基于磁懸浮飛輪儲能的脈沖功率電源系統(tǒng)設計

0脈沖負載供電模塊脈沖功能率電池是產(chǎn)生各種強脈沖功能率輸出的電源，具有很強的使用能力。其基本工作原理是：通過充分利用能量來獲得足夠的能量，并通過脈沖功能率輸出給脈沖負荷。在脈沖功率電源系統(tǒng)中，能量存儲環(huán)節(jié)是最基礎也是最重要的一環(huán)，目前常用的儲能方式包括電容器儲能、飛輪脈沖發(fā)電機等?；陔娙萜鲀δ艿拿}沖功率電源可以在短時間內(nèi)快速放電，但是存在儲能密度不高、放電時間短、設備體積大、充放電壽命較短等問題近年來，磁懸浮飛輪儲能技術發(fā)展很快，在地鐵再生制動能量回收、不間斷電源保障、電力調(diào)頻、微電網(wǎng)、新能源并網(wǎng)等領域得到越來越廣泛的應用1循環(huán)儲能技術飛輪儲能技術是一種綠色環(huán)保的物理儲能技術，利用高速旋轉(zhuǎn)飛輪的動能來存儲能量，實現(xiàn)電能和動能的循環(huán)轉(zhuǎn)換。飛輪儲能裝置所存儲能量的大小由飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量及其轉(zhuǎn)速決定。現(xiàn)代飛輪儲能技術是一門多學科融合的綜合性技術，涉及到材料學、電機學、轉(zhuǎn)子動力學、磁懸浮軸承技術、電力電子技術、測量及控制技術等。自20世紀90年代以來，隨著磁懸浮軸承技術、高性能飛輪材料技術、高速電機技術和電力電子技術的突破，飛輪儲能技術取得了長足的進步，朝著不斷提高能量密度、提高功率密度、降低自身損耗的方向發(fā)展。磁懸浮飛輪儲能技術是指采用磁懸浮軸承體系來支撐飛輪轉(zhuǎn)子的飛輪儲能技術。常用的磁懸浮軸承體系包括磁力卸載機械軸承和完全磁懸浮軸承。磁力卸載機械軸承通常采用永磁軸承和滾動軸承相結合的混合軸承，在飛輪運轉(zhuǎn)過程中永磁軸承能夠承擔部分軸系重量，仍然需要滾動軸承來提供部分軸向或徑向的載荷。文獻基于完全磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)在運行過程中，磁懸浮軸承和飛輪轉(zhuǎn)子之間沒有直接接觸，因此也無需潤滑介質(zhì)，省略了傳統(tǒng)潤滑系統(tǒng)所需要的泵、管道、過濾器和密封件等，減小了系統(tǒng)維護工作量，并能在高溫或極低溫等特殊環(huán)境下工作，具有更強的環(huán)境適應性2基于磁浮軸平衡性能的脈沖功率電源系統(tǒng)的設計2.1組成及其配套的流程基于磁懸浮飛輪儲能的脈沖功率電源系統(tǒng)主要包括儲能部分、充電部分、放電部分及監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構如圖1所示。儲能部分采用磁懸浮飛輪儲能裝置。磁懸浮飛輪儲能裝置對外充放電接口為直流，對外提供通信接口，既可接受外部充放電指令，直接控制功率大小和方向，也可以根據(jù)直流電壓采取相應的充放電控制策略。磁懸浮飛輪儲能裝置可以單臺裝置進行充放電，也可以多臺裝置在直流側(cè)并聯(lián)，組成飛輪陣列進行充放電。充電部分包括充電電源和充電機。充電電源可以為市電或發(fā)電機組，提供小功率的交流電源，為飛輪儲能裝置提供能量輸入。充電機的作用是將交流電變換為直流電，根據(jù)控制系統(tǒng)的指令為飛輪儲能裝置充電，實現(xiàn)從電能到動能的轉(zhuǎn)換。放電部分包括逆變器、變壓器及其他配套設備。逆變器的作用是將直流電變換為交流電，根據(jù)負荷的實時功率變化和監(jiān)控系統(tǒng)的指令，控制飛輪儲能裝置對外放電，實現(xiàn)從動能到電能的轉(zhuǎn)換。由一組飛輪儲能裝置及配套的充電部分和放電部分組成一個基本的脈沖功率電源單元。可以將多個脈沖功率單元在充電交流母線側(cè)和放電交流母線側(cè)進行并聯(lián)，通過監(jiān)控系統(tǒng)進行協(xié)同控制，組成一個更大規(guī)模的脈沖功率電源系統(tǒng)，以提高整個電源系統(tǒng)的放電功率。監(jiān)控系統(tǒng)包括服務器、顯示器及其他通信相關設備，監(jiān)控系統(tǒng)和其他設備間可組成高速光纖通信網(wǎng)，毫秒級通信延時。監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)對脈沖功率電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、監(jiān)視和控制。監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測整套系統(tǒng)內(nèi)各設備的實時運行狀態(tài)和運行參數(shù)，對系統(tǒng)整體健康狀態(tài)進行診斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常工況及時發(fā)出告警信號并采取相應的保護措施。2.2充電及放電狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)應用場景脈沖負荷的要求對脈沖功率電源系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行控制，保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)包括靜止狀態(tài)、啟動狀態(tài)、充電狀態(tài)、放電狀態(tài)、待機狀態(tài)和停機狀態(tài)。系統(tǒng)運行狀態(tài)及控制流程見圖2。在靜止狀態(tài)下，系統(tǒng)中所有設備均已上電開機并可正常運行，系統(tǒng)通信正常，飛輪儲能裝置尚未儲能，飛輪靜止，隨時可以進入啟動狀態(tài)。在啟動狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)控制充電機給飛輪儲能裝置充電，將飛輪的轉(zhuǎn)速從零加速到最低工作轉(zhuǎn)速，啟動完畢后，系統(tǒng)隨時可進入充電狀態(tài)。在充電狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)控制各充電機給飛輪儲能裝置充電，飛輪的轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速不超過最高工作轉(zhuǎn)速。充電結束后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，可隨時進入放電狀態(tài)。在放電狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)控制各逆變器和飛輪儲能裝置對外放電，飛輪的轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速不低于最低工作轉(zhuǎn)速。在沒有充電或放電任務時，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，可隨時進入充電狀態(tài)或放電狀態(tài)。在系統(tǒng)運行過程中，一旦檢測到異常需要保護停機或者監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出停機指令，系統(tǒng)就進入停機狀態(tài)，飛輪轉(zhuǎn)速自然下降，直至處于靜止狀態(tài)。系統(tǒng)充電過程：充電機處于工作狀態(tài)，逆變器停止工作。通過監(jiān)控系統(tǒng)控制各個脈沖功率電源單元的充電機給相應儲能裝置充電，包括兩種時序控制方式。一種方式是同時給所有脈沖功率電源單元充電，另一種方式是依次給各個脈沖功率電源單元充電，以降低對充電電源容量的需求。可通過監(jiān)控系統(tǒng)對脈沖功率電源單元的充電功率進行設置，限制總的充電功率大小在充電電源允許范圍內(nèi)。系統(tǒng)放電過程：逆變器處于工作狀態(tài)，充電機停止工作。系統(tǒng)內(nèi)各逆變器在交流側(cè)并聯(lián)運行，處于孤網(wǎng)運行模式，建立并維持交流側(cè)的電壓和頻率。在該模式下，逆變器按設定的下垂曲線特性運行，在脈沖負荷啟動的情況下，根據(jù)下垂曲線自動調(diào)整輸出功率給脈沖負荷供電，保持孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在逆變器啟動輸出功率的同時，其直流側(cè)母線電壓會下降。飛輪儲能裝置根據(jù)直流側(cè)母線電壓變化來輸出功率，以維持直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定在設定值為控制目標。系統(tǒng)具有控制簡單、放電響應速度快的特點。3實驗系統(tǒng)主導線基于以上設計原理搭建簡化的物理模擬測試系統(tǒng)進行實驗驗證。測試系統(tǒng)主要設備包括1臺飛輪儲能裝置、1臺充電機、1臺逆變器、1臺水泵電機、市電供電電源、控制系統(tǒng)及其他配套設備，系統(tǒng)主接線如圖3所示。測試系統(tǒng)中所使用的VDCXXT型磁懸浮飛輪儲能裝置額定功率為450kW，充電機額定功率為40kW，逆變器額定功率為500kW，水泵電機功率為200kW。VDCXXT型磁懸浮飛輪儲能裝置的主要技術參數(shù)如表1所示。4轉(zhuǎn)輪儲能裝置一次完整的測試過程如下：(1）充電過程。將開關K(2）預充過程。將開關K(3）放電過程。將開關K放電測試曲線如圖4所示。實驗結果表明，當電機帶載啟動時，飛輪儲能裝置和逆變器之間的直流母線電壓瞬間被拉低，飛輪儲能裝置能夠在3ms內(nèi)快速響應，輸出脈沖功率，并且根據(jù)負載功率變化自動調(diào)整輸出功率大小，使直流母線電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。當電機停車后，飛輪儲能裝置自動停止放電。本次放電測試實驗中，飛輪儲能裝置的脈沖功率輸出持續(xù)時間約為2s，最大輸出電流為717A，最大輸出功率為356kW，飛輪轉(zhuǎn)速僅下降約1000r/min，還剩余足夠的存儲能量，一次充滿電后可連續(xù)進行多次放電實驗。5實驗結果與分析基于磁懸浮飛輪儲能技術設計構建了脈沖功