小型直流微网用飞轮储能系统的研究

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1、博士学位论文小型直流微网用飞轮储能系统的研究RESEARCHONTHEFLYWHEELENERGYSTROAGESYSTEMUSEDINTHEDCMICROGRID刘凯哈尔滨工业大学2015年1月国内图书分类号：TM359.4学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文小型直流微网用飞轮储能系统的研究博士研究生：刘凯导师：梁维燕院士副导师：邹继斌教授申请学位：工学博士学科：电机与电器所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM359.4U.

2、D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEFLYWHEELENERGYSTROAGESYSTEMUSEDINTHEDCMICROGRIDCandidate：LiuKaiSupervisor：Prof.LiangWeiyanAssistantSupervisor：Prof.ZouJibinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalMachineandApparatu

3、sAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：January,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要飞轮储能系统是一种新型的能量存储与转换装置，具有功率密度高、使用寿命长、转换效率高、适应性强以及清洁无污染等优点，在航空航天、分布式发电、电力调峰以及电动汽车等领域有着广泛的应用前景。本文以小型直流微网用飞轮储能系统为研究对象，围绕飞轮储能电机的设计与优化、飞轮储能系统电力变流装置的设计、

4、飞轮储能电机的损耗计算以及光伏-飞轮直流微网系统的能量管理技术等问题展开了研究。根据飞轮储能系统的应用环境以及设计指标，对适用于飞轮储能系统的外转子无铁心无刷直流电机进行了设计以及研究。采用有限元法对无铁心无刷直流电机进行了设计计算，通过对飞轮电机磁极以及绕组的优化设计，达到了提高电机性能，减小电机损耗的目的。研究结果表明，在飞轮电机主尺寸确定的前提下，选取恰当的磁钢厚度，有助于减小飞轮电机的铜耗；磁钢选取适当的极弧系数，有助于减小飞轮电机转子外漏磁；选择合适的磁极对数以及充磁方式，有助于提高气隙磁密的平顶宽度。根据飞轮电机优化设计结果，制

5、作了飞轮储能电机样机系统，验证了电机设计的准确性。根据飞轮电机的特点以及飞轮储能系统的性能要求，对飞轮储能系统的电力变换装置进行设计和研究。分析了飞轮储能系统变流装置的运行原理，研究了不同运行模式下的飞轮储能系统控制策略，建立了飞轮储能系统变流装置的等效电路模型，对变流装置主要参数选取进行了分析讨论，推导了设计公式。根据变流装置的设计结果，搭建了实验验证平台，验证了设计的准确性。研究结果表明，此种飞轮储能系统变流装置能够满足飞轮储能系统的运行要求，系统运行性能良好；变换装置电路主要参数对于飞轮储能系统的稳定运行具有较为重要的影响；采用此种拓

6、扑结构，在保证系统运行可靠的基础上，提高了系统的运行效率。根据飞轮电机的运行性能以及效率要求，对飞轮储能电机的损耗进行了计算研究。无铁心无刷直流电机的损耗主要包括定子绕组铜耗以及转子涡流损耗两部分。针对定子绕组铜耗，分析了绕组线径、绕组电流、电机转速等参数对绕组交流铜损的影响；建立了绕组环流等效计算模型，采用将绕组端部作为恒定阻抗添加到二维有限元模型中的计算方法计算了绕组的环流损耗；研究了采用更改绕组绕线的方式来减小环流损耗的方法。针对转子涡流损耗，采用联合仿真的方法分别计算了储能模式、释能模式以及空载待机模式下的永磁体涡流-I-哈尔滨工业

7、大学工学博士学位论文损耗以及铁心涡流损耗。研究结果表明，在无铁心无刷直流电机中，绕组线径的大小会对绕组的交流损耗产生很大的影响，而绕组电流的变化，对绕组交流损耗的影响则相对较小；绕组采用多股并绕的方式，能够有效的减小绕组的涡流损耗，但是，由于并联股线间电势以及阻抗的不匹配，会引入附加的环流损耗；选择合适的绕组排布方式能够有效的减小环流附加损耗。根据飞轮储能系统的应用环境，构建了以光伏发电系统、飞轮储能系统阵列以及本地负载系统为主体架构的光伏-飞轮小型直流微网系统。分析了微网各子系统的单元控制策略，重点研究了飞轮储能系统阵列协同充放电控制策略

8、。根据微网系统能量流动及平衡关系，确定了系统运行的稳定状态及状态切换条件；设计了以事件管理进行工作模式转换的能量管理策略，实现了系统的协同控制及稳定运行。建立了微网系统的仿真模型