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1、华中科技大学 硕士学位论文 超导磁悬浮飞轮储能系统及其能量回馈环节的设计 姓名：陈娟 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：唐跃进 20090526 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 近年来， 日益增长的电能需求促使电力系统向着大容量、 大电网互联的方向发展。 这种发展模式存在许多弊病，例如运行复杂、系统安全性低、输电设施利用率低等。 电能储存技术是解决这些弊端的重要措施之一，将储能技术应用于电力系统，可以减 小电力系统负荷的峰谷差，抑制电力系统振荡，提高系统运行的稳定性，提高电能质 量和供电可靠性。另外，将储能技术应用于新能源发电技术中，还可以
2、提高新能源的 利用效率。 本文对飞轮储能系统的关键技术之一超导磁悬浮轴承进行试验研究。轴承系 统选用国内外研究较少的超导磁悬浮轴承与机械轴承相结合的方式。文中首先介绍了 超导磁悬浮的原理， 通过试验测量得到悬浮力F随永磁体和超导体之间间距h变化的关 系图，得出为使装置能量损耗最小时两者最佳间距。 然后，根据超导磁悬浮飞轮储能样机的释能曲线，对飞轮系统的能量回馈环节进 行了研究设计。 由于在释能过程中飞轮的转速不断降低， 因此永磁无刷直流电机(作发 电机用)输出的电压也会随之不断降低， 为了保证飞轮系统向电网回馈的电压稳定， 满 足负荷的要求，必须先经过DC-DC升压电路升压，使直流侧母线电压维
3、持在360V，确 保在DC-AC转换时为220V交流电，实现飞轮储能系统与电网的柔性无缝连接。 本文对低压DC/AC转换器（10-15Vdc/220V）给出了一种新颖的设计方案。DC-DC 升压环节采用的是推挽型DC/DC升压变换器，在中低功率的场合，这种拓扑结构功耗 小，效率高。DC-AC逆变环节采用的是单相半桥逆变电路。文中首先对这两种电路拓 扑结构的原理进行了详细的说明，然后分别给出了主电路与控制电路的设计和选型。 文章给出了整个飞轮储能系统能量回馈环节的设计流程，为以后的设计提供参 考。 关键词关键词：飞轮储能，超导磁悬浮，推挽型DC/DC升压，半桥DC/AC逆变技术 华 中 科 技
4、大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract In the recent years, the continuous increscent power demand has brought on the augment of system capacity and the interconnection of electrical networks. However, the operation mode of the interconnection has many disadvantages, such as complicated structure and low secur
5、ity, and the utilization ratio of power and transmission equipments are also not high. Accordingly, power storage technology can be applied to solve these demerits. The application of storage technology in power system can help to decrease the peak-valley difference of load, suppress the concussion
6、of system and improve the stability and supply quality of system. In addition, the combination of storage technology and new energy power generation can also enhance the utilization ratio of energy to certain extent. The test of superconducting maglev bearing, which is one of key technologies for fl
7、ywheel storage system, is studied in this thesis firstly. The combination of superconducting maglev and mechanical bearings is chosen as the bearing system, and there are few researches on this combination system at present. The operation principle of superconducting maglev is introduced. Based on t
8、he test results, the relationship between the levitation force F and the distance of superconductors h is analyzed, and further the best distance, where storage devices loss is lowest, is acquired correspondingly. During the research of release energy link of superconducting maglev flywheel storage
9、system prototype, the bulk superconductors are tested in the normal and superconducting state respectively. According to the release energy results, it is known that high superconducting maglev bearing can help to decrease the energy loss of flywheel storage system. Further, on the basis of the abov
10、e results, the energy feedback link of flywheel storage system is analyzed and designed. As the continuous fall of flywheel speed during the process of release energy, the output voltage of permanent magnet brushless dc motor (used for generator) will decrease correspondingly. In order to ensure the
11、 stability of flywheel storage systems feedback voltage and satisfy the requirement of load, the DC-DC boost circuit is needed to make dc bus voltage remain at 360V and after the conversion of DC-AC, the ac voltage of 220V can be insured. As a result, the flexible seamless connection of flywheel sto
12、rage system and electrical network can be realized. In this thesis, a novel design scheme about the low-voltage DC/AC converter (10-15Vdc/220V) is proposed. The push-pull type DC-DC boost converter is chosen for the DC-DC boost link. This type converter has low loss and high efficiency in the case o
13、f 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III medium and low power. The single-phase half-bridge inverter circuit is adopted for the DC-AC conversion link. The operation principle of these two circuit structures are introduced in detail, and the design and selection of main circuit and control circuit are also stud
14、ied. This thesis presents the design process of the energy feedback link of flywheel storage system, and then provides reference for subsequent design. Key words: flywheel storage, superconducting maglev, push-pull type DC-DC boost converter, half-bridge DC-AC inverter 独 创 性 声 明 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位
15、论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或
16、扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1 绪 论 1.1 课题的研究背景和意义 近几年来，环境和能源问题已经成为制约全球经济和社会发展的重要课题。随着 国民经济的发展和人民生活水平的提高，电力系统容量需求不断增加，同时，电力用 户对供电质量的要求也越来越高，因此，在不断开发新能源的同时，如何更有效的利 用现有能源，提高配电网的供电可靠性和电能质量已经被人们所日益重视1,2。 电力储存技术在包括电力系统在内的多个领域内都具有广泛的用途。目前电能的 储存方式有很多种，研究得
