飞轮储能系统的控制及应用研究

分类号TM743密级单位代号10256学号ys1310302013硕士学位论文DissertationforMaster’sDegree飞轮储能系统的控制及应用研究学位申请人：刘东洋指导教师：梅柏杉教授学科专业：电气工程电力电子与电力传动学位类别：工学硕士所属院系：电气工程学院2016年3月分类号TM743密级单位代号10256学号ys1310302013上海电力学院硕士学位论文飞轮储能系统的控制及应用研究学位申请人：刘东洋指导教师：梅柏杉教授学科专业：电气工程电力电子与电力传动学位类别：工学硕士论文定稿日期：2016年3月上海电力学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月上海电力学院学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海电力学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要I飞轮储能系统的控制及应用研究摘要飞轮储能系统(FESS)是一种高能量密度、高效率、无污染、充放电迅速的能量存储装置，它可应用于电力系统调峰、电动汽车、不间断电源、航空航天等多个领域，是未来减少环境污染、实现能源高效利用的一个重要方向。本文以风力发电并网有功功率控制为应用背景，进行了飞轮储能系统控制系统的设计及应用研究。首先，选择三相鼠笼型异步电机作为飞轮的驱动电机，采用双PWM变流器作为飞轮储能系统的能量转换装置，并建立系统的数学模型。然后，设计了由异步电机、飞轮、双向PWM变流器组成的飞轮储能控制系统，以空间矢量PWM调制技术为基础，对储能系统的电网侧变流器采用基于前馈解耦的电压外环、电流内环双闭环控制策略，电机侧采用基于转子磁场定向的无速度传感器间接矢量控制策略。其中飞轮电机的转速参考值根据给定的参考功率确定，当参考功率大于零时，飞轮工作在充电模式；当参考功率小于零时，飞轮工作在放电模式；若参考功率为零，飞轮处于待机模式。在飞轮断电待机模式下，提出一种加入短时激励电流的方法来估算飞轮待机模式下的转速。最后，在永磁直驱风力发电系统直流母线并联飞轮储能装置，研究飞轮储能与风电联合系统并网有功功率控制策略，并在MATLAB环境下搭建整个系统的仿真模型。仿真结果表明，飞轮储能装置能够有效地利用其能量缓存原理，抑制风电并网输出有功功率的波动，改善机组功率输出特性。关键词：飞轮储能系统,矢量控制,风力发电,有功功率ABSTRACTIIIRESEARCHONCONTROLANDAPPLICATIONOFFLYWHEELENERGYSTORAGESYSTEMABSTRACTFlywheelEnergyStorageSystem(FESS)isatypeofenergyconversionandstoragedevicewithhighenergydensity，highefficiency，non-pollutionandfastresponse，whichcanbeappliedtomultipleareassuchaspeakregulationofelectricpowersystem，electricvehicles，uninterruptiblepowersupply(UPS)andaerospacefield.Itwillbecomeanimportantdirectiontoreduceenvironmentalpollutionandachieveefficientuseofenergyinthefurther.Ontheapplicationbackgroundofwindgenerator’sgrid-connectedpowercontrol，thispaperdesignsamedium-sizeflywheelenergystoragecontrolsystemanddoessomeresearchonitsapplication.Firstly，thethree-phasesquirrelcageinductionmotorwasselectedasthedrivemotoraccordingtothebasicprinciplesofflywheelbatteryandthecharacteristicsofelectric/generator.Meanwhile，abidirectionalPWMconverterwasdesignedasanenergyconversiondeviceaccordingtothestructuralcharacteristicsandcontrolobjectivesoftheflywheelenergystoragesystem.Underthisplan，themathematicalmodeloftheFlywheelEnergyStorageSystemisestablished.Then，theflywheelenergystoragesystemcomposedofanasynchronousmotor，aflywheelandabidirectionalconverterwereintroduced.Basedonthespacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM)，adual-loopcontrolandfeedforwardcontrolstrategywasusedonthegridsidewhilearotorfieldorientedspeedsensorlessvectorcontrolstrategyonthemachineside.ThereferencespeedofflywheelmotorwasdecidedbyagivenreferencepoweroftheFESS.Whenthereferencepowerisgreaterthanzero，theflywheelinchargingmode；whenthereferencepowerislessthanzero，theflywheelinthedischargemode；ifthereferencepoweriszero，theflywheelisinstandbymode.Toestimatetheflywheelspeedinthestandbymode，amethodbyinjectingshortdurationofexcitationcurrentwasproposed.Lastly，basedontheabovecontrolstrategyandsimulationresults，apermanent-magneticdirect-drivewindpowergenerationsystemconnectedtotheflywheelenergystorageontheDCbuswasintroduced，andthepowersmoothingcontrolstrategywasdesigned.Inaddition，thewholesystemmodelwasestablishedinMATLABsoftware.Thesimulationresultsshowthatflywheelenergystoragedevicecaneffectivelyinhibitthefluctuationofactive上海电力学院硕士学位论文IVpowergeneratedbywindturbineandimproveitspowercharacteristics.KEYWORDS:FlywheelEnergyStorageSystem,VectorControl,WindPowerGeneration,ActivePowerControl目录V目录1绪论...........................................................................................................................................................11.1论文研究背景及意义.....................................................................................................................11.2飞轮储能技术的发展.....................................................................................................................11.2.1飞轮储能技术的发展..........................................................................................................11.2.2飞轮储能技术研究热点及现状..........................................................................................21.2.3飞轮驱动电机控制技术研究现状......................................................................................31.3飞轮储能技术的应用现状.............................................................................................................31.4本文主要研究内容........................................................................................................................42飞轮储能系统模型....................................................................................................................................62.1飞轮储能系统组成及原理.............................................................................................................62.3.1飞轮储能系统组成及结构..................................................................................................62.3.1飞轮储能系统工作原理...................................................................