高速储能飞轮系统动力学仿真模型

资 源 简 介

该项目是基于国外知名大学电力系统实验室研究成果开发的储能飞轮（FESS）高保真仿真环境。该模型旨在模拟物理飞轮在各种电网运行条件下的能量转换过程，通过MATLAB和Simulink的深度集成，实现了对飞轮转子动力学、永磁同步驱动电机、以及双向电力电子变换器的全系统建模。功能涵盖了飞轮启动提速、能量存储（充电）、恒速待机以及能量反馈（放电）的全寿命周期模拟。该模型的核心在于其精细化的损耗分析模块，能够计算包括空气阻力损耗、磁轴承摩擦损耗以及电机电磁损耗在内的非线性因素，从而提供极高的系统效率评估精度。在应用

详 情 说 明

高速储能飞轮系统（FESS）动力学仿真模型

项目介绍

本项目是一个基于高性能碳纤维转子与永磁同步电驱动技术的高速储能飞轮系统（FESS）高保真动力学仿真环境。该模型旨在通过精细化的数学建模，模拟飞轮在实际电网运行环境下的复杂动态行为，包括能量摄取、长期保持、快速释放以及平抑功率波动等典型工况。

该仿真平台集成并实现了电力电子变换、电机矢量控制、机械多组分损耗以及转子动力学方程，能够为研究物理储能技术在智能电网、微电网频率支撑及不间断电源（UPS）中的应用提供精确的数据支撑和理论验证。

功能特性

• 全寿命周期工况模拟：预设了充电、恒速待机、受控放电以及正弦功率波动平抑四个连续阶段，完整覆盖了储能系统的运行形态。
• 高保真损耗模型：集成了非线性空气阻力损耗（与转速三次方成正比）、磁悬浮轴承残余摩擦损耗、电机铁损（基于变频修正公式）以及定子铜损。
• 先进控制策略：采用 $i_d = 0$ 的矢量控制（FOC）策略，通过两路独立的电流环PI调节器实现对转矩的精确解耦控制。
• 能量管理与荷电状态监测：内置动态SoC计算逻辑，基于转子实时动能相对于设计动能范围的百分比进行评估，并包含过速与低速欠压自动保护功能。
• 多维度性能评估：自动计算系统往返效率（Round-trip Efficiency），实时统计各类损耗占比，并评估直流母线电压的稳定性。

实现逻辑与功能描述

仿真模型采用离散时间步长迭代法，核心算法流程如下：

1. 物理环境与硬件参数初始化 系统设定了高达40,000 RPM的设计转速区间。初始化参数包含转子转动惯量、电机电感/电阻/磁链，以及针对真空室环境设计的残余空气密度等物理常数，为仿真构建了真实的物理底座。

2. 需求调度信号生成 通过时间分段函数，模拟了电网对储能系统的四个阶段指令：0-15秒强制充电（15kW）；15-30秒零功率待机；30-45秒放电支撑（12kW）；45秒后执行0.2Hz的正弦功率波动平抑指令。

3. 能量管理系统（EMS）演算 在每个步长内，系统首先计算飞轮的剩余动能及其对应的SoC。根据SoC状态判断是否执行响应指令：若超出最高转速则限制充电，若低于最低工作转速则限制放电。随后根据 $P/ omega$ 计算出参考电磁转矩。

4. 矢量控制（FOC）环路实现 将参考转矩转换为q轴参考电流，通过PI控制器调节d轴和q轴电压。此过程考虑了反电动势补偿以及$d-q$轴之间的电感耦合效应，模拟了电力电子变换器对电机的控制过程。

5. 动力学与损耗积分迭代 该模块为模型的物理核心。它依据当前的电压和转速状态，利用一阶微分方程组更新d轴和q轴电流。同时，根据角动量定理，利用（电磁转矩 - 损耗转矩）/ 惯量计算角加速度，进而通过积分得到下一时刻的转速。

6. 直流母线电压反馈 模型模拟了变换器直流侧电压的动态。通过计算机电转换功率与功率需求之间的偏差，基于大电容充放电方程动态更新直流母线电压，用于评估系统对母线波动的抑制能力。

关键算法与实现细节分析

• 非线性损耗计算：

空气阻力损耗采用了复杂的流力模型简述，认为损耗功率随半径的四次方和角速度的三次方增长，这在大气稀薄的真空室模拟中至关重要。 电机铁损使用了变频指数模型（1.6次方分量），反映了高速电机在频率提高时显著增加的涡流损耗。

• 往返效率评估公式：

系统通过计算放电阶段总输出能量与（充电阶段总输入能量 - 待机损失动能）之比，准确衡量了系统在一个循环内的能量转换效率，排除了初始动能的干扰。

• 双闭环调节机制：

虽然主程序侧重于外环转矩到内环电流的映射，但内部实现了电流重构逻辑，确保了电磁转矩产生的物理过程符合永磁电机特性。

使用方法

1. 确保计算机环境中已安装 MATLAB 2018b 或更高版本。
2. 将提供的函数代码保存为后缀名为 .m 的文件。
3. 在 MATLAB 命令行窗口输入项目主函数名并回车。
4. 程序将自动运行60秒的动态仿真，并在运行结束后弹出包含六个子图的可视化窗口，提供转速、功率、SoC、损耗及效率的完整分析报告。

系统要求

• 软件环境：MATLAB（支持控制系统工具箱优先）。
• 计算性能：仿真步长设定为 0.0001s（10kHz），对于60秒的仿真时间，建议内存不少于 8GB。
• 技能背景：适用于具备自动控制、电机学或电力系统基础研究背景的科研人员。