飞轮储能系统高速永磁同步电动/发电机控制关键技术研究
发布时间：2021-08-04 14:16
飞轮储能系统使用寿命长,功率密度大,循环效率高,可靠性强,响应速度快,非常适合需要数秒至数分钟千瓦至兆瓦级的短时大功率输出且频繁充放电运行的应用场合,是一种具有良好应用前景的短时大功率储能技术,已经在不间断电源、微网、风力发电、轨道交通、电动汽车、航天器和大型舰船等领域得到应用。高速永磁同步电机具有功率密度高、运行损耗小、动态性能好和易于实现能量双向流动等优点,是飞轮储能系统电动/发电机的常见选择。飞轮储能系统电动/发电机频繁周期性工作在快速充/放电状态,具有电气频率高、转速范围宽、载波比低、动态响应要求高的特点,然而工业界中广泛应用的基于PID原理的控制方法不能完全满足其性能需求,因此本文以高速永磁同步电动/发电机及其变流器为研究对象,对飞轮储能系统的控制技术进行研究,具体完成了以下工作内容:1、讨论了飞轮储能系统运行工况的特殊性,以及目前在该工况下高速永磁电机和三相PWM变流器控制存在的主要问题,指出了需要重点研究的关键技术问题。建立了飞轮储能系统的数学模型,对高速永磁同步电机在充放电模式下的运行特性进行了分析和讨论,通过电压极限圆、电流极限圆和等功率曲线等手段确定了在母线电压、额...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２高速飞轮储能系统结构示意图??１、飞轮转子??
Ｙ２??图１．３磁悬浮轴承示意图??图１．３为磁悬浮轴承的示意图，如图所示，转子需要在轴向方向和两端的径向方向都??悬浮才能够实现整体的自由悬浮，共有５个自由度需要约束。电磁轴承又分为三种，主动??式磁轴承、被动式磁轴承和超导磁轴承。被动式磁轴承由永磁体制成，但单纯依靠永磁体??吸力形成的平衡状态没有自稳定特性，无法实现转子在５个自由度的稳定悬浮；而主动式??磁轴承则由线圈和反馈控制系统构成，通过构建反馈控制系统调节电磁铁对转轴的吸力可??以实现转子的五自由度稳定悬浮，因此主动磁轴承有更多的调控自由度，更高的稳定性［４７，４８］。??超导磁轴承则是利用超导材料特殊的磁通钉扎特性，和永磁体配合产生斥力，在没有外界??控制的情况下可以实现自稳定悬浮。自非理想第二类高温超导材料１９８６年被发现以来，经??过多年的努力
压、电流和频率，在飞轮储能系统中起着关键作用。国内外学者对变流器的不同拓扑结构??进行了大量研究。??ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ变流器是飞轮储能系统中应用最广泛的变流器结构［１°３］，如图１．４所示，也称??为背靠背（Ｂａｃｋ－ｔｏ－Ｂａｃｋ）拓扑结构。在背靠背结构拓扑中，网侧变流器将三相交流电转??化为直流母线链路的直流电，机侧变流器将直流电逆变为控制电机所需任意幅值和频率的??三相交流电压。背靠背拓扑结构能够实现能量的双向流通，逆变状态时能量从母线电容流??向电机，整流状态时能量从电机流向母线电容。母线电容能够使左右两个三相桥电路相互??解耦，即两个三相桥可以单独控制，共同维持母线电压稳定，实现能量的双向流通。需要??说明的是，三相永磁同步电机、三相感应电机和三相磁阻电机都可以用图１．４中的三相桥??电路来控制，而对于多相电机，机侧的变流器拓扑结构需要根据电机的相数和绕组分布选??＾
【参考文献】：
期刊论文
[1]Accurate two-degree-of-freedom discrete-time current controller design for PMSM using complex vectors[J]. Meng WANG,Jia-qiang YANG,Xiang ZHANG,Chang-sheng ZHU. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering. 2018(04)
[2]基于滑模控制的飞轮储能稳定光伏微网离网运行母线电压策略的研究[J]. 赵晗彤,张建成. 电力系统保护与控制. 2016(16)
[3]基于反步法的电压型PWM整流器无源控制[J]. 张恒,张成相,化晨冰,蒋德玉,翁海霞. 山东电力技术. 2016(06)
[4]基于背靠背双PWM变流器的飞轮储能系统并网控制方法研究[J]. 刘文军,唐西胜,周龙,齐智平. 电工技术学报. 2015(16)
[5]一种采用负载电流和转速补偿的改进型飞轮储能系统放电控制算法（英文）[J]. 张翔,杨家强,王萌. 电工技术学报. 2015(14)
[6]超级电容储能式电梯应用研究[J]. 罗志群,万健如,黄绍伦,韩伟伟. 电机与控制学报. 2015(06)
[7]舰船综合电力系统飞轮储能控制器设计[J]. 纪锋,付立军,王公宝,王瑞田,叶志浩,杨华. 中国电机工程学报. 2015(12)
[8]飞轮储能系统能量回馈的精确小信号建模及控制器设计[J]. 冯奕,林鹤云,房淑华,陆婋泉. 电工技术学报. 2015(02)
[9]飞轮储能系统关键技术及其研究现状[J]. 张新宾,储江伟,李洪亮,孙中鑫,阮文就. 储能科学与技术. 2015(01)
[10]大容量飞轮储能系统优化控制策略[J]. 刘学,姜新建,张超平,李胜忠. 电工技术学报. 2014(03)
博士论文
[1]电动汽车储能特性及其配置方法研究[D]. 刘瑜俊.东南大学 2015
[2]城轨交通车载超级电容储能系统能量管理及容量配置研究[D]. 赵坤.北京交通大学 2013
[3]飞轮储能系统及其运行控制技术研究[D]. 张建成.华北电力大学 2001
本文编号：3321845
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２高速飞轮储能系统结构示意图??１、飞轮转子??
Ｙ２??图１．３磁悬浮轴承示意图??图１．３为磁悬浮轴承的示意图，如图所示，转子需要在轴向方向和两端的径向方向都??悬浮才能够实现整体的自由悬浮，共有５个自由度需要约束。电磁轴承又分为三种，主动??式磁轴承、被动式磁轴承和超导磁轴承。被动式磁轴承由永磁体制成，但单纯依靠永磁体??吸力形成的平衡状态没有自稳定特性，无法实现转子在５个自由度的稳定悬浮；而主动式??磁轴承则由线圈和反馈控制系统构成，通过构建反馈控制系统调节电磁铁对转轴的吸力可??以实现转子的五自由度稳定悬浮，因此主动磁轴承有更多的调控自由度，更高的稳定性［４７，４８］。??超导磁轴承则是利用超导材料特殊的磁通钉扎特性，和永磁体配合产生斥力，在没有外界??控制的情况下可以实现自稳定悬浮。自非理想第二类高温超导材料１９８６年被发现以来，经??过多年的努力
压、电流和频率，在飞轮储能系统中起着关键作用。国内外学者对变流器的不同拓扑结构??进行了大量研究。??ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ变流器是飞轮储能系统中应用最广泛的变流器结构［１°３］，如图１．４所示，也称??为背靠背（Ｂａｃｋ－ｔｏ－Ｂａｃｋ）拓扑结构。在背靠背结构拓扑中，网侧变流器将三相交流电转??化为直流母线链路的直流电，机侧变流器将直流电逆变为控制电机所需任意幅值和频率的??三相交流电压。背靠背拓扑结构能够实现能量的双向流通，逆变状态时能量从母线电容流??向电机，整流状态时能量从电机流向母线电容。母线电容能够使左右两个三相桥电路相互??解耦，即两个三相桥可以单独控制，共同维持母线电压稳定，实现能量的双向流通。需要??说明的是，三相永磁同步电机、三相感应电机和三相磁阻电机都可以用图１．４中的三相桥??电路来控制，而对于多相电机，机侧的变流器拓扑结构需要根据电机的相数和绕组分布选??＾
【参考文献】：
期刊论文
[1]Accurate two-degree-of-freedom discrete-time current controller design for PMSM using complex vectors[J]. Meng WANG,Jia-qiang YANG,Xiang ZHANG,Chang-sheng ZHU. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering. 2018(04)
[2]基于滑模控制的飞轮储能稳定光伏微网离网运行母线电压策略的研究[J]. 赵晗彤,张建成. 电力系统保护与控制. 2016(16)
[3]基于反步法的电压型PWM整流器无源控制[J]. 张恒,张成相,化晨冰,蒋德玉,翁海霞. 山东电力技术. 2016(06)
[4]基于背靠背双PWM变流器的飞轮储能系统并网控制方法研究[J]. 刘文军,唐西胜,周龙,齐智平. 电工技术学报. 2015(16)
[5]一种采用负载电流和转速补偿的改进型飞轮储能系统放电控制算法（英文）[J]. 张翔,杨家强,王萌. 电工技术学报. 2015(14)
[6]超级电容储能式电梯应用研究[J]. 罗志群,万健如,黄绍伦,韩伟伟. 电机与控制学报. 2015(06)
[7]舰船综合电力系统飞轮储能控制器设计[J]. 纪锋,付立军,王公宝,王瑞田,叶志浩,杨华. 中国电机工程学报. 2015(12)
[8]飞轮储能系统能量回馈的精确小信号建模及控制器设计[J]. 冯奕,林鹤云,房淑华,陆婋泉. 电工技术学报. 2015(02)
[9]飞轮储能系统关键技术及其研究现状[J]. 张新宾,储江伟,李洪亮,孙中鑫,阮文就. 储能科学与技术. 2015(01)
[10]大容量飞轮储能系统优化控制策略[J]. 刘学,姜新建,张超平,李胜忠. 电工技术学报. 2014(03)
博士论文
[1]电动汽车储能特性及其配置方法研究[D]. 刘瑜俊.东南大学 2015
[2]城轨交通车载超级电容储能系统能量管理及容量配置研究[D]. 赵坤.北京交通大学 2013
[3]飞轮储能系统及其运行控制技术研究[D]. 张建成.华北电力大学 2001
本文编号：3321845
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