飞轮储能系统双向能量转换器的研究

摘要

飞轮储能是一种高效的能量储存方式，具有功率密度大、单位质量储能值高、寿命长、无污染等特点，目前在不间断电源、脉冲电源、航空航天等诸多行业中得到了广泛应用。双向能量转换器是飞轮储能系统的重要组成部分，控制着一体化电动／发电机的工作状态，关系着飞轮储能系统能否可靠、高效的运行。
　　 在查阅了国内外大量文献的基础上，首先分类总结了当前飞轮储能系统的发展现况以及在各个行业的应用情况。其次介绍了飞轮储能主要使用的一体化感应、开关磁阻及永磁电动／发电机的特点、原理、结构和电动／发电控制模式，同时也介绍了一体化电动／发电机所使用的双向能量转换器。然后针对某高速飞轮储能系统中的一体化永磁无刷直流电动／发电机，采用DSP作为控制核心、以IPM作为主电路构建了一体化永磁无刷直流电动／发电机的双向能量转换器，在Matlab/Simulink中建立了该能量转换器的数学模型，并对其性能进行了仿真。针对PWM模式控制过程中，电流纹波较大的问题，提出了三种改进方案并进行了仿真，对仿真结果进行了分析和比较。最后制作了双向能量转换器，完成了飞轮储能系统的运行实验，成功的将一体化电动／发电机运行到10500rpm，并实现了发电运行。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章 绪论

1.1 飞轮储能系统简介

1.1.1 飞轮储能系统的背景和优占

1.1.2 飞轮储能系统的原理及组成

1.1.3 关键部件

1.2 飞轮储能系统的应用

1.2.1 机车

1.2.2 不间断电源(UPS)

1.2.3 电力系统

1.2.4 脉冲电源

1.2.5 航空航天

1.3 研究目标及内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

第2章 飞轮储能系统电动／发电机及双向能量转换器

2.1 感应电机

2.1.1 感应电机的特点、结构与工作原理

2.1.2 感应电机的数学模型

2.1.3 感应电机的电动控制

2.1.4 感应电机的发电控制

2.1.5 感应电机的其它控制方法

2.2 开关磁阻电机

2.2.1 开关磁阻电机的特点、结构与工作原理

2.2.2 开关磁阻电机的数学模型

2.2.3 开关磁阻电机的电动控制

2.2.4 开关磁阻电机的发电控制

2.3 水磁同步电机

2.3.1 永磁同步电机的特点、结构与工作原理

2.3.2 永磁同步电机的数学模型

2.3.3 永磁同步电机的电动控制

2.3.4 永磁同步电机的发电控制

2.4 永磁无刷直流电机

2.4.1 永磁无刷商流电机的特点、结构与工作原理

2.4.2 永磁无刷直流电机的数学模型

2.4.3 永磁无刷直流电机的电动控制

2.4.4 永磁无刷直流电机的发电控制

2.5 本章小结

第3章 双向能量转换器的设计

3.1 双向能量转换器运行分析

3.1.1 双向能量转换器运行过程

3.1.2 双向能量转换器运行方程

3.2 控制系统

3.2.1 控制系统的结构

3.2.2 TMS320F2812型DSP处理器

3.2.3 位置传感器

3.2.4 电流传感器

3.3 双向能量转换器主电路

3.3.1 智能功率模块简介

3.3.2 智能功率模块接口电路、电源设计与安装

3.4 DSP程序设计

3.4.1 电机换向逻辑与定子电流控制

3.4.2 程序代码优化

3.4.3 纠错与保护

3.5 本章小结

第4章 双向能量转换器性能仿真结果与分析

4.1 双向能量转换器建模

4.2 双向能量转换器性能仿真结果与分析

4.2.1 梯形波与正弦波反电动势永磁无刷直流电机控制性能的对比

4.2.2 双向能量转换器性能仿真

4.2.3 双向能量转换器性能改进方案的仿真

4.3 本章小结

第5章 飞轮储能双向能量转换器实验研究与结果分析

5.1 安装与调试

5.2 飞轮储能双向能量转换器实验结果与分析

5.3 本章小结

第6章 结束语

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果