飞轮储能不间断电源设计与仿真研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

(一) 研究目的及意义

能源作为现代工业的支柱,关系到整个社会的发展。能源需求的多样性,高可靠性和波动性对于能源的储存提出了更高的要求。在电力系统中,就需要一种高效的储能装置来防止电压突然下降以及完全的电源故障,而不间断电源(UninterruptiblePower Supply, UPS)就是解决这些问题的有效方法之一,而且随着个人电脑的普及,不间断电源的需求也在日益增长。

传统的不间断电源一般使用电池进行能量储存,电池型的不间断电源确实具有一些优点,比如:模块性高,可集成性强,不受地域以及环境的限制,系统结构简单成本低。但是它仍然存在一些本身所难以克服的缺点,比如体积大,重量大,维护成本高等等。近年来,人们在新型电池,超导线圈,蓄压器存储,超级电容方面奋力推进,但是大多数技术仍然在试验中,因此,飞轮储能以其高效率,低损耗等优点被视为兆瓦级或者秒级领域最适合的高容量存储设备。

(二)国内外研究现状分析

飞轮储能装置也称飞轮电池,是一种机械储能装置,在充电时能将外部的电能通过电动机带动飞轮,使之转化为高速、大惯性飞轮的动能,而在放电时,又能通过电动/发电互逆式双向电机,能够将内部存储的动能转化为所需的电能。

其原理图如附件中图1所示。

飞轮储能已经有了一段历史,飞轮储能技术提出大约在上世纪50年代,但是受到当时技术水平以及硬件设备的影响,飞轮储能的密度很低,而且高速飞轮的各种损耗使得能量转换的效率很低;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动量矩飞轮的磁悬浮支撑系统的研究,这些技术将被用在电动汽车以及卫星上。直到80年到初期,电力电子技术的高度发展,科学技术不断创新,使得飞轮储能技术密切相关的方面,即高温超导磁悬浮技术、高强度碳纤维、现代电力电子技术的发展带动了飞轮储能技术的深入研究,为人类社会能源利用提供了又一保障。

在国外,美国NASA Glenn研究中心、AFS公司、TRW公司、Texas Aamp;M大学和Boeing公司共同研究的高强度复合材料制作的飞轮、低损耗的电磁轴承系统、高效率的双向电机以及现金的控制算法,使得系统效率高达85%,飞轮转速最高60000rpm,其边缘线速度达到628m/s,在空载运行时系统可以维持12个小时左右。还有Beacon Power公司生产的FESS产品主要用于独立的分布式电源方面,为大功率的通信设备提供备用电源的保障,经计算每年将生产10000套左右的设备。

德国从1997年就开始了随5MWh/100MW的大型超导飞轮储能电站的方案设计,该电站主要有10个小型的FESS组成,每个FESS可以储能0.5MWh,功率为10kW,重30t,体积达到70.4145m3,主要由1个双向飞轮电机和4个高强度复合材料制成的飞轮每个飞轮储能125kWh,储能密度为41Wh/kg效率高达96%。

日本研制出的飞轮储能发电系统容量为26.5MVA,系统输出电压为1100V,转速为510690r/min。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正在开展高温超导磁悬浮轴承的相关研究。

相比于国外,我国对于飞轮储能技术的研究比较晚,但是也有十几年的时间。

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