飛輪儲能系統驅動控制策略

陳亞愛，　陳煥玉，　周京華，　陳　成，　甘時霖

(1. 北方工業大學 電力電子與電氣傳動北京市工程中心，北京　100144;2. 北京京東方能源科技有限公司，北京　100015)

飛輪儲能系統驅動控制策略

陳亞愛1，陳煥玉1，周京華1，陳成2，甘時霖1

(1. 北方工業大學 電力電子與電氣傳動北京市工程中心，北京100144;2. 北京京東方能源科技有限公司，北京100015)

飛輪儲能系統是一種利用飛輪將電能與機械能互相轉換的儲能系統。其建設周期短、使用壽命長、環保無污染，目前在新能源、電動汽車、UPS供電系統等領域有應用實例。在介紹飛輪儲能系統組成及工作原理的基礎上，歸納總結了飛輪儲能系統電機充、放電控制策略分類、控制特點和適用場合。為飛輪儲能系統的研究與工程應用提供參考。

飛輪儲能系統； 充電； 放電； 控制策略

0　引　言

飛輪儲能系統不僅可提高新能源發電的電能利用率，在新能源發電系統中還可提高輸出電能質量。相比于其他儲能方式，飛輪儲能具有儲能密度高、放電功率大、充放電速度快、使用壽命長，以及對環境友好無污染等特點[1]，極具發展前途。目前已有研究者將其應用到了電動汽車[2]、風力發電[3]、UPS[4]等領域。

1　飛輪儲能系統的組成及工作原理

1.1飛輪儲能系統的組成

典型飛輪儲能系統結構如圖1所示，由電機、飛輪、軸承、真空室及電力電子變換器等組成。

圖1　飛輪儲能系統結構示意圖

由圖1可見，電機轉子和飛輪的旋轉體現了電能與機械能的互相轉換。其中，飛輪需具有較大慣性及抗應力、抗形變的能力，一般選用超強玻璃纖維(或碳纖維等)—環氧樹脂復合材料作為飛輪材料[5]。飛輪儲能系統的軸承起到支撐飛輪、維持其動平衡的作用。目前有電磁懸浮、永磁懸浮、機械軸承及超導磁懸浮4種類型。為降低阻力及避免事故，應將飛輪置于真空環境中。作為機電能量轉換的核心，要求電機可工作于電動、發電雙狀態，效率高且具有較高的運行速度，永磁同步電機是應用較多的電機。

1.2飛輪儲能系統的能量轉換原理

飛輪儲能系統的工作狀態包含升速儲能、減速釋能及能量保持。升速儲能控制時，飛輪儲能系統電機作為電動機運行，輸入電能。飛輪儲能系統主電路拓撲結構如圖2所示。儲能系統工作在升速儲能狀態時，能量經三相不控整流橋流向直流母線，為逆變器提供直流電壓，基于充電控制算法，經過三相逆變器逆變成電機升速的交流電。減速釋能狀態時，飛輪儲能系統電機作為三相發電機運行，應用整流技術對輸出的交流電進行整流，使輸出電壓維持在穩定水平，此時輸出的直流電可供給直流負載，也可經逆變后回饋電網。圖2中KT為繼電器，控制其開關狀態可防止能量保持狀態時電機向電網回饋能量。

圖2　飛輪儲能系統主電路拓撲結構

2　飛輪儲能系統驅動控制策略分類

目前國內外研究發表的飛輪儲能系統控制策略有多種，分類的方法不盡相同，從電力電子控制技術的角度考慮，對飛輪電機的充電及放電的控制策略進行分類，如圖3所示。由圖3可見，按能量流動方向可分為充電控制策略和放電控制策略，其中充電控制策略又分為傳統控制策略、模糊PID控制及神經網絡控制。對于放電控制策略可分為附加DC-DC斬波電路的閉環控制和利用電機能量回饋的控制。隨著控制理論的發展，基于DC-DC斬波電路的閉環控制除了傳統的PI雙閉環控制外，已出現基于非線性控制理論的飛輪儲能系統放電控制策略。

圖3　飛輪儲能系統控制策略分類示意圖

3　飛輪儲能系統充電控制策略

3.1傳統控制策略

傳統控制策略即在矢量控制的思想上，采取恒轉矩、恒功率的復合控制策略。依據控制目標不同，飛輪儲能系統有加速充電、減速放電和能量保持3種工作狀態，以保證能量在飛輪和電網間相互流動。飛輪旋轉時的動能可表示為

(1)

式中：J——旋轉體轉動慣量；

ω——旋轉角速度。

通常通過提高旋轉體的轉動慣量及最高轉速來增加系統儲能總量。文獻[5]中提到美國馬里蘭大學研制的20kW·h多層圓柱飛輪，重達172.8kg，最大轉速為46345r/min。這便要求控制系統采用復合控制策略。

由電力拖動系統的運動方程可知Te-TL∝dω/dt，其中Te和TL分別為電機電磁轉矩和負載轉矩。飛輪旋轉角加速度大小取決于電磁轉矩的大小。考慮到電機發熱問題，文獻[6]介紹了不以最大轉矩進行加減速，而是選擇額定轉矩進行加減速控制，保證了電機儲能單元的穩定運行。文獻[7-9]介紹了為使系統有較快的反應速度，讓電機盡快達到給定速度，采取低速時恒轉矩、高速時恒功率相結合的復合控制策略。恒轉矩控制與恒功率控制其儲能時間、功率關系分別為[7]

為明確各試樣調制系數隨電壓的增長速率，對特定激勵超聲頻率的各階模態調制系數曲線進行一元線性回歸分析，即根據若干實測點確定調制系數y與低頻電壓x的關系，回歸函數記為

(2)

式中：ωmax——電機最大角速度；

Tmax——最大電磁轉矩；

tP、tT、PP、PTmax——恒功率和恒轉矩控制模式下，電機加速到最大轉速所需的時間、功率。

當電機轉速低于額定轉速時采用恒轉矩控制，通常采用矢量控制理論中的id=0控制與最大轉矩電流比控制。文獻[10-11]對id=0控制與最大轉矩電流比控制進行了詳細的解釋。當電機運行在額定轉速以上時，需進行弱磁調速，應將電流調節器的輸出作為提前導通角度的給定來實現高速的恒功率運行[9]。

無刷直流電機拖動的飛輪儲能系統控制框圖如圖4所示[9]。圖4中給定轉矩Tref除以轉矩系數K后得到給定電流Iref，給定電流Iref與反饋相電流Iph相比較后，經PI調節器作為PWM的電壓給定。E(D)為占空比誤差信號，當電機轉速ω大于額定轉速ωN時，占空比D可大于Dmax，此時應啟用P調節器。無刷直流電機提前導通角θ最大可為60°。根據E(D)及導通角超前實現算法，并對轉子位置進行檢測，可計算出PWM波占空比，從而達到控制逆變器和無刷直流電機的目的。

圖4　飛輪儲能系統控制框圖

3.2模糊PID控制策略

圖5　模糊-PID混合控制框圖

飛輪儲能系統的結構復雜，具有很多不確定的參數，是一個非線性系統，需針對其特點進行特殊控制。文獻[2]、[12]對系統的充電及放電過程進行了建模，并應用模糊-PID混合控制的方法，控制框圖如圖5所示。轉速誤差e及轉速誤差的微分de/dt為模糊控制算法的輸入變量。由于模糊控制受系統非線性、不確定參數影響較小，故可應用在速度誤差較大的情況，即當轉速誤差e大于設定誤差e0時，系統處于動態過程，使用模糊控制來提升系統性能。當轉速誤差較小時，可使用PI調節器來消除靜態誤差，使飛輪轉速跟蹤給定。圖5中，模糊控制器是模糊控制系統的重要組成部分，模糊參數自整定PID控制器是模糊控制與傳統PID控制器的結合，利用模糊判斷的思想，根據不同偏差值及偏差變化率對參數KP、KI、KD進行整定[13]。

3.3人工神經網絡控制策略

與上述控制策略不同，人工神經網絡控制策略是一種基本上不依賴于模型的控制，可適用于飛輪儲能系統這類具有時變性、非線性的控制對象。由于誤差反傳神經算法(BP算法)克服了簡單感知機不能解決的異或和其他一些問題，所以BP模型已成為神經網絡的重要模型之一，并得以廣泛應用[13]。

文獻[16]將BP神經網絡控制應用于飛輪儲能系統中，選取電機轉速參考值、實際輸出值及誤差作為BP網絡的輸入。三層BP網絡結構如圖6所示，輸入層輸入系統的狀態量，輸出層輸出PID參數，ωij和ωli分別為隱含層和輸出層權系數。

圖6　BP神經網絡結構

文獻[17]對神經網絡算法進行了改進，引入二次型性能指標、控制增量加權平均(WA)改進算法及PSD算法，增加了系統的穩定性和抗干擾的能力，具有良好的動態性能。

4　飛輪儲能系統放電控制策略

4.1附加DC-DC斬波電路的閉環控制策略

飛輪處于減速釋能狀態時，電機作為發電機運行。隨著能量的釋放，轉速會逐漸下降，這將導致IGBT輸出端直流母線電壓的逐漸下降，因此必須通過DC-DC直流斬波電路來穩定IGBT輸出電壓。放電回路主要包括兩個部分： 整流電路和雙向DC-DC電路。其拓撲結構如圖7所示[18]。當電機運行于發電狀態時，能量將會從動能轉化為電能，通過逆變電路中的續流二極管構成的不可控整流橋和雙向DC-DC變換器流入到直流母線上，使母線電壓升高，維持于固定值。文獻[19]采用圖7所示拓撲結構實現了低壓、高壓兩個等級的電壓輸出，可分別向電池和牽引機供電。

圖7　整流電路和雙向DC-DC電路拓撲結構圖

文獻[18]中的DC-DC變換電路采用雙向升降壓設計，以滿足高速電機變壓驅動、穩壓恒速和降速時系統輸出端恒壓放電的需要。文獻[20]僅引入Boost電路，成本較低，結構簡單，便于控制。文獻[21-22]各提出一種新型DC-DC電路，與傳統的DC-DC電路相比，可適應寬的調壓范圍，實現大的功率容量，提高電路的適應能力。

圖8　電壓電流雙閉環控制原理圖

為保持飛輪儲能電源輸出電壓恒定，文獻[18]采用單周期電感平均電流雙閉環控制。電壓電流雙閉環控制原理圖如圖8所示。圖8中電壓反饋的作用是穩定輸出電壓，在輸出電壓或負載擾動情況下均能保持輸出電壓的穩定，并將其輸出作為PI調節器的給定，故電壓調節器的限幅值決定下一個PI控制器的最大輸出電流，電流環的作用是在穩態時跟隨電壓環，能夠快速響應外部擾動，可以防止放電時飛輪降速過快、電流過大、過度釋能的情況發生。

實際上，DC-DC變換電路是一個非線性電路，為進行更優的控制，已有研究者將非線性控制理論應用其中，試驗證明，系統具有更好的靜、動態性能。文獻[23]在電壓電流雙PI控制基礎上，提出飛輪儲能系統放電時雙環串級非線性控制；文獻[24]設計了基于滑模控制的飛輪電池放電穩壓系統；文獻[25]應用非線性系統的微分幾何理論，得到一種使Boost變換器控制系統漸進穩定的無源化控制率，并通過試驗證明當輸入波動較大時，系統仍具有良好的魯棒性。

4.2利用電機電感升壓斬波的控制策略

電機回饋制動方式是經濟高效的放電模式，采用該控制方式不需要增加任何電力電子器件。文獻[26-28]根據永磁無刷直流電機的轉子位置信號，按照一定的規則導通相應的功率開關管，使電機電流與反電動勢同相，產生制動轉矩，從而使電機回饋能量。在電機能量回饋過程中，利用電機電感的升壓原理，在一個PWM周期內，通過改變功率開關管的占空比，就可以輸出恒定的直流電壓[28]，這就是利用電機電感斬波的控制策略。

文獻[26]詳細介紹了無刷直流電機回饋制動半橋調制策略，針對半橋調制策略存在的功率器件發熱不均、轉矩脈動的問題，提出了一種新型調制策略，且將之應用于高速飛輪儲能系統，明顯改善相電流波形，顯著減小電機的轉矩脈動。

文獻[29]使用永磁同步電機，通過控制交軸電流與電機反電動勢反相，定子電流矢量在第Ⅲ象限，此時電機相電壓小于反電動勢，定子電流由高電勢流出，實現飛輪機械能向電能的轉換。

5　結　語

目前，飛輪儲能系統電機充電控制的主流仍是采用傳統控制策略即矢量控制，應用矢量控制的永磁同步電機技術的發展較為成熟，控制結果也令人滿意。由于成本及可靠性的要求，故無速度傳感器的電機控制技術發展較為迅速，在飛輪儲能系統中體現得較為明顯。模糊控制及神經網絡控制的實現較為困難，因其算法復雜，對芯片處理速度要求較高，且不易實現，仍需進一步完善。

本文在對當前國內外研究成果進行分析和歸納基礎上，總結了飛輪儲能系統控制策略不同原理和特點，為飛輪儲能系統的研究與應用提供參考。

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Drive Control Strategy of Flywheel Energy Storage System

CHENYaai1,CHENHuanyu1,ZHOUJinghua1,CHENCheng2,GANShilin1

(1. The Power Electronics & Motor Drives Engineering Research Center of Beijing,North China University of Technology, Beijing 100144, China；2. Beijing BOE Energy Technology Co., Ltd., Beijing 100015, China)

Flywheel energy storage system (FESS) is a system which converts electrical energy and mechanical energy, it qualifies the features of short construction cycle, long service life and pollution-free. FESS has been used in the field of new energy, electric mobile and UPS. After introducing the composition and principle of FESS, summarized the control strategy, character and applicable situation of charging and discharging mode, providing a reference for the studying and engineering application of FESS.

flywheel energy storage system; charge; discharge; control strategy

2014-08-27

TM 301.2

A

1673-6540(2015)04-0016-05