2023-07-17
中国电子系统工程第三建设有限公司 王一川
摘要： 近些年来，随着疫情的不断肆虐，生物医药产业逐渐被国家所重视，特别是发生新冠疫情的现在，国家越发重视生物医药产业，已经被列为战略性新兴产业生物产业中的重要组成部分。在本文中通过进行生物医药实验所必需的储能技术进行分析探索，利用高效储能技术中的飞轮储能来进行储能电量释放的仿真实验，来以此证明高效储能技术的安全性和稳定性。本文采用搭建飞轮储能系统的充放电控制模型的方式来观察相应得到的仿真波形，通过分析波形来证明飞轮储能技术运用于生物医药实验的可行性。
关键词：生物医药产业；高效储能系统；飞轮储能；充放电控制
Abstract： In recent years, as the epidemic continues to wreak havoc, the biomedicine industry has gradually been valued by the state, especially in the case of COVID-19. Now the state pays more and more attention to the biomedical industry, and has been listed as an important part of the bio industry of strategic emerging industries. In this paper, the energy storage technology necessary for biomedical experiment is analyzed and explored, and the flywheel energy storage in high-efficiency energy storage technology is used to simulate the energy storage and power release, so as to prove the safety and stability of high-efficiency energy storage technology. In this paper, the charge discharge control model of flywheel energy storage system is built to observe the corresponding simulation waveform, and the waveform is analyzed to prove the feasibility of flywheel energy storage technology in biomedical experiment
Key word： Biomedical industry；High efficiency energy storage system; Flywheel energy storage; Charge discharge control
生物医药产业可视为践行发展与安全辨证统一理念的典型领域。首先,从安全角度看,新世纪接连发生的SARS、甲型H1N1流感、埃博拉、新冠肺炎等突发重大传染病不断凸显生物医药产业对于大安全格局的战略保障作用。其次,从发展角度看,生物医药产业作为我国重点发展的高新技术产业之一 ,是国家战略科技力量的重要体现领域,能够体现国家对重大科技创 新的组织能力与水平,已成为世界各国重点发展的战略性新兴产业。因此,基于大安全格局,生物医药产业的未来发展战略显然需要特别关注。
在我国的政策语境中,生物医药产业被列为战略性新兴产业生物产业中的重要组成部分,涵盖国民经济活动中与生物药品制品制造、化学药品与原料药制造、现代中药与民族药制造、生物医药关键装备与原辅料制造、生物医药相关服务相关的活动，是当今社会的研究重点领域。
在现在生物医药项目中，想要取得更高的发展所需要的不仅仅是技术的进步与创新和不断地人才涌入，它还需要拥有安全、绿色与高效的实验来协助进行研究发展，实验环境的安全稳定是促进项目创新的前提。
高效储能系统是目前世界上正在不断发展的储能技术，这种储能技术具有大储能、高效率、无污染、长寿命及可实现连续工作等一系列优点，是一种具有极高研究价值和广阔的未来应用前景的新型储能技术。将高效储能系统应用在生物医药项目中，可以大大地提高项目实验的安全性，因为稳定的电力系统是生物医药项目中实验进行与样品储存的重中之重。
飞轮储能是高效储能技术中的一种，它是基于机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能，并且可以将一些常规能源及非常规能源转化成飞轮的旋转动能，并储存起来的一种新型的储能技术，它具有高效储能系统的所有优点，同时它还有相比于其他储能技术更高的储能密度，因此，在生物医药项目中运用飞轮储能技术，将有利于项目的稳定研究。
它的工作原理是运行在储能模式时，电能通过电力电子装置变换后控制电机带动飞轮加速旋转，从而将电能转化为机械能储存在高速旋转的飞轮本体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；当需要释放能量时，电机作为发电机运行，由飞轮带动其转动减速发电，将机械能转换为电能，经电力电子装置变换后输送给电网或给负荷供电。
飞轮储能系统的充电控制即是对永磁同步电机的加速控制，从较低的转速，加速到额定转速，通过交流电源给飞轮控制器供电，飞轮控制器便可以控制电能输入使飞轮达到额定最高工作转速，从而使电能转换为机械能进行储存。
本文飞轮储能系统充电控制采用的是转速和电流双闭环控制策略，其中电流控制采用基于的矢量控制策略，飞轮储能系统充电控制框图如图1所示。
图1. 飞轮储能系统充电控制框图
由于采用飞轮储能技术的原因是因为其具有高效率、高稳定的优点，所以需要通过仿真来证明飞轮储能技术的稳定性，因此利用simulink软件搭建了如图2所示的飞轮储能系统的充电控制仿真模型，其中负载TL采用的是三段式负载，在t=0时，无负载，在t=0.5时，负载为10，t=1时，负载为5。
图2.充电控制仿真模型
因为探究的是飞轮储能系统稳定性的证明，所以直接给系统输入直流电压，转速输入为，可以得到相应的飞轮仿真结果。
图3.飞轮转速
图4.飞轮电磁转矩
图5.飞轮三相定子电流
在上图中，图3为飞轮的转速波形，从波形图中可以看出，从输入电压开始，在不到的时间内，暂态过程便已经结束，相应的转速阶跃也不高，很快就稳定在了设定的上，并且在负载变化的时间段中，转速的阶跃也较小。
图4、图5为飞轮的电磁转矩和三相定子电流波形，从图中也可以看出暂态过程是非常短的，并且由于实验所设定的负载是三段式负载，在不同的时间段负载的大小也会有变化，所以从图中可以清楚地看到在各个变化的时间段内，电磁转矩与定子电流的波形是跟负载的改变而改变的，且波形的上下波动也较小。
通过对飞轮本体的波形分析，可以证明该充电控制模型是可行的和有效的，同时通过各个波形的暂态过程与图象波动情况也可以得到飞轮储能控制的高效性与稳定性，这样有利于电能的高效存储，从而避免不必要的损耗。
飞轮储能系统的放电过程就是储能转子中的机械能转换为直流负载侧的电能的过程。在电源中断后，飞轮的转速将会下降，使储存的机械能再转化为所需要的电能，然后给飞轮控制器进行供电，控制器再提供不间断电源给用户负载实现放电过程。
其中飞轮转速下降在放电过程中，随着飞轮本体的转速下降，电机端的输出电压会降低，反电势下降，为了保证机端电压的稳定，可以加入升压斩波电路稳定输出电压，如图8所示。
图6.升压斩波电路
升压斩波电路只需要控制一个开关管就可以控制直流侧电压的稳定。开关管导通、关断情况下的等效电路图如下图7所示。原理如下，首先假设电路中电感、电容都足够大。当处于导通状态时，电源向电感充电，同时电容上的电压向负载供电。电容足够大，认为输出电压基本恒定，为。当处于关断状态时，电源与电感一起向电容充电，并给负载供电。
图7.开关管分别导通、关断情况下的等效电路图
导通、关断时间分别即为。当电路工作稳定时，认为通过电感的电流基本恒定不变，为。那么，在一个周期中，电感积聚的能量与释放的能量相等，那么有：
化简可得：
为可控开关的占空比。可见，随着转速降低，反电势降低，只要控制可控开关的占空比增加，就可以维持直流侧电压的稳定。
升压斩波电路中保证电路能够工作在电流连续模式的临界电感值为：
而且可以根据纹波电压限值的要求，可以计算在电感电流模式时，所需要的电容值的大小：
表示所要求的纹波电压的限值，可见，增加电容值可以降低纹波电压。
最终的放电控制仿真模型如图8所示，永磁同步电机输出电流过后先经过三相二极管整流桥后转换为直流电，然后再通过升压斩波电路将电流输送给负载端。
图8. 放电控制仿真模型
设置永磁同步电机的额定转速为，同时考虑到节省仿真的时间，设置电机的转动惯量为。
图9.电机转速波形
图10.负载端输出电压波形
上图为飞轮储能系统放电过程所获得的波形图，其中图9为电机的转速波形，从图中可以看出，在放电过程中，飞轮从额定转速的逐渐衰弱致，这是飞轮将机械能转换为电能的过程，然后再将输出的交流电经整流桥与升压斩波电路最终输送到负载端，所得到的负载电压如图10所示，通过图10的波形可以看出最终输送到负载的电压很快便趋于平稳，可以满足需要有稳定供电的用户的要求。
随着近些年来国家对医疗卫生方面的大力支持与鼓励，生物医药行业也在不断地发展，其未来趋势将十分光明，而飞轮储能技术作为集电信科学与技术、电气科学与技术、控制科学与技术、机械科学与技术和材料科学与技术于一体的交叉技术，具有高效率、高稳定、高储能的优点，对于生物医药项目实验的稳定进行可以提供优质的保障，通过本文的仿真实验与得到的波形也可以证明飞轮储能系统充放电的高效性与稳定性。而包含了更多储能方式的高效储能技术则可以更为全面的对生物医药行业提供各种针对性的帮助，相信随着高效储能技术的不断进步与发展，该项技术将会给更多的领域带来便捷。
