飞轮储能电力变换器的研究

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1、飞轮储能电力变换器的研究第1章绪论1.1课题的背景和意义随着国民经济的发展，社会对能源的需求不断增多加之传统能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，加速了新能源的开发。太阳能、风能发电规模也日益增大，但风能、太阳能发电的最大缺点是受季节、天气的影响非常大，发电不稳定，存在随机性、波动性和不可控的问题，决定了大规模的发电并网必然会对电网的安全运行和调度带来显著影响。因此要想实现大规模的风电、光伏发电并网必须有先进的储能技术。国内外有关研究表明，如果风电机组发电量占到电网总发电量的10%以内，依靠传统电网的调峰技术可以保证电网

2、运行的安全；但如果风电容量占到20%以上，电网的安全运行及调峰能力将面临巨大挑战。储能技术能够很好的解决风电、光伏发电的随机性、波动性和不可控的问题，能够有效的调节风电、光伏发电引起的电网参数变化。在我国随着煤炭资源的日益紧张，大规模应用新能源发电成为解决中国能源危机的重要手段，对储能产业也提出了更大需求。预计我国到2020年，风电及光伏发电机组容量将占装机总容量的15%，但由于我国现大部分发电均来自煤电，而大部分地区的煤电均为调峰能力较差的供热机组，这进一步加重了风电、光伏发电并网的风险。因此随着风电、光伏发电的

3、发展，电网与风电、光伏发电的矛盾越来越严重，对储能技术需求也越来越迫切。其次建立大容量储能设备，对电网进行削峰填谷可以大大提高发电设备的利用率，为国家节约巨额资产。众所周知，我国电力供应十分紧张，但发电设备利用率却只有75%，发电设备只有在白天才处于全负荷状态，夜间用电低谷则处于低负荷状态，发电设备能力不能充分利用。以上海2004-2006年统计数据为例，为了应对城市每年大约200小时的用电尖峰，每年投资就接近200亿，而形成的输配电能力利用率却不足2%。而采用储能技术不仅投资会大大减少，而且设备占地、环境污染都会

4、大大降低。综上所述，大力发展储能技术，既可以缓解发电与用电时差矛盾，也可以解决可再生新能源发电并网问题，又可以调节电能质量，因此储能技术的大规模应用对未来智能电网运行具有的重要性毋庸置疑。飞轮储能与传统的储能技术相比具有：效率高、储能密度大、寿命长、瞬时功率大、动态响应好、无环境污染、不受地理环境限制、安全性好、维护费用低等诸多优点，是目前最有前途的储能技术之一。1.2国内外飞轮储能技术发展现状飞轮这一储能装置，已被人们利用了上千年，但直到上世纪90年代，随着电力电子技术的飞速发展、高强度纤维材料的问世、磁悬浮技术

5、的发展以及全世界范围对电池污染的日益重视，飞轮储能得到快速发展并且迅速从实验室走向了实际应用。在国外，美国、日本、德国等发达国家对飞轮储能的应用和开发较多，技术比较成熟。美国的飞轮储能技术在世界处于领先水平。美国的Beacon公司采用高强度复合材料作为飞轮转子材料，利用永磁偏置被动/主动磁轴承减小轴承损耗，生产的单个飞轮最大持续输出功率250kVA，飞轮的最高转速为510690r/min，转动惯量为710000kg•m2。此外法国国家科研中心、意大利的SISE以及德国物理高技术研究所等科研机构均开展飞轮储

6、能系统的研究。我国对飞轮储能技术的研究起步较晚，但也经历了十几年的研究。目前国内从事飞轮储能技术研究的单位主要有：北京航空航天大学、清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所、南京航空航天大学、中科院电工所及力学所、合肥工业大学，但其研制的飞轮主要集中在小容量系列。其中北京航空航天大学针对航天领域研制的姿控/储能两用磁悬浮飞轮获得了2007年国家科学技术发明一等奖。华北电力大学及中科院电工所与河北省电力局合作已经开始了对飞轮储能在电力调峰应用上的研究。第2章飞轮储能系统电力变换器的整体设

7、计2.1引言电力变换器是飞轮储能系统中电能和动能转换的桥梁，是实现系统正常工作的核心组成部件。电力变换器的性能直接影响飞轮运行的稳定性及电能的质量。在电力变换器中，拓扑结构和系统的控制策略是整个部件的核心。本章首先根据系统的结构和要求，对适用于电机侧变流器和电网侧变流器的各种拓扑结构进行对比分析，在此基础上给出了适用于本电力变换器的拓扑结构。在拓扑结构确定后，给出了系统的整体控制策略和不同工作模式下飞轮电机的控制方式。2.2飞轮储能电力变换器的拓扑结构飞轮储能电力变换器本质是一个双向的功率变换器，其由电机侧变流器和

8、电网侧变流器两部分组成。它们各自负责不同的功能，协同工作实现飞轮装置的储能和能量的回馈。电机侧变流器实现了飞轮电机的电动运行和发电时的回馈制动。在飞轮储能时它驱动电机以恒转矩或者恒功率方式运行，在飞轮释能时它使电机工作在回馈制动状态，将电机发出的交流电变化为直流电传递给电网侧变流器。电网侧变流器则提供了电网与变流器能量传递的接口，它主要负责整个系统能量传递的