飞轮储能电力变换器的研究

飞轮储能系统是一种机电能量转换和存储的装置,具有效率高、储能密度大、动态响应快、无污染等一系列优点,其在电力系统中的配合使用能够起到平衡电网能量波动,达到优化电力供应的目的。应用于电力调峰的飞轮储能电力变换器由电机侧变流器和电网侧变流器两部分组成,本文对电力变换器整体拓扑结构、电机侧变流器控制、电网侧变流器控制及多飞轮储能系统并联进行了研究。 对比分析了常用电路拓扑结构的优缺点,根据系统的特点选择了电机侧和电网侧都可以灵活控制的背靠背式双PWM变流器结构。在拓扑结构确定后,按照系统的控制目标给出了电机侧变流器控制能量流动、网侧变流器控制能量传递平衡的控制策略。 闭环控制是实现控制目标的基础,电机侧与电网侧控制均采用双闭环解耦控制。电机侧选用功率、电流双闭环控制,利用功率环的输出去控制电机绕组电流,实现了飞轮储能系统能量流动的控制;电网侧变流器采用电压、电流双闭环控制,依靠稳定母线电压实现了电力变换器电机侧与电网侧能量传递的平衡。对于电机侧控制,分析了电机的驱动控制方式及PWM调制方式对电机性能及整个系统性能的影响。对于电网侧变流器采用矢量控制时电网电压相角如何快速准确获取的问题,分析了常用的基于坐标变换的锁相环方法,并针对电网电压存在畸变情况下该锁相环方法无法准确获取电网相角问题,给出了一种改进的锁相环方法。 单个飞轮储能系统存储的能量有限,为了实现多飞轮储能系统并联,分析了电力变换器并联运行的均流和功率分配问题。为了减小多飞轮储能系统并联运行时电网电流谐波,采用了基于SVPWM的载波移相技术,并针对在调制比较小时传统载波移相技术效果较差的问题,给出了改进的载波移相方法。利用Simulink建立了电机侧变流器、电网侧变流器及多飞轮系统并联的仿真模型,对上述研究的问题进行仿真分析。 为了对上述提出的飞轮储能电力变换器拓扑结构及控制策略的有效性进行实验验证,设计并构建了一套完整的飞轮储能系统实验平台,对飞轮储能、释能进行了实验研究。