论文总字数：25484字

摘 要

16012222 王森

指导教师：刘凯

随着智能电网发展的深入，储能技术的研究和应用势在必行。飞轮储能技术作为一种新兴的储能技术显示出了极好的应用潜力。飞轮储能系统是一种通过机电能量的转换而将能量存储起来的装置，它与传统的储能技术相比具有诸如转换效率高、储能密度大、使用寿命长、环境污染小、适应能力强、维护费用低等优点，未来在各个领域都具备巨大的发展前景。

本文主要的研究对象是飞轮储能系统的电力变换装置。电力变换器是飞轮储能系统中机械能和电能相互转换的桥梁，其性能的好坏将直接影响飞轮运行的稳定性以及电能的质量。本文分析了飞轮储能系统在不同工作模式（储能模式、释能模式、待机模式）下的运行原理，分别研究不同运行模式下的控制策略：研究储能模式下的控制方法，比较恒转矩启动、恒功率启动以及混合启动的优缺点；研究释能控制策略，重点实现电压的稳定输出；研究待机模式下的控制方法，计算飞轮储能系统空载待机损耗。

控制方式采用双闭环控制，本文选择电压、电流双闭环控制策略，控制电压的稳定，抑制绕组过流，进而实现传输电能的稳定。之后对电机侧变流器的控制策略进行了讨论，最后给出了整体的设计模型，并分别对各个工作模式进行了建模仿真。

关键词：飞轮储能系统；电力变换器；双闭环控制；建模与仿真。

Abstract

With the development of smart grid, the research and application of the energy storage technology is imperative. Flywheel energy storage technology, as a kind of new energy storage technology, has shown great potential for application. Flywheel energy storage system is a device, which stores energy through electromechanical energy conversion. Compared with the traditional storage technology, it has a lot of advantage such as high efficiency transformations, high energy storage density, long service life, little pollution to the environment, good adaptability, low maintenance costs. It has a broad application prospect in a lot of fields in the future.

In this dissertation, the main object of the research is the power converter of the flywheel energy storage system. Power converter is a bridge between mechanical energy and electric energy in the flywheel energy storage system. The performance of the power converter will affect the stability of the flywheel and the quality of the electric energy. This dissertation analyzes the operating principle of the flywheel energy storage system in different working modes (energy storage mode, energy release mode, standby mode). And we respectively study the control strategy under different operating modes: Research the control method in energy storage mode and compare constant torque starting, constant power starting and hybrid starting's advantages and disadvantages; Research the control method in energy release mode. We focus on achieving stable output voltage; Research the control method in standby mode, and calculate the no-load standby loss of flywheel energy storage system.

We choose the dual loop control strategy of voltage and current to control the voltage's stability and to inhibit the over current of the winding. Then it realizes the stability of transmission electric energy. After that, the control strategy of the motor side converter has been discussed. Finally, the overall design model is given. The modeling and simulation for the working modes are carried out respectively.

Key words: Flywheel energy storage system; Power converter; Double loop control; Modeling and simulation.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 5

1.1 飞轮储能技术的背景与意义 5

1.2 国内外飞轮储能技术的发展现状及发展趋势 6

1.2.1 国外飞轮储能技术的发展现状 6

1.2.2 国内飞轮储能技术发展现状 7

1.2.3 飞轮储能技术的发展趋势 8

1.3 飞轮储能系统的组成及工作原理 8

1.3.1 飞轮储能系统的组成 8

1.3.2 飞轮储能系统的工作原理 8

1.4 本文研究的主要内容 9

第2章 系统总体设计 11

2.1 概述 11

2.2 永磁无刷直流电机基本原理 11

2.3 飞轮储能系统电力变换装置拓扑结构 12

2.4 不同模式下的控制方式 14

2.4.1 储能模式控制方式 14

2.4.2 释能模式控制方式 16

2.4.3 待机模式控制方式 16

2.5 本章小结 17

第3章 飞轮储能系统储能模式的研究 18

3.1 概述 18

3.2 飞轮储能系统储能模式的工作原理 18

3.3 飞轮储能系统储能模式的控制策略 18

3.4 PID控制分析 19

3.4.1 PID控制原理 19

3.4.2 PID控制器的参数整定 20

3.5 本章小结 21

第4章 飞轮储能系统释能模式的研究 22

4.1 概述 22

4.2 飞轮储能系统释能模式的工作原理 22

4.3 飞轮储能系统释能模式的控制策略 22

4.4 释能系统Boost电路参数的设定 23

4.5 本章小结 25

第5章 飞轮储能系统的建模仿真 26

5.1 概述 26

5.2 储能模式的建模仿真 26

5.2.1 系统储能模式的仿真模型 26

5.2.2 储能模式仿真参数 27

5.2.3 储能模式仿真结果 27

5.3 释能模式的建模仿真 30

5.3.1 系统释能模式的仿真模型 30

5.3.2 释能模式仿真参数 31

5.3.3 释能模式仿真结果 31

5.4 本章小结 33

第6章 结论 34

致谢 35

参考文献 36

绪论

飞轮储能技术的背景与意义

在步入21世纪以来的十多年时间里，世界各国各地区的国民经济水平都有了相当可观的发展，随之而来的能源问题便逐渐成为人类所亟待解决的重大课题之一。很多国家和地区已经越来越重视对于智能电网的研究和开发，也加大了社会对于能源的需求，但是传统能源已经出现日益匮乏的现象，传统能源的开发利用所造成的环境问题也日趋严重，能源和环境问题已成为了一个阻碍中国经济快速发展不可忽视的障碍，这就使新能源的研究与开发速度得以加快。可以预见，在未来电力系统的能源结构中，可再生能源一定会占有极其重要的位置，对于新能源发电的开发利用将成为解决中国乃至世界能源危机的重要手段。

近些年来，太阳能、风能等清洁能源发电的规模已经日益增大，但是太阳能、风能发电本身存在一个很大的问题，就是季节和天气因素对其影响巨大，这导致了发电不稳定的情况出现，这些可再生能源所具有的波动性、随机性和不可控性^[1]，决定了其大规模发电并网一定会显著影响电网的安全运行和调度，这将严重降低电能的质量。预计到2020年，我国风电及光伏发电机组装机容量将会占到装机总容量的15%左右，达到1.7亿千瓦，而相关研究表明，只有当风电机组发电量所占比例小于电网发电总量的10%时，传统的电力调峰技术才可以保障电网运行的安全可靠，但是当风电机组发电量所占比例达到电网总发电量达到20%甚至以上时，电网的电力调峰能力将会面临巨大挑战，这会导致电网的安全运行受到威胁^[1]。因此想要实现风电、光伏发电的大规模并网，必须有先进的储能技术作为保障。

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