文献 29

附 录 31

第一章 绪 论

1.1选题背景和意义

与工业的飞速发展相同步，世界各国对能源的需求量逐步提升，储能技术渐渐进入大众的视野，逐步成为了全球科学家们探究的焦点。其中，飞轮储能技术作为能源界的新宠，集诸多优点于一身。（例如：储能密度大、储能效率高、对环境无危害等）大约1960年，该项技术被首次提出，但是由于那时候科技水准尚低且软硬件设施不能满足该技术的需求，导致飞轮储能密度过低，并不能投入大规模使用中。同时，在大型电气设备的使用中，或多或少会有难以消除的各种电能损耗存在，尤其是针对像飞轮储能技术中的飞轮这种旋转速度很快的电机，过多的电能损耗会大大降低其工作效率，令该新兴技术的推进寸步难行。这样的难题直到80年代初才能以缓解，在当时，电力电子技术进入飞速发展的阶段，研制出很多新型芯片在电力电子技术的支持下，飞轮储能技术更是如鱼得水，为人类社会能源利用提供了又一保障。

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