飛輪儲能系統用電動/發電機的研究

張廣明，張 龍，梅 磊，季文娟

(南京工業大學，江蘇南京211816)

0引 言

飛輪儲能技術是一種新型的純機電儲能技術。相對于傳統的儲能方式，它具有以下突出的優點:儲能密度高;瞬時功率大;充電時間較短;使用壽命長;無過充、過放問題;對環境友好等。這些優點使它能夠在電網調峰、電動汽車、不間斷供電備用電源(UPS)、航空航天等方面都獲得了成功的應用。進入21世紀后，環保節能的呼聲越來越高，新型飛輪儲能技術勢必得到快速發展。

軸系摩擦、風損、飛輪邊緣轉速和能量轉換控制等問題一直困擾著飛輪儲能系統的研究者。隨著現代電力電子技術、電動/發電機技術、磁懸浮技術和新材料技術的發展，飛輪儲能技術取得了突破性的進展。作為飛輪儲能系統能量轉換的核心，飛輪儲能電機的正確選擇對提高飛輪儲能系統的性能具有非常重要的意義。

1飛輪儲能裝置及對電機的性能要求

飛輪儲能系統主要包括三部分:儲能的轉子系統，支撐轉子的軸承系統以及轉換能量和功率的電動/發電機系統。此外，還需要電力電子裝置調節飛輪轉速，有些還包含了真空室、控制系統、外殼等，飛輪儲能裝置基本結構如圖1所示。

圖1 飛輪儲能裝置基本結構示意圖

圖中，飛輪直接與電動/發電機同軸相連，其工作原理為:當系統處于儲能工作狀態時，由電網提供的電能驅動電機運行，電機拖動飛輪轉動，電能以機械能的形式儲存在高速飛輪中，此時電機處于電動狀態。當系統處于釋能工作狀態時，高速飛輪給電機施加轉矩，經電力電子裝置給負載供電，從而完成機械能到電能的轉換過程，此時電機作為發電機運行。

從電機本身來看，有刷直流電機、永磁無刷電機、異步電機、三級式電勵磁同步電機、開關磁阻電機和雙凸極電機均可用作飛輪儲能電機。但是，在飛輪儲能系統中，作為電能與機械能之間的能量轉換核心部件，電機的選擇直接決定了整個飛輪儲能系統性能的優劣。飛輪儲能電機要滿足以下的性能要求［1］:(1)既可運行于電動狀態又可于發電狀態;(2)高速運行;(3)速度變化范圍大且調速性能好;(4)穩定使用壽命長;(5)空載損耗低、運行效率高;(6)輸出轉矩和輸出功率大;(7)造價低、結構簡單、運行可靠、維護簡單。

根據上述性能要求，用作飛輪儲能電動/發電機主要有三種:異步電機、開關磁阻電機和永磁無刷直流電機。

2常用的飛輪儲能電機

2．1 異步電機

異步電機，又稱感應電機，與傳統的直流電機相比，它具有高效率、高能量密度、結構簡單、運行可靠、成本低、易于維護等優點，常被用作電動/發電機，目前使用廣泛的是三相籠型異步電機。

異步電機起動時，要求起動時間不可太長，起動電流不可太大。文獻［2］在異步電機直接轉矩控制技術的基礎上，提出了兩種起動方法:磁鏈優先法和斜坡函數法。通過比較結果表明:磁鏈優先法適合于起動過程快速的場合，斜坡函數法適用于起動電流小和起動過程平穩的場合。文獻［3］針對起動電流大和起動轉矩小的問題，采取了一種新型預勵磁復合控制方案，保證了起動過程無尖峰電流出現且輸出轉矩響應快。

當作為發電機運行時，感應發電機需要在定子處并聯電容器。在空載情況下，用高速飛輪帶動轉子旋轉，使轉子的剩磁磁場“切割”定子繞組產生剩磁電動勢，并聯電容電流在定子繞組中產生與剩磁方向一致的增磁性定子磁場，增強了氣隙磁場，最終輸出足夠高的有功功率。文獻［4］介紹了異步起動/發電系統中的三個關鍵技術:發電狀態下瞬時轉矩控制技術、寬轉速范圍內恒壓電功率技術和起動/發電狀態下綜合控制技術。但是，轉速不高、電機重量和轉子轉差損耗大都是異步電機的缺點，也是選擇異步電機作為飛輪儲能電機時需要考慮的問題。

2．2開關磁阻電機

英國Leeds大學P．J．Lawrenson等人在20世紀90年代發表了題為《變速開關型磁阻電動機》的論文，至此開關磁阻電機逐漸成為研究的熱點也越來越受到電動汽車、航空系統等領域的青睞。

雙凸極結構開關磁阻電機的定、轉子的凸極均由普通硅鋼片或其它導磁材料疊壓而成。定子有集中繞組，轉子無繞組但裝有位置傳感器。三相以下的開關磁阻電機無自起動能力，所以一般都使用三相及以上結構的電機，并且其定、轉子的極數也有多種不同的搭配，目前比較常見有四相8/6結構、三相6/4結構以及三相12/8結構。文獻［5］比較了相數不同的開關磁阻電機的起動性能，得出了相數越大，電機的最小起動轉矩會有所提高，負載能力會增大而波動會降低。圖2為三相6/4結構的開關磁阻電機的結構原理圖。

圖2 三相6/4結構開關磁阻電機結構原理圖

開關磁阻電機的工作原理是:當定子某相繞組單獨通電時，相繞組產生作用于轉子的磁場，磁通沿著磁阻最小的路徑是閉合的，產生的轉子切向磁拉力迫使轉子極與臨近定子極軸線重合，從而使轉子轉動。由于開關磁阻電機的轉動方向總是與磁場軸線移動方向相反，控制定子繞組的導通順序就可以產生連續轉矩來維持電機順時針或逆時針運轉［6］。

當由電動狀態變為發電狀態時，需要勵磁，最終獲得足夠高的電動勢，輸出足夠高的有功功率。如圖2所示，即當主開關器件S1、S2導通時，繞組從直流電源E吸收電能，而當S1、S2關斷時，繞組電流經續流二極管D1、D2繼續流通，并回饋給電源E。

相比較于其他電機，開關磁阻電機具有如下幾方面的優點:功率電路簡單可靠;容錯性好、可靠性高;可控參數多、調整性能好;起動轉矩高和起動電流低;在寬的轉速和轉矩范圍內能保持很高的效率和較小的功耗;可以方便地實現四象限運行。

2．3永磁無刷直流電機

在目前大量的一體化電動/發電機中，效率高、體積小、重量輕、起動調速性能良好、改造方便、功率密度高的永磁無刷直流電機受到眾多飛輪儲能系統設計者的關注和研究。在永磁無刷直流電機結構中，電樞繞組安放于定子鐵心中，永磁體固定在轉子上，常見的轉子結構類型有三種:表面粘貼式磁極、嵌入式磁極和環形磁極。與有刷直流電機相比，永磁無刷直流電機用轉子位置傳感器來檢測永磁磁極的位置。

飛輪儲能系統儲能時，電機相當于永磁無刷直流電動機，主要控制方式為“二相導通星形三相六狀態”(即120°導通控制)，圖3是無刷直流電動機運行原理圖，3個繞組呈星形連接［7］。可見，通過轉子位置傳感器獲得信號，轉子位置每變化60°的電角度換相一次，每一功率管導通120°電角度，各功率 管 導 通 順 序 是:T1T6—T6T2—T2T4—T4T3—T3T5—T5T1—T1T6……，這樣可以使定子磁場和轉子永磁磁場始終保持90°左右的空間角。

圖3 永磁無刷直流電動機運行原理圖

當通過控制線路的切換進入釋能狀態時，電機相當于永磁同步發電機，根據電機的轉子位置信號，將功率主電路上半橋的功率開關管全部關閉，而下半橋的功率開關管分別按一定規律進行PWM控制。文獻［8］針對發電過程中發出的電壓隨飛輪轉速的下降而降低，提出了電機能量回饋升壓控制方案對輸出電壓進行有效控制。

無刷直流電機的反電動勢波形一般為梯形波，但在實際應用中，由于各種不同的因素，電機的反電動勢波形更接近正弦波。文獻［9］針對具有正弦波反電勢或平頂寬度小于一定數值的梯形波反電勢的無刷直流電機，通過三相Hall轉子位置傳感器采樣六個離散位置，進行SVPWM方法自同步控制。該方法可有效減小電機的轉矩脈動、降低電機的運行噪聲。目前，國內外許多學者都選擇永磁無刷直流電動機作為飛輪儲能電機而進行研究。

2．4 其他電機

雙凸極電機是由開關磁阻電機衍生而來的一種新型電機，其結構與開關磁阻電機相似。該電機利用永磁體或勵磁繞組產生勵磁磁場，在電機旋轉過程中，定子凸極齒上相繞組的磁鏈發生變化感應出電勢，其控制方式和輸出特性都類似于無刷直流電動機。根據勵磁方式的不同，可以劃分為電勵磁、自勵磁和混合勵磁。

除了常見的電機之外，一些特殊結構的電機也能用于飛輪儲能電機的研究，例如轉子沒有繞組而定子裝有主繞組和勵磁繞組或永久磁鐵的單極電機［10］、將徑向與切向陣列結合在一起的Halbach電機［11］、采用永久磁鋼激磁的盤式電機(軸向磁場電機)［12］等。此外，還有 Halbach陣列及盤式無鐵心結構的永磁類電機、盤式結構的單極電機、專為飛輪儲能系統設計的印刷電路電機等。

3飛輪儲能電機的比較

通過分析這些電機的實際特性，得到了表1所示的結果。

表1 不同飛輪儲能電機特性的比較

由表1可知，無刷直流電機、開關磁阻電機和雙凸極電機結構簡單，易于循環控制，無刷直流電機的功率密度和輸出轉矩比較高。開關磁阻電機和雙凸極電機的運轉速度非常快，但轉矩波動和噪聲、運行速度范圍都是其要解決的問題。在發電模式下，異步電機、開關磁阻電機和雙凸極電機需要剩磁或增加激磁電路，增加了系統的復雜性。空載運行方面，異步電機和無刷直流電機的性能都優于其他兩種［13］。

4展望和結語

隨著飛輪儲能技術的廣泛應用，飛輪儲能電機的研究也越來越多。未來飛輪儲能電機的研究方向及熱點有以下幾點:

(1)目前，對電機的效率和損耗的研究還不深入。采用無齒槽、外轉子、Halbach磁場轉子或無鐵心等結構的電機，其性能會達到人們期望的目標。通過電機本體結構的研究來提高效率和降低損耗將是未來的發展方向之一。

(2)隨著電機結構的日漸完善，更多的研究集中在控制技術上。結合目前電機控制方面先進控制方法與思想，提出新的控制方案并進行全數字化控制將是以后的研究熱點。

(3)電機轉速越高，飛輪儲能儲存密度越高，但安全和噪聲等方面問題也隨之產生，運行可靠、噪聲低和維護方便將是以后研究需要考慮的問題。

本文介紹了幾種常用的飛輪儲能電機，并進行了詳細比較，為今后的飛輪儲能電機的選擇提供了有價值的參考。

［1］ 尹建閣，湯雙清，曾東．飛輪儲能系統用集成式電動/發電機分析研究［J］．裝備制造技術，2009(1):36-38．

［2］ 武德祥，張愛玲，徐連丙，等．異步電機直接轉矩控制系統起動方法的研究［J］．太原理工大學學報，2010，41(4):433-435．

［3］ 耿士廣，胡 安，馬偉明，等．矢量控制感應電機起動機理及直流預勵磁研究［J］．電工技術學報，2011，26(3):29-35．

［4］ 胡育文，黃文新，張蘭紅．異步電機起動/發電系統的研究［J］．電工技術學報，2006，21(5):9-11．

［5］ 劉強，全力，蘇寶平，等．汽車起動/發電系統用開關磁阻電機起動性能分析［J］．微電機，2005，38(2):16-18．

［6］ 王素杰，楊岳峰，張奕黃．開關磁阻牽引電機的起動控制［J］．電機與控制應用，2007，34(10):51-54．

［7］ 李悅溪，王萌，祝長生．飛輪儲能系統用無刷直流電機驅動系統的設計［J］．機電工程，2010，27(10):68-71．

［8］ 劉麗影，李雪松，張建成．飛輪儲能系統發電運行控制技術的研究［J］．華北電力技術，2007(9):8-10．

［9］ 馬瑞卿，鄧鈞君．基于Hall位置傳感器的BLDCM正弦波驅動性能研究［J］．微電機，2011，44(7):59-61．

［10］ Tsao P，Senesky M，Sanders S．A Synchronous homopolar machine for high-speed applications［C］//37th IAS annual meeting，Conference Record of the 2002 IEEE．2002:406-416．

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［12］ Nagaya S，Kashima N，Kawashima H，et al．Development of the axial gap type motor/generator for the flywheel with superconducting magnetic bearings［J］．Physica C，2003，392:764-768．

［13］ 李百華，王時龍，李雪冰．一體式起動發電機系統電機的應用比較［J］．機械研究與應用，2009(3):56-58．