小型直流微網(wǎng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究

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1、博士學(xué)位論文小型直流微網(wǎng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究RESEARCHONTHEFLYWHEELENERGYSTROAGESYSTEMUSEDINTHEDCMICROGRID劉凱哈爾濱工業(yè)大學(xué)2015年1月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TM359.4學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書分類號(hào)：621.3密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文小型直流微網(wǎng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究博士研究生：劉凱導(dǎo)師：梁維燕院士副導(dǎo)師：鄒繼斌教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：電機(jī)與電器所在單位：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院答辯日期：2015年1月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TM359.4U.

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

3、sAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：January,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種新型的能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換裝置，具有功率密度高、使用壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率高、適應(yīng)性強(qiáng)以及清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、分布式發(fā)電、電力調(diào)峰以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文以小型直流微網(wǎng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，圍繞飛輪儲(chǔ)能電機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電力變流裝置的設(shè)計(jì)、

4、飛輪儲(chǔ)能電機(jī)的損耗計(jì)算以及光伏-飛輪直流微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理技術(shù)等問題展開了研究。根據(jù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境以及設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)適用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的外轉(zhuǎn)子無鐵心無刷直流電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及研究。采用有限元法對(duì)無鐵心無刷直流電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，通過對(duì)飛輪電機(jī)磁極以及繞組的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了提高電機(jī)性能，減小電機(jī)損耗的目的。研究結(jié)果表明，在飛輪電機(jī)主尺寸確定的前提下，選取恰當(dāng)?shù)拇配摵穸?，有助于減小飛輪電機(jī)的銅耗；磁鋼選取適當(dāng)?shù)臉O弧系數(shù)，有助于減小飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子外漏磁；選擇合適的磁極對(duì)數(shù)以及充磁方式，有助于提高氣隙磁密的平頂寬度。根據(jù)飛輪電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，制

5、作了飛輪儲(chǔ)能電機(jī)樣機(jī)系統(tǒng)，驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。根據(jù)飛輪電機(jī)的特點(diǎn)以及飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能要求，對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力變換裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。分析了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)變流裝置的運(yùn)行原理，研究了不同運(yùn)行模式下的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，建立了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)變流裝置的等效電路模型，對(duì)變流裝置主要參數(shù)選取進(jìn)行了分析討論，推導(dǎo)了設(shè)計(jì)公式。根據(jù)變流裝置的設(shè)計(jì)結(jié)果，搭建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，此種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)變流裝置能夠滿足飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行要求，系統(tǒng)運(yùn)行性能良好；變換裝置電路主要參數(shù)對(duì)于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有較為重要的影響；采用此種拓

6、撲結(jié)構(gòu)，在保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。根據(jù)飛輪電機(jī)的運(yùn)行性能以及效率要求，對(duì)飛輪儲(chǔ)能電機(jī)的損耗進(jìn)行了計(jì)算研究。無鐵心無刷直流電機(jī)的損耗主要包括定子繞組銅耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗兩部分。針對(duì)定子繞組銅耗，分析了繞組線徑、繞組電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)繞組交流銅損的影響；建立了繞組環(huán)流等效計(jì)算模型，采用將繞組端部作為恒定阻抗添加到二維有限元模型中的計(jì)算方法計(jì)算了繞組的環(huán)流損耗；研究了采用更改繞組繞線的方式來減小環(huán)流損耗的方法。針對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗，采用聯(lián)合仿真的方法分別計(jì)算了儲(chǔ)能模式、釋能模式以及空載待機(jī)模式下的永磁體渦流-I-哈爾濱工業(yè)

7、大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文損耗以及鐵心渦流損耗。研究結(jié)果表明，在無鐵心無刷直流電機(jī)中，繞組線徑的大小會(huì)對(duì)繞組的交流損耗產(chǎn)生很大的影響，而繞組電流的變化，對(duì)繞組交流損耗的影響則相對(duì)較小；繞組采用多股并繞的方式，能夠有效的減小繞組的渦流損耗，但是，由于并聯(lián)股線間電勢(shì)以及阻抗的不匹配，會(huì)引入附加的環(huán)流損耗；選擇合適的繞組排布方式能夠有效的減小環(huán)流附加損耗。根據(jù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)建了以光伏發(fā)電系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)陣列以及本地負(fù)載系統(tǒng)為主體架構(gòu)的光伏-飛輪小型直流微網(wǎng)系統(tǒng)。分析了微網(wǎng)各子系統(tǒng)的單元控制策略，重點(diǎn)研究了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)陣列協(xié)同充放電控制策略

8、。根據(jù)微網(wǎng)系統(tǒng)能量流動(dòng)及平衡關(guān)系，確定了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)及狀態(tài)切換條件；設(shè)計(jì)了以事件管理進(jìn)行工作模式轉(zhuǎn)換的能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)同控制及穩(wěn)定運(yùn)行。建立了微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型