飞轮储能控制系统的研究

论文摘要

飞轮储能是一种优越的新型储能技术,它可以从太阳能、电网过剩电能、风能中补充能源,具有高效、安全、绿色、经济等特点,应用面非常广。目前,飞轮储能技术在航天、电力系统、混合动力汽车等已有成功应用的案例。基于飞轮储能技术的分布式能源系统以分布形式存在,可成为优化电力系统、提高电网利用率的有效方式。若能普遍采用,有望解决城市20%~30%的电能供应问题,意义重大。本课题来源于深圳市重点科技项目自主分布能源系统的前期研究。论文主要对飞轮储能系统中实现能量转换控制的关键器件,即电力电子装置及其控制系统进行研究。在查阅大量国内外相关资料基础上,通过对飞轮储能系统结构、原理、工作模式和控制方式的分析,确定以TMS320F2812DSP芯片作为核心的硬件方案,并完成系统硬件电路的初步设计。应用MATLAB进行系统仿真,以完善并最终确定硬件设计和相关软件设计方案,完成实验样机的研制。充电部分主要实现电能转化为机械能。为了保证飞轮在电机的带动下完成快速充电,以电流和转速为调整对象,采用PAM调制和三相逆变电路PWM调制相配合,以减小启动电流和转矩脉动,力求构建高性能的转速电流双闭环永磁直流无刷电动机系统;放电部分主要实现机械能向电能转化。以母线电压为调整对象,利用BOOST升压变换器,将母线电压稳定在310V左右,再经过逆变电路SPWM调制使其输出稳定的220 V工频交流电。通过实验样机的调试和仿真分析结果表明该系统设计方案是合理、可靠性较高,达到了预期的目的,为下一阶段的产品开发奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的、意义
• 1.2 飞轮储能技术的发展概况及研究现状
• 1.2.1 飞轮储能关键技术研究现状
• 1.2.2 飞轮储能的应用领域简述
• 1.3 课题来源及主要内容
• 第2章 飞轮储能系统的原理及工作模式分析
• 2.1 飞轮储能系统基本原理
• 2.2 飞轮电机的选择
• 2.2.1 飞轮电机的特点及要求
• 2.2.2 飞轮电机选取
• 2.3 直流无刷电机
• 2.3.1 直流无刷电动机基本结构及数学模型
• 2.3.2 直流无刷电动机控制方式
• 2.3.3 无刷直流发电机运行状态分析
• 2.4 飞轮储能系统工作模式分析
• 2.4.1 充电工作模式
• 2.4.2 放电工作模式
• 2.4.3 保持工作模式
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 控制电路
• 3.1.1 控制器选择
• 3.1.2 TMS320F2812 简介及其最小系统设计
• 3.2 功率主电路
• 3.2.1 充电主电路设计及器件选择
• 3.2.2 放电主电路设计及器件选择
• 3.3 驱动隔离电路设计
• 3.3.1 IPM 驱动隔离电路
• 3.3.2 放电逆变器驱动隔离电路
• 3.3.3 IGBT 驱动隔离电路
• 3.4 检测及保护电路设计
• 3.4.1 电流检测电路
• 3.4.2 电压检测电路
• 3.4.3 位置/速度检测电路
• 3.4.4 过流保护电路
• 3.5 辅助电源
• 3.6 总体PCB 电磁兼容性设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 充电模式系统软件设计
• 4.1.1 主程序流程
• 4.1.2 PI 调节模块
• 4.1.3 霍尔接口模块
• 4.1.4 速度计算模块
• 4.1.5 电流检测与计算模块
• 4.1.6 PWM 生成模块
• 4.2 放电模式系统软件设计
• 4.2.1 A/D 转换及调理模块
• 4.2.2 电压PID 调节模块
• 4.2.3 SPWM 产生模块
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统仿真及实验结果分析
• 5.1 基于MATLAB 系统仿真
• 5.1.1 充电模式下系统模型及仿真结果
• 5.1.2 放电模式下系统模型及仿真结果
• 5.2 系统调试及波形分析
• 5.2.1 实验条件及调试方案
• 5.2.2 调试结果及分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢