飛輪儲能系統(tǒng)電機及其控制器概述

飛輪儲能系統(tǒng)電機及其控制器概述邢向上;姜新建【摘要】簡述了飛輪儲能系統(tǒng)的基本組成，介紹了飛輪儲能系統(tǒng)常用的水磁無刷直流電機、永磁同步電機、感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機的工作原理和特點，討論了四種電機的控制策略，分析了各種控制策略的優(yōu)缺點及其應(yīng)用.【期刊名稱】《儲能科學(xué)與技術(shù)》【年(卷)，期】2015(004)002【總頁數(shù)】6頁(P147-152)【關(guān)鍵詞】飛輪儲能;電動/發(fā)電機;控制策略【作者】邢向上;姜新建【作者單位】清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084;清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084【正文語種】中文【中圖分類】TM133飛輪儲能是一種以物理形式進行電能和機械能(動能)相互轉(zhuǎn)換的儲能裝置。它由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪本體、飛輪電機、電機控制器、軸承和真空室等輔助裝置組成。飛輪儲能主要有：儲能、待機和釋能三種工作狀態(tài)。飛輪儲能時，電源通過飛輪控制器來驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，帶動飛輪本體加速至指定轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)換為飛輪動能儲存起來；飛輪待機時，維持飛輪指定轉(zhuǎn)速；飛輪釋能時，飛輪降速，電機處于發(fā)電狀態(tài)，通過飛輪控制器輸出電能，從而將飛輪動能轉(zhuǎn)換為電能釋放。面對能源和環(huán)境危機，各國紛紛大力發(fā)展對環(huán)境友好的可再生能源(風(fēng)能、太陽能等)，以此來減少對化石能源的依賴。但風(fēng)能與太陽能等新能源受季節(jié)和天氣的影響很大，具有隨機性和間歇性的特點，導(dǎo)致其發(fā)電輸出功率具有波動性，會對電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性造成沖擊［1］。為了提高新能源發(fā)電的電能品質(zhì)和供電的可靠性，需要在發(fā)電系統(tǒng)中接入儲能系統(tǒng)，它不僅可用于電力調(diào)峰，而且還可用于電力系統(tǒng)調(diào)頻控制。與傳統(tǒng)的化學(xué)電池相比，飛輪儲能具有功率密度高、充放電速度快、放電深度易測、對環(huán)境友好、適應(yīng)溫度范圍廣、壽命長等優(yōu)點［2］，在許多傳統(tǒng)蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域，如UPS、混合動力汽車、航天等，飛輪儲能系統(tǒng)是蓄電池的替代品之一。近年來，飛輪儲能技術(shù)已成為國內(nèi)外能源領(lǐng)域的一個研究熱點，其發(fā)展涉及電氣、機械、材料等多門學(xué)科。高強度復(fù)合材料、低損耗軸承、高速電機和電力電子等方面新技術(shù)的迅猛發(fā)展，為高速飛輪儲能的發(fā)展注入了新的活力［3-4］。飛輪電機及其控制器是飛輪儲能裝置的重要組成部分，飛輪儲能系統(tǒng)通過它來實現(xiàn)電能的吸收及釋放，采用不同的飛輪電機及其控制技術(shù)得到的飛輪儲能系統(tǒng)的性能也不同。飛輪儲能系統(tǒng)對電機及其控制器的要求有：工作在電動或發(fā)電工況、高速性能好、效率高、空載損耗極低、體積小、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、易維護等［5］。目前在飛輪儲能裝置中應(yīng)用的電機主要有永磁無刷直流電機［6-7］、永磁同步電機、異步電機和開關(guān)磁阻電機［8］，各種電機都有自己的結(jié)構(gòu)特點，其相對應(yīng)的電機控制技術(shù)也不同，它們在飛輪儲能系統(tǒng)中具有各自的優(yōu)勢和不足，本文重點討論這些飛輪電機及其控制技術(shù)。永磁無刷直流電機(permanentmagnetbrushlessDCmotor，PMBDCM)結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的直流電機，它在轉(zhuǎn)子上放置永磁體、在定子上安置電樞繞組，利用電力電子電路代替電刷滑環(huán)進行電樞電流的換向。永磁無刷直流電機具有和直流電機類似的性能優(yōu)點：易起動、調(diào)速范圍寬、控制簡單、易實現(xiàn)功率的雙向流動；又克服了傳統(tǒng)直流電機由于機械換向器所造成的電刷滑環(huán)易磨損、維護工作量大、轉(zhuǎn)速受限的缺點。其不足是：由于永磁體的引入使得電機制造成本較高，高溫下永磁體易退磁和消磁，其結(jié)構(gòu)也沒有磁阻電機和感應(yīng)電機堅固，而且電機必須依靠位置傳感器進行電流的換向，定子電流方波也使得其諧波成分高、轉(zhuǎn)矩脈動大。永磁無刷直流電機的特性與傳統(tǒng)的直流電機類似，只是用電力電子器件組成的變換電路取代電刷滑環(huán)組成的機械換向器實現(xiàn)電流換向，這也就使得永磁無刷直流電機和傳統(tǒng)直流電機一樣，它的端電壓和電機轉(zhuǎn)速符合關(guān)系式(1)式中，U為定子平均輸入相電壓；I為定子繞組相電流；R為定子相繞組電阻；E為每相繞組的反電勢；ce為反電動勢常數(shù)，僅與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)；f為每極磁通總量，由轉(zhuǎn)子上的永磁體決定；n為轉(zhuǎn)速。由式(1)可得電機轉(zhuǎn)速滿足的關(guān)系為由于R、ce、f均不易改變，所以永磁無刷直流電機一般通過改變定子平均輸入電壓U來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。永磁直流電機在飛輪儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用有不同的控制器拓撲結(jié)構(gòu)。文獻［9］采用了如圖1所示的帶有雙向buck-boost環(huán)節(jié)的飛輪電機控制器，三相全橋電路按照轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號進行換向，虛線框中的部分作為一個整體等效為一臺直流電機，電機的轉(zhuǎn)速與定子平均電壓符合關(guān)系式(2)，通過調(diào)節(jié)輸入電壓就可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，也就實現(xiàn)了對飛輪儲能系統(tǒng)的控制；虛線框外的雙向buckboost電路通過直流斬波控制實現(xiàn)對定子平均相電壓的調(diào)節(jié)。在儲能時，開關(guān)管V2不工作，V1、VD2、L、C2組成buck-boost電路，V1導(dǎo)通時，電感L、開關(guān)管V1與直流電源組成回路，隨著電感電流的增加，儲存在電感中的能量增加，開關(guān)管V1關(guān)斷時，電感通過VD2續(xù)流為電容C2充電，通過控制V1的開通和關(guān)斷時間的占空比，實現(xiàn)對直流電壓的調(diào)節(jié)，根據(jù)式(2)實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；釋能時，三相橋式電路不工作，依靠反并聯(lián)的續(xù)流二極管進行不控整流，此時，由于飛輪轉(zhuǎn)速下降，飛輪電機發(fā)出的交流電的幅值降低，整流得到的直流電壓不斷下降，不能滿足直流母線電壓不變的要求，直流側(cè)的直流升壓環(huán)節(jié)開始發(fā)揮作用，電力電子開關(guān)V1不工作，V2、VD1、L、C1組成buck-boost電路，調(diào)節(jié)直流電壓，使直流母線電壓保持恒定。這種控制方式的兩部分分工明確，便于理解和控制，但是所用的開關(guān)管較多，使得控制器的制造成本較高。對此，文獻［10］在飛輪電機的控制中利用電機自身電感和三相全橋電路組成boost電路，采用的控制器框圖如圖2所示。此時，三相全橋電路兼顧電流換向和直流電壓的調(diào)節(jié)，以反電勢ea-eb>0為例，當(dāng)開關(guān)管V2導(dǎo)通時，電流按照虛線所示回路流通，電感中儲存能量；當(dāng)V2關(guān)斷時，電流按照實線所示的回路流通，向電容中儲能。所以電機自身電感、V2、VD1和直流母線電容組成boost電路，電動勢為其它關(guān)系時，工作過程與之類似。與帶有雙向buck-boost環(huán)節(jié)的控制器相比，這種結(jié)構(gòu)的控制器所用的開關(guān)管的數(shù)量減少，降低了控制器的制造成本，但這種控制器的工作開關(guān)頻率較高，控制難度大。兩種控制器結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢與不足，在對控制器進行設(shè)計時要對控制器的制造成本與控制難度進行綜合考慮，采用合適的控制器結(jié)構(gòu)。文獻［11］采用功率為100kW永磁無刷直流電機研制了容量為10kW-h的飛輪儲能系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子質(zhì)量為164kg，轉(zhuǎn)速達到U15000r/min永磁同步電機(permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM)與永磁無刷直流電機都屬于永磁電機，只是反電勢的波形不同，其反電勢為正弦波。永磁同步電機和普通電勵磁同步電機原理相同，只是轉(zhuǎn)子用永磁體勵磁取代了電勵磁結(jié)構(gòu);永磁同步電機取消了勵磁設(shè)備，從而也就去除了損耗高、故障率高的電刷和滑環(huán)等裝置，因而運行可靠。永磁同步電機的優(yōu)點是：調(diào)速范圍寬、功率密度高、效率高、功率因數(shù)高。但是，由于永磁同步電機需要在轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，因而造價較高，使用不當(dāng)容易造成永磁體退磁消磁，同時，也造成轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不如鼠籠型感應(yīng)電機和磁阻電機堅固耐用。永磁同步電機在飛輪儲能系統(tǒng)中也很常用，尤其是在高速飛輪儲能系統(tǒng)當(dāng)中。永磁同步電機控制器是由全控器件組成的，三相橋式電路如圖3所示。它可以作為雙向PWM變流器運行，從而滿足飛輪控制器要實現(xiàn)能量雙向流動的功能要求。在儲能階段，飛輪控制器運行于逆變狀態(tài)，將直流電變換為變壓變頻的交流電來驅(qū)動永磁同步電機加速旋轉(zhuǎn)；在釋能階段，飛輪控制器運行在PWM整流狀態(tài)，將永磁同步電機發(fā)出的變壓變頻的交流電整流成電壓恒定的直流電輸出。永磁同步電機常用的控制策略有直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子靜止坐標(biāo)系中對電機定子磁鏈和電機轉(zhuǎn)矩實施獨立控制，它通過查詢電壓矢量表，從而在適當(dāng)?shù)臅r刻選擇合適的電壓空間矢量來實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩近似解耦的控制效果;矢量控制技術(shù)是通過坐標(biāo)變換，將定子三相靜止坐標(biāo)系下的三相交流電流變換成按照轉(zhuǎn)子磁場定向的與轉(zhuǎn)子磁場同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩個直流分量——勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，分別控制大小，使得同步電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)解耦控制，根據(jù)不同的控制目標(biāo)，變換組合，達到需要的電磁轉(zhuǎn)矩。目前常用的矢量控制策略有以下幾種：定子電流勵磁分量為零控制、定子電流最小控制、單位功率因數(shù)控制、恒磁鏈控制、復(fù)合控制等。直接轉(zhuǎn)矩控制具有動態(tài)反應(yīng)迅速的優(yōu)點，但是存在較大的脈動；矢量控制技術(shù)較為成熟，穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能佳，應(yīng)用更為廣泛，在永磁同步電機驅(qū)動的飛輪儲能系統(tǒng)中多采用矢量控制。文獻［12］采用的永磁同步電機為400kW，工作轉(zhuǎn)速為1800~3600r/min，儲能5kW?h。在飛輪儲能階段，采用恒轉(zhuǎn)矩和恒功率的復(fù)合控制方式；在釋能階段，采用綜合弱磁控制方式?；谑噶靠刂频娘w輪儲能系統(tǒng)控制框圖如圖4、圖5所示，在飛輪儲能（充電）過程中，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制（圖4）;在飛輪釋能（放電）過程中，采用直流電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制（圖5）。異步電機（也稱感應(yīng)電機）應(yīng)用廣泛、制造技術(shù)成熟、堅固耐用、維護工作量小、制造成本低，但是電機效率低、功率因數(shù)低、發(fā)電時需要從外界吸收無功功率。因此，異步電機一般應(yīng)用于低速大容量的飛輪儲能系統(tǒng)中。異步電機通常采用矢量控制技術(shù)，通過它實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)的充放電控制。飛輪控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，是由兩個背靠背的三相全橋電路組成的控制器。網(wǎng)側(cè)全橋電路通過電感與電網(wǎng)相連，對無功功率進行控制；機側(cè)全橋電路與感應(yīng)電機相連，實現(xiàn)對異步電機的矢量控制。異步電機矢量控制技術(shù)是通過坐標(biāo)變換，將定子三相靜止坐標(biāo)系下的三相交流電流變換成按轉(zhuǎn)子磁場、氣隙磁場或定子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩個直流分量——勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，分別控制大小使得電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)解耦控制，獲得需要的電磁轉(zhuǎn)矩。文獻［13］中的飛輪儲能系統(tǒng)，鼠籠式異步電機的額定功率為45kW，飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為60kg?m2，容量為12MJ,工作轉(zhuǎn)速為3000~5000r/min。開關(guān)磁阻電機的基本原理是：磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，由磁場扭曲而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。基本結(jié)構(gòu)如圖7所示，當(dāng)定子DD’磁極勵磁時，所產(chǎn)生的磁力力圖使轉(zhuǎn)子的極軸線11’旋轉(zhuǎn)到與定子極軸線DD’相重合的位置。若以圖7中定轉(zhuǎn)子所處的相對位置為起始位置，依次給D、A、B、C相定子繞組通電、斷電，轉(zhuǎn)子就會以逆時針方向旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給C、B、A、D相通電、斷電，則電機就會沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。開關(guān)磁阻電機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固、耐高溫、成本低、工作可靠及效率高等優(yōu)點，且其定子僅有集中繞組，轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成，無線圈和永磁體，適合于高速及超高速運行［14］。但開關(guān)磁阻電機這種特殊的結(jié)構(gòu)也帶來了一些缺點，如轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲大，且運行必須依靠傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置信號，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。開關(guān)磁阻電機可控制的參數(shù)有定子電壓、開通角和關(guān)斷角。根據(jù)改變控制參數(shù)的方式，開關(guān)磁阻電機有三種控制模式，即角度位置控制（APC）、電流斬波控制（CCC）與電壓控制（VC）。其中，APC是電壓保持不變，通過改變開關(guān)角與關(guān)斷角調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，適用于高速區(qū)，但對于每一個由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩確定的運行點，開通角與關(guān)斷角有多種組合，每一種組合對應(yīng)不同的性能，具體操作很復(fù)雜，且很難得到滿意的性能；CCC實際上是調(diào)節(jié)電壓的有效利用值，與APC相似，它也可以隨轉(zhuǎn)速、負載要求調(diào)節(jié)開關(guān)角；VC是在固定的開關(guān)角的條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓控制電機轉(zhuǎn)速［15］。文獻［14］就開關(guān)磁阻電機在飛輪儲能系統(tǒng)當(dāng)中的運用進行了探索，其采用如圖8所示的不對稱型半橋功率變換器作為開關(guān)磁阻電機控制器。其控制策略是：在飛輪儲能階段，當(dāng)電機低速運行時，采用電流斬波控制（CCC）方式，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制;當(dāng)電機高速運行時，采用角度位置控制（APC）方式，通過固定關(guān)斷角、控制導(dǎo)通角來間接控制電流脈動的大小和相對位置，控制各相繞組的導(dǎo)通位置和導(dǎo)通期長短實現(xiàn)恒功率控制。在飛輪釋能階段，將關(guān)斷角固定在一個優(yōu)化值上，通過調(diào)節(jié)開通角來控制輸出功率和穩(wěn)定輸出電壓，實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)發(fā)電狀態(tài)下的恒壓輸出。文獻［14］對所提出的采用開關(guān)磁阻電機的飛輪儲能系統(tǒng)進行了仿真和實驗驗證。實驗所采用的系統(tǒng)容量只有4kW，轉(zhuǎn)速達到2500r/min，而且也沒有對飛輪儲能系統(tǒng)的性能進行進一步測試，因此還需要更深入的研究。通過對常用的4種飛輪儲能電機性能的對比研究可以得到如表1所示的結(jié)果。由表1可知永磁同步電機和永磁無刷直流電機由于采用永磁體勵磁，效率和功率密度高，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不如異步電機和開關(guān)磁阻電機堅固，而且成本較高。永磁無刷直流電機與永磁同步電機相比，永磁無刷直流電機控制性能接近于直流電機，控制簡單，但由于永磁無刷直流電機的反電勢為梯形波，換向時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，所以永磁無刷直流電機不如永磁同步電機運行平穩(wěn)。開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子上既沒有繞組又沒有永磁體，在高速運行條件下受離心力影響較小。異步電機制造技術(shù)成熟，鼠籠型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)堅固，而且容量較大，但轉(zhuǎn)差功率的存在造成其效率比較低，所以一般用在低速大容量飛輪儲能系統(tǒng)當(dāng)中。在發(fā)電狀態(tài)下，異步電機和開關(guān)磁阻電機都需要外界提供勵磁，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性[16]。飛輪儲能系統(tǒng)中電機及其控制器是系統(tǒng)的重要組成部分，能量的儲存和釋放都要飛輪電機在控制器的控制下實現(xiàn)，飛輪電機及其控制器對飛輪儲能系統(tǒng)的性能具有直接影響。目前所采用的感應(yīng)電機、永磁無刷直流電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機都各有優(yōu)缺點。永磁同步電機和永磁無刷直流電機效率高、控制方便，但制造成本較高，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不如感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機堅固耐用，感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機都具有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)堅固耐用的優(yōu)點，但感應(yīng)電機效率較低，通常用于低速飛輪，開關(guān)磁阻電機目前的應(yīng)用還不是很多，還需要進一步研究。因此，需要結(jié)合飛輪儲能系統(tǒng)要求的高轉(zhuǎn)速、高效率、高功率密度等特點，研究和改進相應(yīng)的飛輪電機及其控制器性能，為大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。SebastianR,PenaAlzolaR.Flywheelenergystoragesystems:Reviewandsimulationforisolatedwindpowersystem[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2012,16（9）:6803-6813.TangShuangqing（湯雙清），YangJiajun（楊家軍），LiaoDaoxun（廖道訓(xùn)）.Summarizationofresearchonflywheelenergystoragesystem[J].JournalofChinaThreeGorgesUniversity:NaturalSciences（三峽大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版），2002,24（1）:78-82.LiChong（李翀），WangShiyang（王詩陽），ZhaoJinlong（趙金龍）.Flywheelbasedenergystoragesystemsandtheirengineeringapplications[J].EnergyStorageScienceandTechnology（儲能科學(xué)與技術(shù)），2013,2（3）:276-280.WeiHaigang（衛(wèi)海崗），DaiXingjian（戴興建），ZhangLong（張龍），etal.Recentadvancesinflywheelenergystoragesystem[J].ActaEnergiaeSolarisSinica（太陽能學(xué)報），2002,23（6）:748-753.ZhangQiushuang（張秋爽）.Researchonthecontrolstrategiesoftheflywheelenergystoragesystem[D].Beijing:BeijingJiaotongUniversity，2012.YiF，HeyunL，JianhuY，etal.AnovelcontrolstrategyforBLDCMappliedinflywheelenergystoragesystembasedonunipolarandbipolarcontrol[C]//7thIETInternationalConferenceonPowerElectronics,Machines&Drives，Manchester，2014.JibinZ，KaiL，JianhuiH，etal.Amodifiedc-dumpconverterforBLDCmachineusedinaflywheelenergystoragesystem[J].Magnetics，2011，47（10）：4175-4178.CardenasR，PenaR，perezM，etal.Powersmoothingusingaflywheeldrivenbyaswitchedreluctancemachine[J].IndustrialElectronics，2006，53（4）：1086-1093.TanZhen（談?wù)穑?Researchondrivecontrolsystemforflywheelenergystorage[D].Tianjin:TianjinUniversity，2012.HuangYuqi（黃宇淇）.基于飛輪儲能技術(shù)的綠色不間斷電源的研究[D].Beijing:TsinghuaUniversity，2008.StrasikM，JohnsonPE，DayAC，etal.Design,fabrication,andtestofa5kW-h/100kWflywheelenergystorageutilizingahigh-temperaturesuperconductingbearing[J].AppliedSuperconductivity,2007,17（2）:2133-213