飞轮电池电力转换控制器的分析与研究

摘要

飞轮电池由于具有能量密度高、无污染等一系列独特的性能，已经成为电池行列一支新生的力量，并在许多方面有取代化学电池的趋势。随着新型复合材料和稀土永磁材料、电机技术、磁悬浮技术和电力电子技术的飞速发展，其应用涉及到航空航天、电动汽车、分布式发电系统、电力质量与蓄能发电、不间断电源等等领域。本文对飞轮电池电力转换控制系统进行了分析与研究，设计了飞轮电池充放电控制主电路，深入探讨了改善与提高控制系统动态性能以及可靠性能的先进控制算法，最后就飞轮电池在不间断电源中的应用方面进行了研究。 本文所做研究工作主要表现在如下几个方面： 分析了飞轮电池充放电数学模型，对充放电的工作原理以及矢量控制思想进行了说明，设计了飞轮电池电力转换空间矢量控制系统双闭环结构，并对充放电连续过程仿真，验证了整个系统设计的正确有效性。 研究了多种改进算法智能控制器以改善控制系统的动态性能。主要研究了复合模糊-PI控制器、改进算法单神经元控制器、变学习速率BP神经网络控制器等，并将它们应用到飞轮电池充放电控制中来，实现了自适应控制；最后对各种智能控制策略的控制性能进行了对比分析，确定了模糊控制性能相对最优。 在前面研究基础之上，为提高电力转换控制系统的可靠性，研究了一种较新颖的飞轮电池无速度传感器矢量控制系统。无需速度传感器反馈信号是本课题在飞轮电池控制系统上一个优异的特性。然而在一个高性能的速度闭环控制系统中，速度反馈信号又是必须的，故无速度传感器方法对于提高系统可靠性、降低系统成本都非常有利。本文提出了应用基于模型参考自适应系统（MRAS）与速度环模糊控制器相结合的控制策略，实现了充电过程高性能无速度传感器控制，并通过大量仿真测试验证了所使用系统的正确性、自适应性以及鲁棒性。 提出了基于飞轮储能电池的应急电源（本文称它为飞轮式应急电源，FEPS）在电厂电网系统应用中的控制方案。分析了飞轮电池主参数与EPS参数间的关系，并仿真验证了FEPS系统在电网调节以及电力故障处理方面的有效性。