摘 要

在工业化和信息化越来越发达的今天，生产生活对于能源的要求也越来越高，一旦电能供应受到影响或是供应中断，不仅会产生数以亿计的损失，同时也会对的生活带来巨大影响。其中，飞轮储能不间断电源由于其高可靠性、高效率以及高环保性，成为解决供电问题的最佳方案。本文以飞轮储能不间断电源为研究课题，针对双向电机进行选型和原理阐述，对其控制策略进行分析，设计出一套飞轮储能系统，并将该系统在直流输出和并网输出两种模式下进行仿真，验证了飞轮储能不间断电源在电力系统短时故障的情况下对负载的供电支持作用。

首先本文对多种双向电机进行比较，按照储能系统的要求，选择出高效率、低损耗、长寿命的电机，并将其运用到仿真模型的搭建中；其次，本文还总结出多种主电路拓扑结构并进行比较，选择出结构简单、控制逻辑清晰的主电路实现方案；在进行系统充放电运行控制时，本文通过对比多种方案，最终选择基于PID控制的PWM调压策略进行系统控制；最终进行仿真模型的搭建以及运行，设计出了一套储能系统，并验证了飞轮储能不间断电源在店里系统短时故障的情况下对于负载的供电支持作用。

关键词：飞轮储能、永磁无直流电机、Matlab仿真、充放电、并网逆变

Abstract

With the development of the industrialization and information, our requirements on energy is also increasing. Because once the supply of the electricity is affected or interrupted, it will cause hundreds of millions of dollars in losses. And the flywheel energy storage system stands out among the numerous uninterruptible power supplies due to its high reliability、 high efficiency and high environmental protection. And it has become the most important solutions to the problem of power supply interruption and the hot issues among the world’s governments and scientists by forestry management. This paper takes the flywheel energy storage system as the research subject. This paper expounded the principle of the motor and selected the model of the motor. analyzed the control strategy of the system, then, design a flywheel energy storage system and Flywheel energy storage uninterruptible power supply is verified under the condition of the electric power system short-term failure of the load power supply support.

First of all, a variety of motors are compared, and chose the motor with high efficiency, low loss and long life, which is selected for the simulation. Secondly, this paper compared multiple main circuit topologies, chose a simple structure, control logic clear program. When to run the system charge and discharge control, this paper, by comparing many alternatives, finally choose the PWM regulating strategy based on PID control system control; Finally, the simulation model was built and operated, and a set of energy storage system was designed, and the power supply support function of the flywheel energy storage uninterruptible power supply to the load was verified in the case of short time failure of the store system.

Key words: flywheel energy storage, permanent magnet brushless DC motor, Matlab simulation, charge/discharge, grid-connected inverter

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 飞轮储能不间断电源的发展现状 3

1.3 飞轮储能不间断电源的关键技术 5

1.3.1 飞轮转子 5

1.3.2 轴承支承系统 6

1.3.3 电力电子主电路 7

1.3.4 电动/发电双向电机的选择 9

1.3.5 真空室 10

1.4 研究（设计）的基本内容以及研究目标 11

第二章 无刷直流电机基本原理 12

2.1 引言 12

2.2 无刷直流电机的结构分析 12

2.2.1 无刷直流电机的定子 12

2.2.2 无刷直流电机的转子 13

2.3 无刷直流电机的运行原理 14

2.4 无刷直流电机的转子位置传感器 15

2.5 无刷直流电机的数学模型 16

2.6 本章小结 18

第三章 飞轮储能电机充放电运行控制 19

3.1引言 19

3.2 无刷直流电机电动运行控制 19

3.2.1 无刷直流电机的换相控制 19

3.2.2 无刷直流电机调压调速策略 24

3.2.3 PID控制原理 28

3.2.4 无刷直流电机的转速电流双闭环控制 30

3.3 无刷直流电机的发电运行控制 34

3.3.1 发电过程的原理及控制分析 34

3.3.2 并网逆变器的数学模型分析 36

3.4 本章小结 39

第四章 飞轮储能系统充放电过程建模与仿真分析 40

4.1 引言 40

4.2 飞轮储能系统充电过程模型搭建与仿真分析 40

4.2.2 永磁无刷直流电机 40

4.2.3 充电主电路 43

4.2.4 转速和电流双闭环控制模块 44

4.2.5 PWM波发生模块和换相信号发生模块 45

4.2.6 飞轮储能系统充电过程模型搭建与仿真分析 46

4.3 飞轮储能系统放电过程模型搭建与仿真分析 50

4.3.1 放电主电路 50

4.3.2 电压闭环控制模块 51

4.3.3 整流器开关管控制信号发生模块 52

4.3.4 放电过程模型搭建与仿真分析 52

4.4 飞轮储能系统整体模型搭建与仿真分析 55

4.4.1 飞轮储能系统直流电输出模式 55

4.4.2 飞轮储能系统并网运行模式 57

4.5 本章小结 60

第五章 结论与展望 61

5.1 全文工作总结 61

5.2 对本设计以及相关技术的展望 61

致谢 63

参考文献 64

绪论

课题研究背景和意义

作为现代社会最重要的资源，能源和整个社会的生产和发展息息相关。近几年来随着工业和信息的发展，社会对于电能的可靠性提出了更高的要求。因此，在电力系统中就需要一种高效率、大容量的储能装置来防止电压突然下降或电源故障对于用电设备的影响，不间断电源应运而生。而且随着IDC机房以及各种数字化设备的普及，不间断电源的需求也变得更加迫切。

传统的UPS大多数是属于静态UPS的。所谓“静态UPS”，即在系统运行的过程中，除了散热扇之外，其他的各类电气元件均处于静止状态，无机械运动。比如生活中常见的各种蓄电池组成的UPS。在过去的几年中，传统的静态UPS在生产生活中有巨大的作用，比如它们可以确保重要的数据中心、电子信息系统以及广播电视系统的正常运转，而且在工业控制方面、在航空航天以及运输方面的应用都非常广泛^[1]。但是在使用的过程中仍然存在以下不足^[2]：

1. 传统静态UPS效率比较低。根据大量的调查数据得出，工频50Hz的机型效率只有93%~94%，而高频大容量的机型效率会比较高，但是也只有94%~95%，显而易见，这和现代电气工业追求节能环保的理念是背道而驰的，而且这种设备本身的损耗也非常高；
2. 蓄电池的故障率高，需要大量维护。在已有的传统UPS使用过程中，蓄电池故障在整个系统故障率中有惊人的50%占比。此外，一般的蓄电池使用寿命只有3~6年，这无疑会在储能系统的维护和检修方面增加大量的消耗，也在无形的增加了UPS的成本。
3. 由于蓄电池中的化学物质大多是有害的物质，一旦故障泄露无疑会造成非常严重的后果；而且蓄电池在废旧失效之后如何正确处理，在保证无害的同时将效益最大化，也是一个困扰各国科学家的难题。

采用飞轮储能不间断电源进行能量储存与释放可以有效解决上述问题。

飞轮储能UPS也称为飞轮电池，在充电的过程中能够将输入的电能通过电动机带动飞轮，使之转化为高速大惯性飞轮的动能；而在放电的时候，又能经过电动/发电双向电机，将飞轮中存储的动能转化为电能进行输出。

其工作原理框图如图1-1所示^[3]：

图1-1：飞轮储能不间断电源原理框图

相比于传统的静态UPS，飞轮储能不间断电源具有不可比拟的优点^[4]：

1. 飞轮储能不间断电源具有更高的效率；据相关数据显示，飞轮储能不间断电源的效率可达97%~98%；
2. 飞轮储能不间断电源中不包含蓄电池组件，这样就可以消除由于蓄电池故障而导致的UPS系统故障，从而使得飞轮不间断电源具有传统静态UPS所不具备的高可靠性，除此之外，由于去掉了蓄电池模块，这样就可以大量节省之前花费在蓄电池上的维护费用，减轻相关工作人员的工作量；
3. 在节能环保方面，由于没有了蓄电池模块，整个飞轮储能不间断电源中不存在有害化学物质，这在倡导绿色环保的当今社会无疑是非常符合发展要求的。

传统静态UPS和飞轮储能不间断电源之间的数据对比如表1-1所示^[5]：

表1-1：传统静态UPS和飞轮储能不间断电源技术优势对比

续表1-1

传统的静态UPS因其包含有蓄电池而有一些本身固有的优点，比如：模块性高，可集成性强，不受地域以及环境的限制，系统结构比较简单成本不高。但是，这也注定其具有一些本身所难以克服的缺点，比如：体积大，重量重，维护成本高，污染严重等等。因此飞轮储能不间断电源以其高效率，低损耗以及长寿命被视为最完美的高容量能量存储设备。

飞轮储能不间断电源的发展现状

飞轮储能技术已经有了一段历史，早在上世纪50年代，飞轮储能技术就被一些有远见卓识的科学家提出^[6]，但是受当时技术水平以及硬件设备的影响，其能量密度和所提出的要求相差甚远，而且高速运转的飞轮中的损耗使得整个系统的能量转换效率极低^[7]； 70年代的石油禁运以及天然气危机，迫使美国能源部和航空航天局率先资助并协助对飞轮储能系统的研究，这些先进的技术将被用在卫星以及电动汽车上^[8]。到80年代初，高温超导磁悬浮技术、高强度纤维技术以及现代电力电子技术的发展带动了飞轮储能技术的飞速进步，成为了人来社会能源利用的又一个重要保障^[9]。

在国外，美国NASA Glenn研究中心、AFS公司、TRW公司、波音公司和德克萨斯Aamp;M大学共同开发出了采用高强度复合材料飞轮、低损耗电磁轴承系统、高效率电机以及更为先进的控制算法的飞轮储能系统，其转速高达60000rpm，而且整个系统的转换效率可以达到85%^[9]。

图 1-2：Beacon Power公司的大功率飞轮储能电站

德国从1997年就展开了大型超导飞轮储能电站的方案设计，该电站主要有10个小型的飞轮储能系统，飞轮储能系统单体可以储能0.5MWh，功率为10kW，重约30t，体积达到了70.4145m³；单体主要有1个双向电机和4个高强度符合材料制成的飞轮组成，每个飞轮储能125kWh，能量密度为41Wh/kg，能量转换效率可以达到96%^[32]。

图 1-3：德国的混合型飞轮储能电站

日本四国通用研究院在2004年采用超导磁悬浮支承系统，制造了一台储能10kWh级别的飞轮储能系统。飞轮能够在额定转速15860rpm下，整天为额定负载供电且系统损耗量仅为储能量的2%^[10]。

相比于国外，国内对于飞轮储能技术的研究较晚，清华大学物理实验室最早对该项技术进行了研究并取得了一定的成绩。我国在1997年成功设计出第一套使用高强度复合材料飞轮的储能系统^[11]，其储能量能够达到300Wh，并且最快稳定在48000rpm，成功完成了充放电实验。仅仅两年后，我国又成功设计出第二代飞轮，重15kg，直径30cm，边缘线速度650m/s，并成功运转到了700周，系统储存能量可达到500Wh。

国内飞轮储能发电技术的研究与发展仍然处于落后状态，且许多研究成果尚处于试验阶段，飞轮储能技术的发展任重而道远。

飞轮储能不间断电源的关键技术

飞轮储能系统由高转速飞轮、轴承系统、双向电机，电力电子主电路以及其他附加设备构成。能够以高速旋转的飞轮作为为能量存储的媒介，利用双向电机和电力电子器件作为能量转换的桥梁完成充能以及释能的过程。

图1-4为一个飞轮储能单元的实物图：

整合于励磁绕组中的磁轴承

电枢绕组

飞轮，双向电机转子

励磁绕组

可更换的机械轴承

图1-4 飞轮储能单元实物图

因此，与组成部分相对应，飞轮储能不间断电源存在以下几个关键的技术：飞轮转子、轴承支撑系统、电力电子主电路、双向电机以及真空室五个部分。

飞轮转子

飞轮转子是整个系统中的重要环节之一。系统在充电过程中转子由电机带动升速，将电能转化为机械能储存；在发电过程中，大惯性的转子作为动力源带动双向电机工作，从而完成从机械能到电能的转化。

飞轮正常工作时，其中含有的动能为^[12]：

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