飞轮电池在UPS系统中的应用开题报告

1、电信学院毕业设计开题报告姓 名专业 班级学 号指导教师题目类型工程设计题 目飞轮电池在UPS系统中的应用一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）飞轮电池也称为飞轮储能，是一种机械储能装置，充电时将外部的电能转化为高速、大惯性飞轮的动能，放电时又将内部存储的动能转化为所需的电能。飞轮电池作为一种储能工具有着广泛应用前景，其应用在分布式发电、电网负载调节、电动汽车、运载火箭和电磁炮等瞬时大功率电源中以及一些重要设备的不间断电源（USP）中。早在20世纪70年代，由于石油禁运和天然气危机，美国能源部和美国航空航天局率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统的研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究。飞轮电池已经成为电池行业一支新生的力量，并在很多方面有取代化学电池的趋势。与传统的化学电池相比，飞轮电池的优点主要体现在：储能密度高，瞬时功率大，短时间内可以输出更大的能量；在整个寿命周期内，不会因过充电和过放电而影响储能密度和使用寿命；容易测量放电深度和剩余“电量”；充电时间短，一般在几分钟就可以将电池充满；使用寿命只取决于飞轮电池中电子元件

2、的寿命，因此较长；能量转换率高，一般可达85%95%；对温度不敏感，对环境十分友好；当它与某些装置组合使用时，它的优势更明显。现代飞轮电池使用复合材料飞轮和主动、被动组合磁悬浮支承系统已实现了飞轮转子转速达60000r/min以上，放电深度达75%以上，可用能量密度大于20Wh/lb。总体来说，目前飞轮电池的可用能量密度最低也在40Wh/kg以上，最高的已经达到944Wh/kg，可见它的优势十分明显。参考文献：1、飞轮储能技术及应用 汤双清著 华中科技大学出版社2、异步启动永磁同步电动机 王秀和 杨玉波 朱常青著 机械工业出版社3、现代电力电子技术 王兴贵 陈伟 张巍，中国电力出版社4、电力电子技术 王兆安 黄俊著 机械工业出版社5、PWM逆变技术及应用 陈国呈著 中国电力出版社6、DC-AC逆变技术及其应用 陈道炼著 机械工业出版社7、PIC16F87X单片机实用软件与接口技术 刘和平 著 北京航天航空大学出版社8、PIC16F87X数据手册 Microchip 著 刘和平译 北京航天航空大学出版社9、PIC单片机实践与系统设计 彭树生 著 电子工业出版社10、PIC单片机快速入门

3、徐玮 沈建良 庄建清 著 北京航空航天大学出版社11、电气传动自动化技术手册 天津电气传动研究所 著 机械工业出版社12、Test Results of a Compact Superconducting Flywheel Energy Storage With Disk-Type, PermanentMagnet Motor/Generator Unit Zalan Kohari TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 19, NO. 3, JUNE 20015、Low Cost Flywheel Energy Storage for a Fuel Cell Powered Transit Bus C.S Hearn, M.M. Flynn, M.C. Lewis, R.C. Thompson, B.T. Murphy, R.G. Longoria2 16、Flywheel Batteries for Vehicles Joseph Beno, Richard Thompson, and Robert Hebner二、主要设计内

4、容、设计思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程2.1 毕业设计的主要内容1、依据风力发电的特点设计出能够使发电系统输出稳定电压的飞轮电池控制系统的主电路；2、设计出能够达到要求的控制电路（包括控制电路，驱动电路以及软件编程）；3、主要技术指标：要求通过飞轮电池的充放电稳定与其并联的风力发电系统交流侧电压在380V（线电压）；飞轮电池驱动电机：永磁同步电机（PMSM），额定电压,额定功率3KW，额定转速；要求飞轮电池充电时：充电时间不小于10，电机以恒转矩启动；2.2 解决问题的关键在本设计中主要完成的是飞轮电池在USP系统中应用的控制电路和主电路部分的设计，除了完成硬件设计外，还要通过软件编程实现风力发电系统输出稳定的电压，故而在本设计中需要解决的关键问题则可归纳为以下几点：1、主电路中的整流器的设计2、主电路中的逆变器的设计3、控制电路的设计4、驱动电路的设计5、继电器的控制6、软件编程2.3主要设计思想本设计的系统框图如图1所示，主要应用PIC单片机控制电路主的工作状态。本设计中的主电路主要由整流器、逆变器和两个换向开关组成，飞轮电池的工作原理图如图2所示。当飞轮电池处于

5、“充电”状态时，换向开关S1与A接通，换向开关S2与C接通，整流器通过S1与电网接通，将交流电转换成直流电，再由逆变器将直流电逆变为电压、频率可调的交流电通过S2输送给含有飞轮电池的电机，电机带动飞轮加速旋转，将电能转换成机械能存储在飞轮电池中；当飞轮电池处于“放电”，换向开关S1与B接通，换向开关S2与D接通，整流器通过S2与飞轮电池接通，将飞轮电池发出的交流电转换成直流电，再由逆变器将直流电逆变为电压、频率稳定的工频电源通过S1输送给外部用电设备。（注：为了使用PIC单片机实现制动控制，该电路换向开关的功能用固态继电器来完成）图 1 系统框图图 2 飞轮电池工作原理图驱动电路由两部分组成，一部分是对IGBT的驱动，另一部分是对继电器的驱动。控制电路主要使用PIC单片机，通过软件编程实现对主电路逆变器中IGBT的导通和关断的控制和对继电器的控制，配合主电路完成对飞轮电池的充放电。2.4 拟定技术方案在本设计中主要完成的是飞轮电池在USP系统中主电路、控制电路、驱动电路的设计和软件编程，先将技术方案简要叙述如下：1、 主电路中的整流器整流电路有三相整流和单相整流。单相整流电路结构简单，

6、单输出脉动大，特别是交流电源中含有很大的直流分量，会给整流变压器、发电机等造成危害，故实际中很少使用这种电路；三相整流电路输出平均电压高，脉动小，且交流电源电流中不含直流分量。由于本设计中负载容量大故而采用三相整流电路，三相整流电路有很多种，如：电力二极管组成的三相桥式不可控整流电路，半控型器件组成的三相桥式整流电路、全控型器件组成的三相桥式全控整流电路及PWM整流电路。三相桥式不可控整流电路就可以满足本设计的要求，而对其它整流电路的控制有很复杂，故而选择三相桥是不可控整流电路作为整流器。2、 主电路中的逆变器用于逆变电器上的半导体开关器件根据使用目的不同有晶阀管、双极晶体管或绝缘栅双极晶体管（IGBT）。它们在耐压、容量、开关速度等方面的差异很大。在本设计中选用IGBT作为开关器件。IGBT是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高，工作速率快、热稳定性好、驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此现今应用相当广泛。但是IGBT良好特性的发挥往往因其栅极驱动电路设计上的不合理，制约着IGBT的推广及应用。因此，IGBT驱动电路的选择非

7、常重要。三项逆变器的种类很多，如：电压型逆变器、电流型逆变器和PWM逆变器。本设计中我们选择三项桥式PWM逆变电路作为逆变器。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，为了得到所需的PWM输出电压，通常可以采用将期望输出的电压波形与载波信号进行调制，然后用比较产生的信号去控制IGBT的导通与关断，就能得到所需的PWM输出电压。3、 控制电路本设计要求控制系统以PIC系列单片机作为控制核心，PIC16F877单片机是PIC中级单片机中很有特色的一款单片机，其指令字节14位，它具有PIC系列单片机的全部优点，包括了PIC16F87X系列单片机的全部功能，硬件设计系统设计简洁，指令系统设计精简，片内带有128*8的EEPROM的数据存储器，起程序存储器也与众不同，采用快闪存储器，可以实现在电路板上的快速写入和擦除。在本设计中主要采用PIC16F877单片机技术实现控制电路，完成对电力电子器件的驱动，并通过软件编程控制IGBT的导通与关断和继电器的状态。4、 驱动电路本设计的驱动电路包括对IGBT的驱动电路和继电器的驱动电路。IGBT的驱动电路主要使用EXB841芯片，EXB841是混合IC能

8、驱动高达400A的600V IGBT和高达300A的1200V IGBT。因为驱动电路信号延迟小于1vs，所以此混合IC适用于高约40KHZ的开关操作。EXB841内置用于高隔离电压光耦合器、单供电操作、内装过流保护电路、过流保护输出、高密度安装的SIL封装。信号隔离电路、驱动放大电路、过流检测电路、低速过流切断电和栅关断电源这些内部功能使IGBT获得最充分的应用。继电器的驱动电路一般使用一个PNP型的三极管。继电器的开和关完全由三极管的基极电平进行控制，当三极管的基极为高电平时，PNP型三极管截止，继电器不工作；反之，继电器工作。但为了确保控制继电器的电压足够大，在本设计中，使用达林顿管作为继电器的驱动电路，即使用ULN2003芯片。ULN2003是高压大电流达林顿管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。5、软件编程软件编程的主要思想就是基于PIC16F877单片机采用面积等效法控制主电路的逆变电路输出稳定的SPWM波形电压，并且PIC单片机控制逆变后得到的稳定电压是供给负载还是为电动机充电，同时，当单片机检测到

9、负载端断电时，立刻控制发电机为负载供电。SPWM波的生成：SPWM波形产生的方法有很多种,例如自然采样法、规则采样法和直接面积等效法等。目前等效面积SPWM算法与其它算法相比，具有谐波小、程序量少、占用计算机内存少、可动态 在线进行实时运算等突出优点.运用该算法研制的变频器，输出电压波形接近正弦程度更高，谐波更小。等效面积法把一个正弦半波分为N等份，然后每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替,矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，这样由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波等效，显然这一系列脉冲波形的宽度或开关时刻可以严格地用数学方法计算得到。如图1（a）所示，在区间t,t+t,正弦波面积为S1。(1)式中： M为调制度；Us为直流电源电压.图1面积等效法生成SPWM原理图对应图1（b）的脉冲面积S2为将正弦信号的正半周N等分，则每份为弧度,由图1知脉冲高度为Us/2,设脉冲宽度为k.第K份正弦波面积与对应的第K个SPWM脉冲面积相等，解得式中： k为开启相对时间；为关断相对时间.控制规律在f50 Hz与f10 Hz范围内采用恒功率控制，其它范围则采用恒转矩控制，采取这种方式，控制相对较为简便，在高频和低频段采用恒功率控制可加大调速范围.为使输出波形对称性好，谐波分量小，系统采用分段同步调制，以保证整个变频范围内的开关频率变化不是很大.余弦计算现采用分段同步调制，每个频段载波比 N为恒定值，不同频段N不同.为了计算快速，余弦计算采用查表方式，为了保证三相互差120，N应设成3的倍数，调制比最大180，所以将/180，2/180的余弦值算好，每个余弦值占2个字

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