飞轮储能系统电机设计与充放电控制仿真研究

论文摘要

能源作为现代工业的支柱,关系着整个社会的发展。能源需求的多样性,高可靠性和波动性对于能源的储存提出了更高的要求。解决风力发电和太阳能光伏发电由于其本身随机性、间隙性和波动性所带来的并网问题,也需要高效的储能装置,同时智能电网建设的一个很重要的核心环节就是发展大规模的电力储能技术。飞轮储能是一种比较新型的机械形式的储能技术,与传统化学形式的储能装置相比具有寿命长、效率高、功率大、无污染的优点,有着非常好的市场前景和竞争力。飞轮储能系统是一个机电一体化的装置,包含着机械、电气等多种学科,与整个系统相关的主要技术包括:飞轮转子技术、磁轴承技术、电动/发电机技术、系统充放电控制技术等。本课题拟对容量为2kW/100Wh的飞轮储能系统进行设计和分析。根据容量为2kW/100Wh的设计目标,设计飞轮转子的结构,并采用有限元软件分析在运行过程中的强度情况。对于系统所用电机,参考相关电机设计资料,采用Ansoft中的RMxprt模块设计了电机的具体方案,并导入Ansoft中的Maxwell模块,对于电机空载和负载运行过程中电磁场的分布情况进行了计算,验证了所设计电机方案能够满足系统的要求。最后分析系统的充放电过程,设计了系统的充放电方案。充电采用传统的转速电流双闭环的控制策略,电流内环采用滞环跟踪型的控制方式。放电过程为稳定输出电压和控制系统的放电深度,采用了新型的闭环Boost拓扑结构。在Matlab/Simulink中根据所选用的方案搭建了系统的充放电模型,实现了系统充放电过程的仿真,仿真结果验证了方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 飞轮储能技术研究现状与发展趋势
• 1.2.1 国外飞轮储能技术研究现状与发展趋势
• 1.2.2 国内飞轮储能技术研究现状与发展趋势
• 1.3 飞轮储能技术商业化发展现状
• 1.4 本课题研究的内容及任务
• 第二章 飞轮储能系统的原理与典型结构
• 2.1 飞轮储能系统的原理
• 2.2 飞轮储能系统的典型结构
• 2.2.1 飞轮转子
• 2.2.2 轴承支撑系统
• 2.2.3 电动/发电机的分析选型
• 2.2.4 电力电子变换器
• 2.3 本章小结
• 第三章 飞轮储能系统电机设计与分析
• 3.1 飞轮转子设计与有限元分析
• 3.1.1 飞轮转子力学模型与基本方程
• 3.1.2 飞轮转子结构设计
• 3.1.3 飞轮转子应力应变有限元分析
• 3.2 飞轮储能系统用永磁无刷直流电机设计
• 3.2.1 永磁无刷直流电机的结构和原理
• 3.2.2 电机基本参数的选择与计算
• 3.2.3 Ansoft RMxprt 在电机电磁方案中的应用
• 3.3 飞轮储能系统用永磁无刷直流电机电磁场的分析
• 3.3.1 电磁场有限元法的基本原理
• 3.3.2 电机内电磁场的建模与分析
• 3.3.3 电机参数和性能的分析计算
• 3.4 飞轮储能系统轴承支撑系统分析
• 3.4.1 径向轴承支撑系统的分析
• 3.4.2 轴向轴承支撑系统的分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 飞轮储能系统充放电电路方案设计
• 4.1 充电过程分析
• 4.2 充电主电路设计
• 4.3 放电过程分析
• 4.4 放电主电路设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 飞轮储能系统充放电过程建模与仿真研究
• 5.1 Matlab/Simulink 软件概述
• 5.2 飞轮储能系统充电过程建模与仿真研究
• 5.2.1 永磁无刷直流电机本体
• 5.2.2 速度调节器模块
• 5.2.3 电流调节器模块
• 5.2.4 飞轮储能系统充电过程模型与仿真结果
• 5.3 飞轮储能系统放电过程建模与仿真研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间取得的成果