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基于飞轮储能技术的UPS系统

来源:机房360 作者:姜新建 更新时间:2011-12-26 13:55:36

摘要:本文介绍了基于飞轮储能技术的新型UPS系统,提出了高速飞轮充、放电方式的控制策略。飞轮电池代替传统的化学电池,具有免维护、寿命长、无污染的特点。在充电方式下,采用智能复合控制方法,使飞轮转速很好地跟踪设定的优化充电曲线;在放电方式下,根据电机升压斩波能量回馈原理,控制直流母线电压恒定,再逆变为交流电的控制策略。实验结果表明系统具有很好的动态特性。

  随着社会信息化和自动化程度的提高,对电网供电可靠性的要求越来越高,为了确保安全,具有一定容量,其电压和频率稳定的不间断交流电源UPS(uninterruptible power supply)被广泛用作各种关键设备的备用电源。传统的UPS用化学蓄电池作为储能单元,因其储能密度大,价格低廉而被广泛采用,但它需要定期维护、寿命短、充电时间长,还会给环境带来污染。
  
  目前,飞轮储能技术得到了较快的发展。飞轮储能是通过能量转换系统把电能或者其他形式的能量以机械能方式储存在高速旋转的飞轮中,当需要释放能量时,飞轮转速降低,可以把储存在飞轮中的机械能转换为电能或者其他形式的能量。高速旋转的飞轮具有高比能量、长寿命、高效率、无污染等特性,在航天器中得到广泛应用。本文简述了基于飞轮储能技术的UPS系统的拓扑结构,研究了高速飞轮充放电方式的控制策略。通过飞轮转动的稳定性分析,进行了充电曲线的优化设计;采用智能复合控制方法,使飞轮转速很好地跟踪设定的优化充电曲线;根据电机升压斩波能量回馈原理,控制直流母线电压恒定,再逆变为交流电的控制策略,最后给出系统实验结果。
  
  1.飞轮储能系统
  
  飞轮储能系统是由高速飞轮、磁轴承系统、永磁电动/发电机、能量转换控制系统以及附加设备(真空罩,辅助机械轴承等)组成,它是以高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质,利用电动/发电机和能量转换控制系统来控制能量的输入和输出。飞轮储能单元的组成如图1。


  绕对称轴高速旋转的飞轮体总储能:
                                   (1)
  
  其中,Jp为飞轮极转动惯量;ω为飞轮转速;m为飞轮质量;Ks为飞轮形状系数;Km为飞轮材料利用系数;δB为材料的许用应力;P为密度;R为飞轮外径。为了提高飞轮的储能密度,需要采用高强度、低密度的材料,本系统的飞轮是由碳玻璃环氧复合材料制成,参数如表1所示。


  飞轮储能系统中电能与机械能之间的转换是通过电机及其能量转换控制系统来实现的。电机采用三相永磁无刷直流电机,它具有运行可靠、免维护、效率高以及调速性能好的特点。本系统的电机额定功率2.5kW,最高转速60000r/min。
  
  2.能量转换系统主电路拓扑结构
  
  能量转换控制系统主电路拓扑结构如图2,是由AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、电机变换电路、飞轮储能单元以及控制电源组成。交流电源通过AC/DC整流电路,对电容Cdc充电得到直流;通过电机变换电路,逆变为交流供给电机;通过DC/AC逆变电路输出交流电源,供给负载。Li、Ci为输入滤波;Lo、Co为DC/AC逆变器输出滤波,系统的控制电源是从AC/DC整流电路整流后取得的。系统的充电、放电方式是通过能量转换控制系统的控制来实现的。


  3.系统充电模式控制策略
  
  3.1飞轮充电过程及其对稳定性的影晌
  
  在充电模式下,电机拖动飞轮高速运行,把电能以机械能形式储存在飞轮当中,飞轮的升速过程要求电机的功率尽可能大、响应快,电机定子和转子的损耗发热尽量小,飞轮转动的稳定性务必高,因此有必要进行优化设计。基本的升速过程有两种:一种为匀升速率,另一种为恒定功率。不考虑系统暂态的影响,则有:
  
  匀升速率即飞轮的转速ω满足:ω=kt(2)
  
  恒功率则满足如下关系式:1/2Jpω2=Pt(3)
  
  而功率P又满足:P=Tω=FLω(4)
  
  其中k为常数;t为时间;P为电机出力;T为电机提供的纽距;F为电磁力;L为力臂长度。
  
  对于匀升速率,随着转速的升高电机的功率不断加大,导致转子高周相对干扰力大,不利于运行的稳定性;对于恒功率,转子在低周的升速率过快,也较容易引起振动过大现象,也对于稳定运行不利。为保证系统的稳定性可将两种方法结合起来,在飞轮升速过程中,采用变升速率和变功率控制,飞轮充电优化曲线如图3所示。

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