飞轮储能论文

飞轮储能与速度调节(1)范帝楷11060132摘要：本文主要介绍了飞轮储能调速的原理，背景及部分设计和控制方法关键字：飞轮、原理、储能、控制1背景在工程实际中，机构原动件的运动规律是由其各构件的质量、转动惯量和作用于其上的驱动力与阻抗力等因素决定的。在一般情况下，原动件的速度和加速度是随时间而变化的，因此为了对机构进行精确的运动分析，就需要决定其真实的运动规律，这对于高速、高精度和高自动化程度的机械设计是十分重要的。在一般的情况下，机械由于原动件作非等速运动，会不可避免地产生机械振动，这种振动对机械寿命、效率和工作质量都有负面效应，于是，控制机械振动成了工程中研究的一大课题。2机械运动方程的推演与飞轮储能原理2.1运动学普遍方程21222111222112212121)(mvmvrdFPrPrdtMPPdtFdtvmdF动能定理：动量矩定理：动量定理：牛顿第二定理：2.2机械系统的等效力学模型dtMvFJvmddtMvFJvmdjjiiijiijiijiijjiiiiiiiiicos]22[2cos)22(22222为独立广义坐标得：取：由运动学普遍方程可得令：jiiijiiejiijiieMvFMJvmJcos,2222可得：dtMdJjeje22定义一：2222jiijiieJvmJ为等效转动惯量jiiijiieMvFMcos为等效力矩由此，复杂的机构可以等效为一个简单的单自由度曲柄机构。2.3周期性运动飞轮的速度调节定义二：一个周期内平均角速度为：2minmaxm其中max（min）为该周期内最大（小）角速度。定义三：机械运转不均匀系数为：mminmax飞轮调速的基本原理：不失一般性，假设等效转动惯量eJ为常数，由动能定理有：2minmaxminmax2min2maxmax2)(21memmeeJJJW2maxmeJW因此要是减小，只需使得2maxmeJW减小，由此只需要在机构上安装一飞轮，增大机构的转动惯量即可。在该过程中，飞轮的作用是将最大的速度减小，最小的速度增大，即在加速的过程中吸收电能，减速的过程中释放电能，达到一个平衡的效果。飞轮的力学分析：为了简单起见，不妨设飞轮质量分布均匀，速度恒定，且截面上各点应力相等。如右图所示，设飞轮外径为R，厚度为，横截面面积为A，密度为转动角速度为，则飞轮收到惯性力，受力分析如右图：Y方向受力平衡可得2F=02sindARRARF2222R因此飞轮的材料选取与其转动角速度的大小密切相关。3工程中飞轮的设计3.1高储能密度飞轮结构设计方法[1]背景1973年,Post提出利用玻璃纤维和凯夫拉尔纤维复合材料来制造飞轮,这让飞轮的储能密度有了很大的提高空间[4]。进入20世纪90年代,由于高强度纤维材料、低损耗轴承、电力电子学等方面科技的发展取得了突破,给飞轮储能的工程应用提供了坚实的技术基础。飞轮储能系统的主要性能指标有储能密度、转速、储能量、角动量、功率以及充放电效率等。飞轮结构设计技术指标储能密度(也称比能量)U0是反映系统性能的关键指标,是飞轮结构设计优劣的评价标准。对于单一材料制成的飞轮:max0sKU(1)其中:ρ为飞轮材料密度,Ks为飞轮结构形状系数,σmax为转子的最大应力。令σmax=Kmσb,其中:σb为材料强度极限,Km为飞轮材料利用系数,则pmsKKU0(2)对于由多种材料制成的飞轮:niniiipmisiiiiKKmmUmmU11000（3）其中:mi为材料质量,Ksi为材料形状结构系数,ρi为材料密度,Kmi为材料利用系数,ip为材料强度极限。令iipsiiiKmmC0，得nimiiKCU10（4）对于加工完成的飞轮,Ci在各转速下为常量,此时系统理论上所能达到的最大储能密度,是当飞轮在转到最高转速时,各材料的利用系数同时达到材料的许用系数,niiisiiniimiKmmKCU101max,max,0][其中：imKmax,为材料许用系数,i][为材料许用应力飞轮结构的设计原则是:从满足应用需求出发,依据现有技术条件下,通过设计使飞轮系统到尽可能高的储能密度,从而减少质量,降低成本。材料选取转子的材料选取、形状设计、强度分析是飞轮转子结构设计的主要内容。由式(2)和式(5)可知,高储能密度飞轮必须选取强度高、密度低,即比强度高的材料。飞轮常用高比强度材料如表1所示。转子形状设计与强度分析对于金属材料,采用等应力板是最优的,但是等应力和近似等应力板、以及圆锥截面圆板,由于加工困难,所以工程上较少采用。实心圆板加工方便、形状系数也比较大,为常用转子形状。复合材料的比强度高,是目前国内外制作飞轮的首选材料。复合材料具有可设计性,但缠绕加工工艺较复杂,不易制作复杂形状的飞轮,因此复合材料飞轮大多采用圆环形状。圆环状复合材料飞轮通常以高强度纤维环向缠绕为主,因而飞轮的环向模量Eθ和环向许用应力Fθ较高,而径向模量Er和径向许用应力Fr较低。设环向强度允许的飞轮形状结构系数为Ksθ,径向强度允许的飞轮形状结构系数为Ksr,飞轮所能达到的极限储能密度为Umax=min(Uθ,Ur)=],min[rsrsFKFK（6）3.2飞轮储能能量回馈控制方法[2]背景飞轮储能是一种新型的储能技术。与化学蓄电池相比,飞轮电池具有高比能量、长寿命(可达20a)、快速充放电、无污染、免维护等特性。随着新型材料的发现及电力电子技术的发展,近年来飞轮储能技术在不间断电源[1]、电力系统调峰、卫星姿控、混合动力机车、国防等领域得到了成功的应用。在中小功率等级的应用领域,一般采用永磁无刷直流电机(BLDCM)作为飞轮单元的驱动电机。BLDCM具有控制简单、调速范围宽、高效率、高功率密度等优点,但电流换相造成的转矩脉动较大。众多学者对抑制无刷直流电机转矩脉动进行了深入的研究,提出了换相补偿、预测电流控制等一系列方法,但研究基本只限于电动机状态的BLDCM控制,对处于发电机状态的情况很少有文献论述;另外高速飞轮的转速达数万r/min,驱动主电路多采用高速场效应管,开关频率高达数百kHz,复杂的控制方法对数字处理单元的运算性能提出了更高的要求。飞轮储能系统飞轮储能系统的主电路拓扑结构如图1所示。系统由直流母线电容Cd,逆变器(S1～S6)、飞轮单元等组成。其中飞轮单元包括驱动电机、飞轮转盘和轴承支撑系统(图中省略)等,它们均被放置于密闭的真空套筒中,以减小飞轮转盘高速旋转时的风损。飞轮储能系统运行时,逆变器驱动飞轮单元的驱动电机,拖动飞轮转盘高速旋转,电能转化为机械能;当需要释放能量时,控制器将储存在飞轮中的机械能转换为电能输出。因此,飞轮单元的能量回馈是飞轮储能系统的关键技术之一。飞轮储能系统处于放电状态时,逆变器实现飞轮单元向直流母线侧的能量回馈。飞轮单元的能量回馈有以下特点:1)在稳态情况下,飞轮单元充电时,由BLDCM的电压方程,直流母线电压大于电机反电动势幅值的2倍,处于放电状态时,直流母线电压仍大于2倍的反电动势幅值,因此,单纯采用不控整流的方式无法释放能量。2)飞轮驱动电机在能量回馈时主要运行于高速区。随着能量的释放,飞轮转速下降,反电动势的频率和电压变化范围大,一般要求飞轮转速降至50%额定转速时,仍能实现能量回馈。文[5]提出了引入升压电路的飞轮储能系统电路拓扑,如图2所示。当飞轮充电时开关SB闭合,升压电路电路被短路。当需要电机释放能量时,开关SB断开,由于功率器件反并联二极管的存在,飞轮单元侧不控整流,而功率器件S7开关动作,将电压升至设定的直流母线电压值。引入升压电路的主电路拓扑结构的优点是控制控制简单,缺点是飞轮单元完全不控,电流波形差,转矩脉动大,而且增加硬件成本,降低可靠性。电机回馈制动方式是经济高效的放电模式,采用该控制方式不需要增加任何电力电子器件,可直接应用于图1的主电路拓扑。BLDCM的回馈制动通常有半桥调制方式和全桥调制方式2种方式,后者功率器件的开关损耗比前者多1倍[6]。飞轮储能系统对效率的要求比较高,因此,以下讨论半桥调制方式的回馈制动。BLDCM回馈制动半桥调制方式BLDCM回馈制动半桥调制方式的等效电路如图3所示,其中电机感应电势为ea、eb、ec,电机电流为ia、ib、ic,直流母线电压(即电容Cd电压)为Ud。逆变器上桥臂功率管全关闭,下桥臂的功率器件进行脉宽调制(或者反之)。以驱动电机转子处于电角度(0°,60°]区间为例,此时驱动电机a相反电动势ea=+E,c相反电动势ec=-E,选择下桥臂S2脉宽调制,则当S2开通时,电机a、c相通过S2及S6的反并联二极管形成回路,能量储存在电机相电感中;当S2关断时,电感电流通过S1的反并联二极管续流,对直流母线电容充电。该电路等效于半控型升压电路,在任意时刻,只有1个功率器件开关动作,半桥调制开关表如图4所示。4结论飞轮储能的基本原理是由电能驱动飞轮到高速旋转,电能转变为机械能储存,当需要电能时,飞轮减速,电动机作发电机运行,将飞轮动能转换成电能,飞轮的升速和降速,实现了电能的存入和释放。5引用[1]高储能密度飞轮结构设计方法_戴兴建[2]飞轮储能能量回馈控制方法_黄宇淇