飞轮储能装置及其充放电控制的研究-

1、飞轮储能装置及其充放电控制的研究田会方,毛元坤,周祖德(武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉430070Study of Fly Wheel Energy Storage and It s Cont rol of Charge and DischargeTIAN H ui 2fang ,MAO Yu an 2kun ,ZH OU Zu 2de(School of Mechanical and Electronic Engineering ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China 摘要:简述了飞轮储能装置的工作原理和储能原理,提出了该系

2、统的基本结构组成,并在实验和数学推导的基础上给出了其充电和放电过程的控制方案.关键词:飞轮储能;PWM 控制器;充电控制;放电控制中图分类号:TM912文献标识码:A文章编号:100122257(20070620036203收稿日期:2006212213Abstract :This paper describes t he working and energy storage p rinciple of t he flywheel energy storage equip ment.It p rovides t he basic st ruct ure form of t his system

3、 ,and it provides a controlling scheme on t he basic of experimentatio n and mat h 2ematic deductio n.The scheme can be applied in t he course of charge and discharge.K ey w ords :flywheel energy storage ;PWM cont roller ;cont rol of charge ;cont rol of discharge1飞轮储能1.1飞轮工作原理飞轮储能技术是一种新型高效的能量转换与存储方法

4、,它将电机的转子与飞轮结合,电机驱动飞轮至高速旋转,电能转变为机械能储存.当需要电能时,飞轮减速并驱动电机,电机作发电机运行,将飞轮动能转换成电能.飞轮储能系统可划有3种工作模式:飞轮充电模式,交流电源给飞轮控制器供电,飞轮控制器控制电能输入使飞轮达到额定最高工作转速;飞轮能量保持模式,飞轮系统依靠最小的交流电输入,保持飞轮在最高工作转速运行;飞轮放电模式,交流电源中断,飞轮给飞轮控制器供电,控制器提供不间断电源给负载,飞轮转速下降1.1.2飞轮储能系统基本的结构组成的,通过一定的绕线方式缠绕在与电机转子一体的金属轮毂上.b.轴承.利用永磁轴承、电磁轴承、超导悬浮轴承或其它低摩擦功耗轴承支承飞

5、轮,并采用机械保护轴承.d.电力转换器.它是输入电能转化为直流电供给电机,输出电能进行调频、整流后供给负载的关键部件.e.真空室.为减小风损、防止高速旋转的飞轮发生安全事故,飞轮系统放置于高真空密封保护套筒内1-2.1.3飞轮储能原理物体运动状态能够保持不变是物体本身具有惯性.设飞轮质量为m ,半径为r ,其计算公式为:J =r 2d m (1其中,d m 为质量微元;r 为d m 到轴线的距离.当飞轮形状为盘形时,则转动惯量为:J =r 2d m =12hR4(2其中,为飞轮的密度;h 为飞轮的厚度;R 为飞轮的半径.对于以空间角速度旋转的飞轮,其能量计算公式为:W =12J 2(3从式(3

6、可以看出,飞轮储存的动能与转速的平方成正比的关系.所以高速旋转的飞轮储能量和密度远远高出低速飞轮.而不平衡转动力矩M 的作用631机械与电子22007(6是飞轮转速改变的根本原因,即M=J dd t(4当转矩M的方向与飞轮的方向一致时,飞轮受到正向不平衡转矩的作用而加速,将能量转化为飞轮的动能储存起来.当转矩M的方向与飞轮的转动方向相反时,飞轮受到反向不平衡转矩的作用而减速,将动能转化成其它形式的能量,飞轮在给定的最高速度max与最低速度min之间循环运转时,可以吸收和释放的能量大小为:W=12J(2max-2min (5所以在不考虑损耗的情况下,飞轮的功率为:P=d Wd t=d(12J2d

7、 t=Jd d t=M(61.4飞轮电机的选择飞轮储能系统中电能与动能之间的能量交换是通过电动/发电机系统进行的.所以首先要考虑电动/发电机的高效性、可靠性、灵活性和高速控制,同时还要考虑制造成本和技术问题.通过比较选用直流电机.直流电机有较大的转矩和输出功率,易于高速运行,寿命长,能量转换效率高,能适应大范围的速度变化3.2飞轮的冲放电过程的控制2.1充电控制储能过程中要求系统要有快的反应速度,有尽可能快的储能速度,对应于这一要求有2种储能控制方式,即恒转矩控制方式和恒功率控制方式,恒转矩控制方式以系统能承受的最大转矩为加速转矩,保持系统的加速转矩不变,恒功率控制方式以系统能承受的最大功率为

8、加速功率,保持系统的加速功率不变4.假设飞轮角速度由12加到,飞轮的转动惯量为J,加速过程所用时间为t,系统的极限功率为P,系统能承受的最大转矩为M,飞轮所储存量为:E=12J2-12J(122=38J2a.按照恒转矩控制方式储能: M1=MP1=M1!1=M!1,P min=M!12P1max=M!,t1=J-J12M=J2Mb.按照恒功率控制方式储能:P2=P=M!12t2=38J2P2=3J4M根据以上的推导有:t2t1=3J4MJ2M=32P2P1max=(M!12(M!=12由此可以得出:恒功率控制储能方式的储能时间为恒转矩控制储能方式的1.5倍,而所需要的电机的功率为恒转矩控制储能

9、方式的一半,其P2曲线如图1所示.图1P2曲线由于有定子电阻的影响,所以要提高起始段的电压.由于直流电机的输入电压与功率是成正比、频率与角速度成正比,所以对于曲线2,即恒功率控制储能方式的调速,在实际控制中只需要保持电机的输入电压和控制方式不变就可以达到控制目的,其控制原理如图2所示.图2控制原理电机中位置传感器的脉冲信号频率与电机的转速即飞轮的转速成正比,利用这一脉冲信号监测飞轮的转速,当信号的频率达到设定频率即飞轮达到额定的最高转速时,由开关切换进入能量保持模式,此时可以切断电机的输入电压,也可以把这一电压改为低压以维持飞轮能量的机械损耗.一种简单的测速电路是采用单稳态多谐震荡器作为频率电

10、压变换器.首先把和电动机转速成正比的脉冲送到单稳态触发器的输入端TR,每个输入端TR上的信号上升731机械与电子22007(6沿将在单稳态触发器的输出端Q 上产生等宽等高的脉冲,再经过低通滤波后输出一个直流电压,该电压就正比于电动机的转速.2.2放电控制放电系统的主要要求是要有稳定的输出电压,另外负载的功率不能超过电机的额定功率,因此要有一定的保护措施,由于在放电过程中飞轮不断减速,发出的电压不断降低,另外负载的变化也会影响发电机上电压降的大小,从而影响发电机发出的电压的大小,这些不固定因素增加了获得良好的稳压输出性能的难度.由于直流系统的控制较方便,所以采用交2直2交系统作为飞轮储能系统的释

11、能部分的控制装置,其中控制部分集中在直流环节4.原理如图3所示 .图3直流环节控制原理图中整流输出电路为电压型,功率开关器件采用IG B T ,功率输出部分采用BUC KER 电路,通过控制开关管T 开通的占空比来调节U out 的输出.对于U out 的稳定输出来说,PWM 控制器的设计至关重要,在恒定负载条件下,飞轮转速从下降到12时的U in 随时间变化下降.在实际控制中,负载功率的变化会影响发电机定子上电压降的大小,从而也会影响U in 的大小.假设U in 由U max 变化到U min =12U max ,由BUC KER 电路的原理,可知负载上得到的恒定输出电压不能大于12U m

12、ax ,图中的电感L 和二极管D 起续流作用,电容C 起稳压滤波作用.BUC KER 电路满足以下关系:U out=KU in K = 其中,K 为PWM 波的占空比;T on 为一个斩波周期中开关管的导通时间;T 为一个斩波周期的时间.由于U in 的不确定性,整个电路不可能做到开环控制,对于电路的闭环控制有2种控制方案:a.可以把闭环环节选在U in 上,实际测量U in ,由公式U out =KU in ,可调节开管的占空比K ,原理如图4所示.图4控制方案1控制方案1虽然原理简单,而且能获得较好的稳态性能,但是由于反馈控制量不是U out ,所以动态性能较差.b.把闭环环节选在U ou

13、t 上,通过PID 调节原理改变开关管的占空比K ,来获得稳定的输出电压U out ,原理如图5所示.图5控制方案23结束语随着新材料技术、磁悬浮技术、现代控制技术、电动/发电机技术和电子技术的最近进展,使这一新型储能装置的开发和应用成为可能.相对其它储能方法,飞轮储能具有高效率、无污染、长寿命、易监控、维护简单、充放电迅速和可实现连续工作等显著的优点,具有广阔的应用前景5.参考文献:1陈华,杨启岳.新型飞轮蓄能系统J .能源工程,2001,(4:40-45.2Stanton William E ,et al.Beta site testing of the20c1000flywheel energy storage system J .Beacon Power Corporation