飛輪儲能系統(tǒng)中的能量轉換環(huán)節(jié)及其實現(xiàn)

解亞飛，程三海，王雪帆，韋忠朝

(華中科技大學，武漢市430074)

　　摘要：介紹了飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉換環(huán)節(jié)的要求及實現(xiàn)方案，儲能部分介紹了恒轉矩及恒功率控制的原理及實現(xiàn)方法，釋能部分提出了實現(xiàn)優(yōu)良的恒電壓輸出性能的方案。

　　1前言

　　飛輪儲能技術由于其能量轉換效率高、無污染、維護性好、儲能密度高、使用壽命不受放電深度影響等特點越來越受到關注。隨著新型材料的應用、磁浮技術的進展和電機變頻調速技術的成熟，為研制飛輪儲能系統(tǒng)提供了條件。

　　通常的飛輪儲能裝置由飛輪、電機、電力電子變換裝置三部分組成，如圖1所示。

　　其中飛輪與電機轉子固定地連接在一起，飛輪儲能裝置的基本原理是：儲能時，電能通過電力電子變換裝置變換后控制電機轉動，電機帶動飛輪加速轉動，電能轉化為機械能儲存下來。需要放能時電機作為發(fā)電機，由飛輪帶動其轉動將機械能轉化為電能經電力電子裝置變換后輸送給配電系統(tǒng)。

　　本文主要介紹飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉換環(huán)節(jié)即電力電子裝置和電機部分。

　　2電機及電力電子裝置的選取

　　(1)電機的選取

　　除了經濟方面的考慮外，電機的選取還應該考慮飛輪儲能裝置的運行特點：能量短時間的存儲需要電機在作為電動機使用時有較大的轉矩和輸出功率，飛輪的高速旋轉要求電機也易于高速運行，長時間的不間斷運行需要電機有較長的穩(wěn)定使用壽命，長時間的儲能運行要求電機的空載損耗極低。另外無論是作為發(fā)電機還是電動機都需要電機有很高的能量轉換效率，并且能適應大范圍的速度變化。

　　本文選用無刷直流電機，作為發(fā)電機使用時它是永磁同步發(fā)電機，它既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多特點，非常適合于飛輪儲能裝置。它的原理框圖如圖2。

　　其基本原理是用位置傳感器和開關電路代替電刷，從而提高了電機的效率和可靠性。

　　(2)電力電子裝置的初步設計

　　儲能時交流配電系統(tǒng)的電能經過整流裝置轉換成直流電，然后由電力電子裝置按照恒定轉矩或恒定功率的原理控制電機加速。達到一定轉速后轉入低壓模式，由電力電子裝置提供一低壓來抵消電機損耗維持飛輪的轉速。釋能時電機作為同步發(fā)電機運行，發(fā)出的電能先整流成直流電，再由穩(wěn)壓裝置變換成穩(wěn)定的直流電，電能經逆變器變換后轉化為交流電輸送給交流配電系統(tǒng)。如果配電系統(tǒng)是直流配電系統(tǒng)，則不需要與之相連的逆變環(huán)節(jié)。

　　3儲能過程

　　儲能過程中要求系統(tǒng)有盡可能快的儲能速度，對應于這一要求有兩種儲能控制方式：恒轉矩控制方式和恒功率控制方式。恒轉矩控制方式以系統(tǒng)能承受的最大轉矩為加速轉矩保持系統(tǒng)的加速轉矩不變，恒功率控制方式以系統(tǒng)能承受的最大功率為加速功率保持系統(tǒng)的加速功率不變。兩種方式的比較如下；

　　首先把和電動機轉速成正比的脈沖送至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端TR’。每個輸入端TR’上的信號上升沿將在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端Q上產生等寬等高的脈沖，再經過低通濾波后輸出一個直流電壓，該電壓就正比于電動機的轉速。

　　4釋能過程

　　釋能系統(tǒng)的主要要求是要有穩(wěn)定的輸出電壓，另外負載的功率不能超過電機的額定功率，因此要有一定的保護措施。由于在釋能過程中飛輪不斷減速，永磁同步發(fā)電機(直流無刷電機作發(fā)電機用)發(fā)出的電壓不斷降低，另外負載的變化也會影響發(fā)電機上電壓降的大小從而影響發(fā)電機發(fā)出的電壓的大小，這些不固定因素增加了獲得良好的穩(wěn)壓輸出性能的難度。由于直流系統(tǒng)的控制較方便，本文采用交-直-交系統(tǒng)作為飛輪儲能系統(tǒng)的釋能部分的控制裝置，其中控制部分集中在直流環(huán)節(jié)。原理圖如圖6。

　　這種方案的動態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定性都較好，控制原理也較簡單，能獲得很好的輸出性能，但是實現(xiàn)起來卻有些困難，主要是PID參數(shù)難以確定。如果使用固定的PID調節(jié)參數(shù)，由于Uin的變化和負載的變化，勢必影響調節(jié)性能，所以本文使用基于模糊控制理論的PID調節(jié)方式，這種方式能根據(jù)已有的經驗實時改變PID參數(shù)。這種方法的原理是：根據(jù)經驗得出不同的Uin和負載情況下的幾組PID參數(shù)，確定幾組PID參數(shù)和隸屬度函數(shù)表，根據(jù)生成的表格，按照模糊控制理論實時計算PID參數(shù)。

　　5結論

　　本文介紹的以飛輪為能量載體的新型儲能系統(tǒng)中的能量變換環(huán)節(jié)，具有以下特點：

　　(1)使用了無刷直流電動機使得系統(tǒng)有較高的效率和穩(wěn)定性。

　　(2)飛輪充能過程中采用恒轉矩加恒功率控制電機升速，可提高電機和變頻器的效率和利用率。

　　(3)提出了獲得良好的穩(wěn)壓輸出性能的方案。

　　參考文獻：

　　[1]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].機械工業(yè)出版社.

　　[2]楊松林.工程模糊論方法及其應用[M].國防工業(yè)出版社.

　　[3]曹炳君.飛輪儲能系統(tǒng)中能量轉換環(huán)節(jié)[M].電工電能新技術.