飞轮储能电力变换器的研究

论文摘要

飞轮储能系统是一种机电能量转换和存储的装置,具有效率高、储能密度大、动态响应快、无污染等一系列优点,其在电力系统中的配合使用能够起到平衡电网能量波动,达到优化电力供应的目的。应用于电力调峰的飞轮储能电力变换器由电机侧变流器和电网侧变流器两部分组成,本文对电力变换器整体拓扑结构、电机侧变流器控制、电网侧变流器控制及多飞轮储能系统并联进行了研究。对比分析了常用电路拓扑结构的优缺点,根据系统的特点选择了电机侧和电网侧都可以灵活控制的背靠背式双PWM变流器结构。在拓扑结构确定后,按照系统的控制目标给出了电机侧变流器控制能量流动、网侧变流器控制能量传递平衡的控制策略。闭环控制是实现控制目标的基础,电机侧与电网侧控制均采用双闭环解耦控制。电机侧选用功率、电流双闭环控制,利用功率环的输出去控制电机绕组电流,实现了飞轮储能系统能量流动的控制;电网侧变流器采用电压、电流双闭环控制,依靠稳定母线电压实现了电力变换器电机侧与电网侧能量传递的平衡。对于电机侧控制,分析了电机的驱动控制方式及PWM调制方式对电机性能及整个系统性能的影响。对于电网侧变流器采用矢量控制时电网电压相角如何快速准确获取的问题,分析了常用的基于坐标变换的锁相环方法,并针对电网电压存在畸变情况下该锁相环方法无法准确获取电网相角问题,给出了一种改进的锁相环方法。单个飞轮储能系统存储的能量有限,为了实现多飞轮储能系统并联,分析了电力变换器并联运行的均流和功率分配问题。为了减小多飞轮储能系统并联运行时电网电流谐波,采用了基于SVPWM的载波移相技术,并针对在调制比较小时传统载波移相技术效果较差的问题,给出了改进的载波移相方法。利用Simulink建立了电机侧变流器、电网侧变流器及多飞轮系统并联的仿真模型,对上述研究的问题进行仿真分析。为了对上述提出的飞轮储能电力变换器拓扑结构及控制策略的有效性进行实验验证,设计并构建了一套完整的飞轮储能系统实验平台,对飞轮储能、释能进行了实验研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外飞轮储能技术发展现状
• 1.3 飞轮储能电力变换器研究现状
• 1.4 飞轮储能系统的组成及工作原理
• 1.4.1 飞轮储能系统的组成
• 1.4.2 飞轮储能系统的工作原理
• 1.4.3 飞轮电机的选型及特点
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 飞轮储能系统电力变换器的整体设计
• 2.1 引言
• 2.2 飞轮储能电力变换器的拓扑结构
• 2.2.1 电机侧变流器拓扑结构选择
• 2.2.2 电网侧变流器拓扑结构选择
• 2.2.3 系统拓扑结构总体设计
• 2.3 系统整体控制策略
• 2.4 不同工作模式下电机控制方式
• 2.4.1 充电模式控制
• 2.4.2 放电模式控制
• 2.4.3 保持模式控制
• 2.5 本章小结
• 第3章 飞轮储能系统电机侧变流器及其控制仿真
• 3.1 引言
• 3.2 永磁同步电机及其数学模型
• 3.3 电机侧变流器的控制策略
• 3.3.1 电机驱动方式对系统影响的研究
• 3.3.2 PWM 调制策略的研究
• 3.3.3 电机侧变流器控制器设计
• 3.4 电机侧建模与仿真
• 3.4.1 电机侧仿真模型
• 3.4.2 电机侧仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 飞轮储能系统电网侧变流器及其控制仿真
• 4.1 引言
• 4.2 电网侧变流器的数学模型
• 4.3 电网侧变流器的控制策略
• 4.3.1 电流控制技术
• 4.3.2 有功与无功功率控制
• 4.3.3 闭环控制设计
• 4.4 锁相环设计
• 4.4.1 基于坐标变换的锁相环方法
• 4.4.2 改进的锁相环方法
• 4.4.3 锁相环仿真
• 4.5 电网侧变流器并联的研究
• 4.5.1 环流抑制策略
• 4.5.2 功率分配策略
• 4.5.3 改进的SVPWM 载波移相技术
• 4.6 系统的建模与仿真
• 4.6.1 单飞轮储能系统仿真
• 4.6.2 多飞轮储能系统并联仿真
• 4.7 本章小结
• 第5章 飞轮储能系统实验平台的搭建及实验结果
• 5.1 实验平台设计
• 5.2 硬件电路结构
• 5.2.1 主电路的设计
• 5.2.2 驱动隔离电路设计
• 5.2.3 控制电路
• 5.2.4 电机位置检测电路
• 5.2.5 信号检测电路
• 5.2.6 保护电路
• 5.3 软件设计
• 5.3.1 主程序软件设计
• 5.3.2 工作模式软件设计
• 5.4 实验结果
• 5.4.1 电机侧变流器实验
• 5.4.2 电网侧变流器实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢