探讨飞轮储能技术在能源领域的应用

飞轮储能技术的DVR（动态电压调节）拓扑结构需要满足以下要求：

1）能量的双流动性。当DVR完成对电压跌落的一次补偿后，会消耗一部分飞轮存储的能量。因此，必须有充电装置及时为飞轮充电，补充消耗的能量，使其达到最大值，保证下次电压跌落补偿的顺利进行。

2）充电装置的设计首先要保障DVR的整体性能不受影响，同时针对不同的负载需要对拓扑结构进行多方面考虑。

3）放电时需要保证直流母线电压恒定，不稳定的直流母线电压不利于DVR的逆变单元的控制。在飞轮单元充电时，直流母线电压大于电机的线电压幅值，如果此时发生电压跌落，由于直流母线电压仍大于电机线电压幅值，因此，单纯的二极管整流方式无法立刻释放能量，只有当母线电压跌落到小于电机线电压幅值时才可能放电。在飞轮单元放电时，永磁无刷直流电机运行在制动状态，飞轮的动能转换为电能，单纯采用不控整流所得的电压比较低，并且随着飞轮转速的下降，直流母线电压也会随之降低。飞轮在放电时运行在高速区，随着能量的释放，飞轮转速下降，反电动势的频率和电压幅值变化范围大，一般要求飞轮转速降到50%的额定转速，仍能实现能量回馈，电机能量回馈制动是经济高效的放电模式，不需要增加任何元器件，非常适合用于飞轮储能单元的能量回馈控制。

系统并联拓扑结构如图7-70所示。

根据能量的流向，系统可分为三种工作模式：

（1）充电模式

在充电模式下，通过控制DVR变换器和飞轮变换器使飞轮加速到最高转速，电能转换为机械能。此时转换开关置于b，旁路开关保持闭合状态。充电模式分为两种情况：①飞轮从静止状态加速到最高值；②当飞轮的转速下降到设定值时，再次使飞轮转速升到最高值。

（2）待机模式(www.xing528.com)

当飞轮转速升到最高速度后，为了避免开关损耗，封锁DVR变换器和飞轮变换器的触发器脉冲，飞轮转速由于自身损耗会缓慢下降。此时转换开关置于a，旁路开关保持闭合状态，飞轮与电网不存在能量交换。

（3）工作模式

当电网电压突然降低时，系统进入工作模式。系统通过检测电网电压生成指令信号，对DVR变换器进行控制，产生所需要的补偿电压，补偿电压经过滤波后电压正弦化且与电网电压同相，DVR变换器的结构图如图7-71所示。

图7-70 系统并联拓扑结构

图7-71 DVR变换器的结构图

L为和电网相连的滤波电感，将功率开关损耗等效电阻、滤波电感等效电阻合并为R，u_Sa、u_Sb、u_Sc为电网三相电压，i_a、i_b、i_c为变换器交流侧的三相电流，e_a、e_b、e_c为变换器输入电压。