飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電機(jī)充放電的研究

2萬(wàn)字
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摘要 飛輪儲(chǔ)能是一種優(yōu)越的新型儲(chǔ)能技術(shù)，應(yīng)用面非常廣。基于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的分布式能源系統(tǒng)以分布形式存在，可成為優(yōu)化電力系統(tǒng)、提高電網(wǎng)利用率的有效方式。若能普遍采用，有望解決城市20％-30％的電能供應(yīng)問(wèn)題，意義重大。
本文主要對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換控制的關(guān)鍵器件，即電力電子裝置及其控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文根據(jù)儲(chǔ)能飛輪的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定了永磁無(wú)刷直流電機(jī)（PMDC）作為飛輪電機(jī),對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程進(jìn)行了較為詳盡的數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析,給出了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主電路拓?fù)鋱D,利用Matlab/Simulink建立了無(wú)刷直流電機(jī)仿真模型,并對(duì)充電模式和放電模式進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理、工作模式和控制方式的分析，確定以TMS320F2812 DSP芯片作為核心的硬件方案，并完成系統(tǒng)硬件電路的初步設(shè)計(jì)。應(yīng)用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)仿真，以完善并最終確定硬件設(shè)計(jì)和相關(guān)軟件設(shè)計(jì)方案，完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制。
充電部分主要實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。為了保證飛輪在電機(jī)的帶動(dòng)下完成快速充電，以電流和轉(zhuǎn)速為調(diào)整對(duì)象，采用PAM調(diào)制和三相逆變電路PWM調(diào)制相配合，以減小啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，力求構(gòu)建高性能的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；放電部分主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，以母線電壓為調(diào)整對(duì)象，利用庫(kù)克升壓變換器，將母線電壓穩(wěn)定在310V左右，再經(jīng)過(guò)逆變電路SPWM調(diào)制使其輸出穩(wěn)定的220V工頻交流電。通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的調(diào)試和仿真分析結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是合理、可靠性較高，達(dá)到了預(yù)期的目的，為下一階段的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：飛輪儲(chǔ)能；電力電子；無(wú)刷直流電機(jī)；Matlab；DSP；雙閉環(huán)控制


Reach of flywheel energy storage system
Abstract Flywheel energy storage(FES) is all advantageous type of late-model energy storage technology.The system is widely applied.Distributed energy system based on FES is an effective method to optimize electric power system and improve the utilization rate of electricity networks.If the method can be widely used,20%~30% of city power supply would be solved.Thus,it has high significance.
The electronic elements and control system,which arc the key components of energy conversion in FESS,are mainly discussed in this dissertation.After referring to a lot of domestic and foreign papers about FESS and analyzing the structure，principle,work mode and control methods of FESS,a solution based on the TMS320F2812 is proposed and initial system hardware circuits are designed in this dissertation.In order to finalize the design proposal of hardware and software,the simulation software of MATLAB has been used for FES system.Finally,an experimental prototype is developed.
In charge section,electrical energy is converted into mechanical energy by flywheel which is motivated by brushless DC motor(BLDCM).In order to reduce start-up current and torque ripple,the whole system combines pulse amplitude modulation(PAM)control method with pulse width modulation(PWM) control mode of three phases inverter circuit.At the same time,In order to obtain a FES control system of high performance,a dual closed-loop full-digital control system is designed using speed and current as control objects.In discharge section,FESS can be converted mechanical energy into electrical energy,and a cuk converter is introduced to stabilize the bus voltage value about 310V,then the DC bus voltage is inverted to 220 VAC by an inverter circuit which is applied
with SPWM method.The experimental and simulation results show that the system is reasonable and reliable．In a word，this research implemented the expected ideal,and laid a good foundation for the next stages of product development.
Keywords flywheel energy storage,power electronics,BLDCM,Matlab,DSP,dual closed-loop control

目 錄
第1章 緒論 1
1.1 課題背景及意義 1
1.2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用 1
1.2.1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展 1
1.2.2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)述 3
1.3 本文主要內(nèi)容 5
第2章 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理分析 6
2.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本工作原理 6
2.2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)的選擇及控制方式 7
2.2.1 飛輪電機(jī)的選擇 7
2.2.2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電原理分析 8
2.2.3 飛輪系統(tǒng)放電原理分析 10
2.3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式分析 12
2.3.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電工作模式分析 12
2.3.2 充電模式下的無(wú)刷直流電機(jī)PWM控制方式分析 13
2.3.3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)放電工作模式分析 15
2.4 本章小結(jié) 16
第3章 系統(tǒng)仿真分析 16
3.1 Simulink仿真系統(tǒng) 16
3.2 充電模式下的Matlab仿真 17
3.2.1 飛輪電機(jī)本體模塊 18
3.2.2 換相信號(hào)部分 22
3.2.3 電源部分 24
3.2.4 充電模式仿真結(jié)果 24
3.3 放電模式仿真 25
3.3.1 放電模式仿真模型 25
3.3.2 放電模式仿真結(jié)果 26
3.4 本章小結(jié) 26
第4章 系統(tǒng)DSP控制的硬件電路及軟件設(shè)計(jì) 27
4.1 控制電路 27
4.1.1 TMS320F2812簡(jiǎn)介 27
4.1.2 TMS320F2812最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29
4.2 功率主電路 33
4.2.1 充電主電路設(shè)計(jì)及器件選擇 34
4.2.2 放電主電路設(shè)計(jì)及器件選擇 36
4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 38
4.3.1 控制系統(tǒng)的主程序 38
4.3.2 無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì) 40
4.4 本章小結(jié) 42
結(jié)論 43
致謝 45
參考文獻(xiàn) 46