飞轮储能是一种将电能以机械能形式储存在飞轮转子中的储能方式,它的能量密度、功率密度和能量转换效率都很高,没有环境污染,充放电次数没有限制,因此在快速充放电领域的应用前景很广。本文主要围绕其在不间断电源系统中的应用而展开,设计并制造了一台基于飞轮储能的解决微网内部电能质量问题的在线式UPS系统样机。　　 论文研究了飞轮储能系统的总体设计方法,全面分析了如何根据应用需求来设计系统的整体构型、飞轮转子、轴承系统、系统外壳、飞轮驱动单元及其控制系统。依据所提出的设计方法,给出了自行研制的飞轮储能样机的设计过程。　　 针对金属材料的飞轮转子进行优化设计,根据各向同性材料的应力分析理论,应用需求以及转子动力学对于刚性转子的设计要求,确定了飞轮转子的材料和形状。建立转子失效模型,计算在不同的转子尺寸下,其表面所受的最大应力,并依据传递矩阵法编程计算转子的前5阶临界转速,优选出满足刚性转子转速安全裕量要求的一组尺寸作为实际加工的依据。对实际转子做动平衡实验,利用减重法使其不平衡量达到G2.5等级。　　 围绕实际使用的内置式永磁同步电机,建立数学模型,分析其矢量控制中5种电流控制方法,确定以最大转矩电流比来控制飞轮驱动单元中的永磁同步电机。给出控制策略中各个控制器的设计方法,利用Bode图分析其相对稳定性,通过Matlab建立仿真模型,考察飞轮驱动单元的动态响应及稳态特性。　　 为了解决微网内部存在的电压骤降问题,提出一套飞轮储能UPS系统的控制策略,包括对微网母线对称三相电压骤降的检测,以及飞轮储能系统充电、待机和放电三个工作模式的控制。在充电和待机模式下,控制系统是速度外环、电流内环的双环结构,在放电模式下,系统变为电压外环、电流内环的双环结构。工作模式的切换由微网电压检测单元控制。建立仿真模型深入分析每个工作模式下的系统响应特性。通过求解相应控制环节的开环传递函数,利用Bode图判断控制系统在电流环降阶条件下的相对稳定性。文中也进一步探讨了每个控制环节的参数改变对于系统稳定性的影响,利用奈氏曲线证明了系统在电流内环不降阶的情况下也是闭环稳定的。　　 研制了一台10kW的飞轮储能UPS系统实验样机,完成了系统加速充电、恒速待机、减速放电以及轴承摩擦损耗实验,并通过实验结果分析样机的充放电效率。实验结果证明控制算法能较好实现飞轮储能系统的充放电过程,达到设计目标。