论文总字数：23513字

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竟争力。

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。

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。

关键词:飞轮储能 电机设计 有限元分析 充放电

Study on the model of the charge and discharge of flywheel energy storage system

Abstract

Energy as the backbone of modern industry has a very important position in the development of society.Demand for energy has the following characteristics: diversity,high reliability and volatility which demand a higher energy storage technology.Flywheel energy storage is a relatively new form of mechanical energy storage technologies, compared with traditional chemical forms of energy storage, it has the advantages of long life, high efficiency, power，pollution-free and a very good market prospects and competitiveness.

Flywheel energy storage system a mechatronic device,including the mechanical, electrical and other disciplines.The main technologies related to the system include:flywheel rotor technology, magnetic bearings technology,technology, the system's charge and discharge control technology and so on.This task of this project is to design and analysis the flywheel energy storage system with the capacity of 2kW/100Wh.

Analysis of the system's charge and discharge process and design of the system's charge and discharge plan.The charging circuit adopted traditional speed and current double closed-loop control strategy, in the inner current loop, used the current hysteresis band control method, In order to stabilize the output voltage and control the depth of discharge The circuit in the discharge process adopted new closed-loop Boost topology.Setting up the charging and discharging model of the system in Matlab/simulink and realizing the process simulation of charging and discharging,the simulation results show the plan feasibility.

KEY WORDS:Flywheel energy storage, motor design, Ansoft software, charging and discharging

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 课题的背景及意义 1

1.2 飞轮储能技术研究现状与发展趋势 2

1.2.1 国外飞轮储能技术研究现状与发展趋势 2

1.2.2 国内飞轮储能技术研究现状与发展趋势 3

1.3 飞轮储能技术商业化发展现状 3

1.4 本课题研究的内容任务 4

第二章 飞轮储能系统的原理与典型结构 6

2.1 飞轮储能系统的原理 6

2.2 飞轮储能系统的典型结构 6

2.2.1 飞轮转子 7

2.2.2 轴承支撑系统 7

2.2.3 电动/发电机的分析选型 7

2.2.4 飞轮储能控制系统 7

2.2.5 真空室 8

第三章 飞轮储能系统优势与应用 9

3.1 飞轮储能系统优势 9

3.1.1 飞轮储能与其他储能方式对比 9

3.1.2 飞轮储能特点 9

3.2 飞轮储能系统应用 10

3.2.1 电力系统中的应用 10

3.2.2 交通工业中的应用 10

3.2.3 航天航空领域的应用 10

3.2.4 风力风电中的应用 11

3.2.5 其他方面的应用 11

第四章 飞轮储能系统充放电电路方案设计 12

4.1 充电过程分析 12

4.2 充电主电路设计 14

4.3 放电过程分析 17

4.4 放电主电路设计 18

第五章 飞轮储能系统充放电过程建模与仿真研究 20

5.1 Matlab/Simulink 软件概述 20

5.2 飞轮储能系统充电过程建模与仿真研究 20

5.2.1 永磁无刷直流电机本体 20

5.2.2 速度调节器模块 24

5.2.3 电流调节器模块 24

5.2.4 飞轮储能系统充电过程模型与仿真结果 25

5.3 飞轮储能系统放电过程建模与仿真研究 26

结 语 28

参考文献 30

致 谢 32

第一章 引言

1.1 课题的背景及意义

目前，集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界90％以上的电力负荷供电。这种容量越来越大的电网虽有其优点，但也存在一些弊端，如：不能灵活跟踪负荷的变化、用电负荷增加会导致电力供应短时不足，使发电、输电设施的利用率下降。特别是2003年8月接连发生在美国、加拿大和英国的大面积停电事故，为当前的电力生产和供应模式进一步提出警示和要求，因而发展分布式能源系统的推动力越来越大。此外，20世纪70年代能源危机发生以来，人们强烈地意识到，不仅仅要高效利用能源，还要大力开发太阳能、风能等新型能源。但新型能源系统规模小、能源率较低，用于集中供能是不现实的，这就为分布式能源系统发展创造了条件。

分布式能源系统是人类未来能源发展的先进模式。所谓分布式能源系统，是指各种集成或单独使用，容量在几kW到50 MW的模块化发电装置与能源管理和储存系统(如飞轮储能)相结合，用于改善输电系统的运行，提高供电可靠性，优化电力供应。基于飞轮储能技术的分布式自主能源系统以分布的形式存在。若被每个家庭采用，可成为优化电力网、提高我国电力网利用率，间接提供电能和储存电能的方法，有望解决城市20％以上的电能供应问题。它可以替代UPS电源系统，使现有的UPS电源系统体积减小30％，供电时间大幅延长，充电时间减小50倍甚至100倍，使UPS电源系统的寿命延长20倍，甚至50倍，意义重大。

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