飛輪電池電氣控制部分的研究

徐春雷，李晶晶，潘 梅

（1.國(guó)網(wǎng)阿克蘇供電公司，新疆阿克蘇843000；2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海西寧810000）

1 引言

飛輪儲(chǔ)能作為新興的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，它的核心部分是電力變換器，其主要作用就是對(duì)飛輪電機(jī)進(jìn)行控制以及實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，因此對(duì)電力變換器的研究是飛輪儲(chǔ)能研究的重中之重，這涉及到下列章節(jié)對(duì)電力變換器的電路拓?fù)浜涂刂品椒ǖ难芯浚?］。

2 飛輪電池電力變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理分析

目前，國(guó)內(nèi)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)采用的是方波驅(qū)動(dòng)的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，根據(jù)變頻調(diào)速的基本原理和逆變器的結(jié)構(gòu)組成來(lái)設(shè)計(jì)出本文的電力變換器電路拓?fù)鋱D，主要包括兩大部分：電機(jī)驅(qū)動(dòng)的交/直/交變換器和保證電能穩(wěn)定輸出的交/直/交變換器部分[3-5]。

2.1 飛輪電池電力變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電力變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，整個(gè)電路由整流、濾波、逆變?nèi)蟛糠謽?gòu)成。為了方便檢測(cè)母線電流和調(diào)節(jié)母線電壓，在逆變電路部分采用功率場(chǎng)效應(yīng)管搭建三相橋式逆變電路。

圖1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電力變換器主電路拓?fù)?/p>

2.2 飛輪電池電力變換器的工作原理分析

2.2.1 儲(chǔ)能部分電力變換器電路分析

圖2 充電部分電力變換器主電路圖

如圖2所示為充電部分電力變換器主電路圖，該充電部分電路主要用于飛輪系統(tǒng)充電模式下的控制，其工作過(guò)程可看作一個(gè)三級(jí)的變換環(huán)節(jié)（AC-DC、DC-DC、DC-AC）。第一部分為整流環(huán)節(jié)，由三相不可控整流橋和穩(wěn)壓電容C1將輸入的交流電整流成穩(wěn)定的直流電；第二級(jí)是斬波環(huán)節(jié)，采用Buck電路降壓斬波電路，目的是實(shí)現(xiàn)母線電壓的調(diào)整以適合第三級(jí)所需要的直流電壓；第三環(huán)節(jié)為逆變環(huán)節(jié)，采用三相橋式PWM型逆變電路將上一環(huán)節(jié)提供的直流電壓，轉(zhuǎn)換成方波驅(qū)動(dòng)電壓以驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速運(yùn)行。

圖3 放電部分電力變換器主電路

2.2.2 放電部分電力變換器電路分析

如圖3所示為放電部分電力變換器主電路，該部分同樣也由三級(jí)組成（AC-DC、DC-DC、DC-AC）。當(dāng)飛輪系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)工作并發(fā)電，輸出的電壓為整流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的輸入部分，該環(huán)節(jié)主要由與S1-S6反并聯(lián)的超快回復(fù)二極管D1-D6和穩(wěn)壓電容C2組成；隨著能量的持續(xù)輸出，飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降，導(dǎo)致該整流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)輸出的直流電壓也不斷下降，因此需要升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)作用，以得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，為逆變輸出環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備；逆變輸出環(huán)節(jié)將中間升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)得到的直流電壓逆變成負(fù)載所需交流電供其使用，在這里僅選取單相交流輸出電壓作為研究，單相逆變橋由S7-S10（包括D7-D10）組成。然而當(dāng)需要輸出為三相交流電或者其他形式的交流電時(shí)，逆變部分需要采用三相逆變器或其他形式的逆變器。

3 飛輪電機(jī)的控制

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作方式分為三種：充電、放電、保持，因此對(duì)飛輪電機(jī)的控制也分為三個(gè)階段［6－7］。

3.1 充電模式的控制

該階段需要電力變換器來(lái)驅(qū)動(dòng)飛輪電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，將電能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)子的機(jī)械能存儲(chǔ)起來(lái)。在該階段中采用恒定功率與恒定轉(zhuǎn)矩相混合的方式。如圖4（a）所示為在混合控制方式下電機(jī)的輸出特性曲線圖，圖4（b）為電機(jī)升速曲線和繞組電流曲線圖。電機(jī)的最大輸入功率為Pmax，最高轉(zhuǎn)速為ωmax，承受的最大轉(zhuǎn)矩為T(mén)max。令電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的一半值作為基速，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)由靜止開(kāi)始加速，經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段升到最高轉(zhuǎn)速：當(dāng)轉(zhuǎn)速小于基速時(shí)，采用恒轉(zhuǎn)矩的方法運(yùn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于基速時(shí)，采用恒功率的方法運(yùn)行。

圖4 曲線及波形圖

3.2 放電模式控制

放電過(guò)程是將飛輪存儲(chǔ)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，是減速釋能的過(guò)程，由電網(wǎng)側(cè)變流器變換后饋送到電網(wǎng)上。在放電過(guò)程中,電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)側(cè)變流器根據(jù)控制器的功率指令，控制電機(jī)輸出能量。由于要將能量傳送給電網(wǎng)側(cè)直流母線，需要電機(jī)側(cè)變流器輸出的電壓必須稍高于母線側(cè)的電壓，因此用到一個(gè)BOOST升壓電路來(lái)提高其輸出電壓的值。

3.3 保持模式控制

圖5 飛輪儲(chǔ)能與電力變換器間工作模式關(guān)系圖

保持模式就是將飛輪系統(tǒng)現(xiàn)有的機(jī)械能儲(chǔ)存起來(lái)，沒(méi)有能量的流動(dòng)，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，損耗最小。

綜合上述三種不同的工作模式，也就決定了電力變換器必須要實(shí)現(xiàn)的功能，如圖5所示為飛輪系統(tǒng)與電力變換器間工作模式的關(guān)系圖，圖6為電力變換器總體方案結(jié)構(gòu)框圖。

圖6 電力變換器總體方案結(jié)構(gòu)框圖

4 電力變換器主電路部分仿真［8］

4.1 儲(chǔ)能部分

圖7 波形圖

在Matlab仿真平臺(tái)上搭建該電力變換器仿真模型圖，其輸入電源為三相交流電壓220V，頻率50Hz，得到如圖7（a）所示整流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)電壓波形圖，幅值為535V，如圖7（b）所示為母線調(diào)壓環(huán)節(jié)電壓波形圖，經(jīng)斬波電路降壓后穩(wěn)定在310V-320V之間。如圖8（a）、（b）所示分別為電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)Uab、Uac、Ubc的電壓波形和電機(jī)A相繞組的電流Ⅰa波形圖。

圖8 波形圖

4.2 釋能部分（即放電部分）

本研究采用盡可能采取符合飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)放電過(guò)程的方法，設(shè)定永磁的初始速度為6000r/min,電機(jī)的具體參數(shù)與充電模型中的參數(shù)相同。如圖9（a）為放電過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線，圖9（b）為放電過(guò)程中采取升壓環(huán)節(jié)作用下的電壓輸出波形。

圖9 變化曲線及波形圖

由圖9（a）和9（b）可知，隨著飛輪速度的逐漸下降，單電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到40%左右時(shí)，放電深度達(dá)到70%左右。經(jīng)過(guò)BOOST的升壓作用下，輸出單相逆變器輸出的直流電壓穩(wěn)定在250V，且電壓的紋波較小，仿真結(jié)果顯示良好。

5 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的飛輪電池的電力變換器的性能，在實(shí)驗(yàn)室作如下實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置采用一個(gè)永磁方波直流無(wú)刷電機(jī)與磁懸浮飛輪裝置組裝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別完成降速和升速實(shí)驗(yàn)。如圖10所示為搭建的磁懸浮飛輪實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要測(cè)試飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中電力變換器的性能和飛輪系統(tǒng)在儲(chǔ)存及釋放能量時(shí)母線電壓的變化情況。圖11為本實(shí)驗(yàn)采用的飛輪儲(chǔ)能控制驅(qū)動(dòng)器及飛輪電機(jī)，其中包括TMS320LF2407A DSP控制系統(tǒng)和電力變換器。由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)條件有限，沒(méi)有真空實(shí)驗(yàn)裝置，僅做了靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡，并未設(shè)真空實(shí)驗(yàn)裝置。

圖10 磁懸浮飛輪實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖11 飛輪儲(chǔ)能控制及驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)

5.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的升速實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的飛輪電機(jī)為一個(gè)12極36槽的無(wú)鐵芯永磁方波直流電機(jī)，P=2.2kW，r=6000rpm，U=300V，Ⅰ=9.2A，扭力F=3.5N·m，防護(hù)等級(jí)IP54。飛輪轉(zhuǎn)子直徑D=0.6m，飛輪慣量為0.03415kg·m2。飛輪的升速過(guò)程大約持續(xù)80s，飛輪轉(zhuǎn)子加速上升至6000rpm。如圖12所示為飛輪加速過(guò)程中采集到的Sr以及上、下橋臂S1、S4的PWM控制信號(hào)。其中圖12（a）為Sr的控制信號(hào)圖，占空比D=70%。圖12（b）為S1、S4的控制信號(hào)圖?？梢钥闯?，飛輪在加速時(shí)，基本實(shí)現(xiàn)了PWM的控制以及調(diào)壓功能。

圖12 信號(hào)圖

飛輪加速20s內(nèi)采集到的飛輪轉(zhuǎn)速的波形和母線電壓波形如圖13所示。圖13（a）為飛輪加速上升時(shí)的波形，每格（200mV）表示有1000轉(zhuǎn)，即飛輪的轉(zhuǎn)速在此段時(shí)間內(nèi)由2200轉(zhuǎn)上升至3350轉(zhuǎn)；圖13（b）為母線電壓的上升波形曲線，可以看出此時(shí)呈直線穩(wěn)定增加。總之，電機(jī)加速的曲線和母線電壓上升的曲線都相對(duì)穩(wěn)定，并與仿真結(jié)果相照應(yīng)，實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。

圖13 曲線圖

如圖14為飛輪升速時(shí)采集的母線電流和電機(jī)相電流的波形比較圖。其中圖14（a）為采樣幾個(gè)周期內(nèi)母線電流及電機(jī)相電流波形；圖14（b）為采集20s內(nèi)母線電流和相電流的波形?？梢钥闯瞿妇€電流和相電流幅值都比較穩(wěn)定，表示飛輪升速過(guò)程較穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖14 波形圖

5.2 放電實(shí)驗(yàn)

設(shè)定飛輪系統(tǒng)達(dá)到6000rpm就開(kāi)始放電實(shí)驗(yàn)，逆變輸出單相正弦波的峰-峰值為120V。實(shí)驗(yàn)的輸出端設(shè)置為一只功率30W大功率燈泡作為實(shí)驗(yàn)負(fù)載。將飛輪加速至6000rpm時(shí)，切換到放電模式；當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速降至2500rpm時(shí)，停止放電實(shí)驗(yàn)，放電時(shí)間約為150s。試驗(yàn)中采集到的BOOST升壓電路的輸出電壓波形如圖15所示，可見(jiàn)輸出電壓120V保持在。

圖15 BOOST升壓電路輸出的電壓波形圖

圖16 單相逆變器輸出的電壓波形圖

圖16所示為單相逆變器輸出的電壓波形。圖中上部分為單相逆變橋輸出波形，單峰值為60V，頻率50Hz的脈沖序列；圖中下部分為濾波后輸出的正弦電壓波形，峰-峰值約120V、頻率50Hz的電壓，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)論

本文分析了飛輪電池的三種工作模式以及各種模式和電力變換器的關(guān)系，設(shè)計(jì)出電力變換器的總電路拓?fù)洌⑻岢隽嗽撟儞Q器的控制方案。通過(guò)Simulink仿真得到的電力變換器在加速儲(chǔ)能和減速釋能時(shí)的部分波形圖和實(shí)驗(yàn)得出的波形數(shù)據(jù)證明本文設(shè)計(jì)的電力變換電路及控制方法不僅可以實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)平穩(wěn)升速儲(chǔ)能，還能穩(wěn)定輸出電能，體現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的實(shí)用價(jià)值。

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