摘要：近年来，全球经济高速发展，科学技术也跟着进步很快。由于大家生活水平的提高，对于能源的需求也越来越大。然而面对能源也存在着很多问题，比如现代能源的稀缺以及我们使用的化石能源等造成的不可逆转的环境污染等等，因此选择一种清洁无污染的能量就变得至关重要。太阳能发电就是现在对于清洁能源的一个发展重点，因为它是可以无限利用的资源，并且结构简单、无污染、使用寿命长。
关键词：太阳能发电；功率；追踪控制法
随着我国经济的飞速发展，用电量的急剧增加，电力紧缺局面短期难以解决；而且，随着石油、煤等不可再生资源的枯竭，能源问题成为多方面关注的焦点。由于太阳能是一种取之不尽、清洁无污染的能源，其开发利用引起各级政府的重视，许多企业和科研机关纷纷加入开发利用太阳能的行列，太阳能应用产品也层出不穷。飞轮储能是一种新兴的机械能储能方式，其中的飞轮叶片是由与其同轴的电机驱动，将输入的电能转化为机械能储存在高速运转的飞轮叶片中。飞轮储能具有转化效率高、无污染且使用寿命较长等优点，具有极为广阔的发展空间。
一、飞轮储能系统的基本原理
飞轮储能属于机械储能状态来对飞轮储能的基本原理进行理解。首先是充电阶段，飞轮电机作为电动机使用，系统外部由光伏电池提供电能，在功率电子变换器的作用下变换后输出电压驱动飞轮电机，此时飞轮叶片处于高速旋转的状态，此时将其电能以动能的形式进行存储。这就是系统将电能转化为机械能的一个转换过程。其次是保持阶段，飞轮转速达到额定转速时，系统处于能量保持的状态，不发生任何的能量转换。最后是供电阶段，高速旋转的飞轮由于其惯性作用拖动电机减速发电，经过功率变换器作用输出适合负载要求的电能，此时是将动能以电能的形式输出，飞轮储能系统的主要功能就是储存电能并且完成电能的转换、输出。飞轮其实是一个旋转体，有固定的定轴旋转，旋转的速度大小决定系统装置的储能量。飞轮高速旋转时的存储能量用 E 表示为：
关于飞轮的转动惯量，大小主要决定于飞轮的形状和质量。由试可以看出，飞轮储存的动能与其转速的平方成正比。当存在有正向不平衡转矩作用的时候，飞轮转速会提高，可将电能转换为动能进行存储；相反的，当飞轮的转速下降时，存储的动能则转换为电能输出。因此，可以看出不平衡转动力矩的影响是飞轮转速改变的根本原因。若它们之间的相互关系为 M，则 M可表示为：
通过对飞轮装置充放电原理的了解可知，当飞轮旋转的加速度大于零也就是处于加速的过程中，整个储能装置才会工作在充电的过程中。由于飞轮是根据其联轴的电机驱动的，只有电机的转矩能够克服摩擦力矩而且能够拖动飞轮高速旋转时才能使飞轮保持一定的加速度，因此电机就是这个飞轮储能装置充电系统的控制核心。
二、太阳能飞轮储能控制系统的结构
对于太阳能而言，每个时间段的光照强度不同，因此放电量也有所差异，在夜间基本上是不发电的。为了保证可以供给负载充足的电量，有效的减少能源的浪费，可以将太阳能存储在飞轮系统中。其具体结构图如图所示。
该系统的工作原理：太阳能电池板是在有光照的情况下才工作的。而在 24 小时里，每个时段的光照强度不同，这样就导致了太阳能电池板输出的电能在时间上不均匀，在夜晚没有光照的时候甚至没有电能产生。可以用飞轮储能系统来有效的利用电能。在白天光照强度大的时候发出电能的功率大于负载的平均功率，可以把多余的电能经过转换器，驱动电机带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存起来。当光照强度弱时，发出的电能功率小于负载的平均功率，就可以通过飞轮储能系统将存储的动能以电能的形式释放出来。在夜间，所需的电能全部由飞轮之前存储的动能转化为电能来提供。实现电能的输入、存储和输出功能。
三、太阳能飞轮储能系统的供电控制
1、异步电机的矢量变换控制技术。矢量变换控制是新的控制理论和控制技术，它的原理基础是通过模拟直流电机的控制特点来对交流电机进行控制。想要实现这一设想，需要运用电机统一理论和坐标变换理论，将交流电机的定子电流I 分解成磁场定向坐标的磁场电流分量Im 和与之垂直的坐标的转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系，再利用解耦把交流量的控制转换为直流量的控制那么利用这个原理就可以把交流电机的控制和直流电机的控制等价。该调速控制方法效率高，精度高，调速范围广，速度快，动态响应好。对于整个矢量控制，将在三个坐标系中进行变换，也就是三相静止坐标系 ABC轴，两相静止坐标系α、β和两相旋转坐标系 MT。进行三相静止坐标系 ABC 轴到两相旋转坐标系 MT 轴的变换要分两步进行，首先是进行三相静止坐标系 ABC轴到两相静止坐标系α、β的变换，也就是 3s/2s 变换；其次是进行两相静止坐标系α、β到两相旋转坐标系 MT 轴的变换，也就是 2s/2r 变换。通过对电压、电流、磁链等物理量进行矢量变换，将异步电机数学模型变换到正交旋转坐标系，对物理量的幅值、相位实现解耦控制。相比较几个磁场定向的办法：气隙磁场、定子磁场和转子磁场定向，转子磁场定向简单可靠、精度较高、且易于操作，这次的研究中将采用转子磁场定向的方式来进行坐标和矢量变换。三相/两相的变换中需要在总磁动势不变的情况下，把等效的互相垂直的二相绕组系统来代替原来的三相绕组系统。它们的关系如在本次研究中把三相的 A轴和两相的α轴重合。那么有如下等式：
这次的研究中采用的是转子磁场定向的方式来进行坐标和矢量变换。将旋转的 MT 轴系中，M 轴的方向和转子磁链2的方向保持相同，这样定子电流在 M
轴的分量就是建立转子磁场的纯励磁分量，在 T 轴的分量就是转矩分量，如图 所示，转子磁链定向控制也就是沿着转子磁链方向来确定旋转的 MT 轴系的位置。
2、异步电机瞬时转矩控制。瞬时转矩控制在功率控制方面的物理含义可以看出，传统的调压方法控制点是在无功通道上，它只控制励磁电流。而新的瞬时转矩控制则把调压控制点前移了，它直接控制电磁转矩，从而能同时控制有功和无功两个部分，有功也不再是自然平衡状态而是出于控制范围之内，系统的动态性能肯定会优越得多。实现异步发电机直流馈电瞬时转矩控制的整个控制系统由8个方块组成：坐标变换、磁链估计、转矩估计、频率估计、磁链给定、电压调节器、迟滞比较器与开关表。一般调磁调压的恒压发电系统发电机实际上是工作于恒功率区，以上对异步发电机直流发电系统的研究也遵照了这个惯例，只研究了恒功率区的发电情况，没有研究恒转矩区的发电情况。这样，正常发电的转速变化范围受到了很大限制。实际上，独立电源系统、风力发电等实际应用需求中，转速变化范围均很大，要求包括恒功率区和恒转矩区在内的大转速变化范围内都能输出恒定电压，如果瞬时转矩控制的异步发电机直流发电系统能在这样的大转速变化范围内满足这些需求的话，那则更具有实用价值。因此，必须研究恒转矩区的异步发电机瞬时转矩控制策略，使其在恒转矩区仍然能输出恒定电压，并仍然有好的稳态和动态性能，使瞬时转矩控制理论真正能在大转速变化范围内得到应用。
通过对异步电机的工作原理，基于独立太阳能发电的飞轮储能系统充电控制研究。对于整个充电过程的控制主要有两大块，本系统中受限功率输入下的交流电机变频控制提出了功率跟踪转差频率控制法。
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论文作者:孙晓彪
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
标签：飞轮论文; 转矩论文; 电能论文; 坐标系论文; 系统论文; 转速论文; 储能论文; 《电力设备》2019年第4期论文;