基于磁懸浮飛輪儲能的脈沖功率電源系統設計

江衛良，陳 燁

（1.沈陽微控新能源技術有限公司，沈陽 110027；2.微控物理儲能研究開發（深圳）有限公司，廣東 深圳 518052）

0 引言

脈沖功率電源是能夠產生各種強電脈沖功率輸出的電源，具有非常廣泛的用途，其基本工作原理是： 通過儲能獲取足夠的能量，形成脈沖功率輸出給脈沖負載供電。在脈沖功率電源系統中，能量存儲環節是最基礎也是最重要的一環，目前常用的儲能方式包括電容器儲能、飛輪脈沖發電機等。基于電容器儲能的脈沖功率電源可以在短時間內快速放電，但是存在儲能密度不高、放電時間短、設備體積大、充放電壽命較短等問題[1-2]。基于飛輪脈沖發電機的脈沖功率電源系統通過電動機拖動飛輪加速轉動來存儲能量，然后通過發電機將飛輪儲存的能量對外快速釋能，單套機組可以輸出數十兆瓦甚至百兆瓦級的脈沖功率，但是存在設備體積大、建造周期長、運維成本高等問題[3-4]。

近年來，磁懸浮飛輪儲能技術發展很快，在地鐵再生制動能量回收、不間斷電源保障、電力調頻、微電網、新能源并網等領域得到越來越廣泛的應用[5-8]。磁懸浮飛輪儲能裝置具有安全可靠性高、功率密度高、充放電響應速度快、使用壽命長、環境適應性強、建設周期短、運行維護簡單、全生命周期綠色無污染等優點，因此非常適合作為脈沖功率電源的能量存儲介質。脈沖功率電源的發展趨勢是朝著體積小型化、高儲能密度、長使用壽命的方向發展，因此，充分利用磁懸浮飛輪儲能的優勢，研發設計基于磁懸浮飛輪儲能的脈沖功率電源系統，能夠顯著提高脈沖功率電源系統的技術指標和經濟性，具有廣闊的應用前景[9-10]。

1 磁懸浮飛輪儲能技術簡介

飛輪儲能技術是一種綠色環保的物理儲能技術，利用高速旋轉飛輪的動能來存儲能量，實現電能和動能的循環轉換。飛輪儲能裝置所存儲能量的大小由飛輪轉子的轉動慣量及其轉速決定。現代飛輪儲能技術是一門多學科融合的綜合性技術，涉及到材料學、電機學、轉子動力學、磁懸浮軸承技術、電力電子技術、測量及控制技術等。自20 世紀90 年代以來，隨著磁懸浮軸承技術、高性能飛輪材料技術、高速電機技術和電力電子技術的突破，飛輪儲能技術取得了長足的進步，朝著不斷提高能量密度、提高功率密度、降低自身損耗的方向發展。

磁懸浮飛輪儲能技術是指采用磁懸浮軸承體系來支撐飛輪轉子的飛輪儲能技術。常用的磁懸浮軸承體系包括磁力卸載機械軸承和完全磁懸浮軸承。磁力卸載機械軸承通常采用永磁軸承和滾動軸承相結合的混合軸承，在飛輪運轉過程中永磁軸承能夠承擔部分軸系重量，仍然需要滾動軸承來提供部分軸向或徑向的載荷。文獻[11]對一種1 MW/60 MJ 飛輪儲能系統進行了研究，該系統采用永磁軸承和滾子軸承組成的混合軸承支撐體系，永磁軸承承擔97%的軸系重量，最高工作轉速為2 700 r/min。文獻[12]描述了一種450 kW/6.25 MJ 磁懸浮飛輪儲能裝置，該裝置采用五軸主動磁懸浮軸承作為工作軸承，同時采用滾動軸承作為保護軸承，正常運行時飛輪轉子處于完全磁懸浮狀態，與滾動軸承沒有任何接觸，最高工作轉速為36 750 r/min，整個軸承系統免維護，使用壽命長達20 年。

基于完全磁懸浮軸承的飛輪儲能系統在運行過程中，磁懸浮軸承和飛輪轉子之間沒有直接接觸，因此也無需潤滑介質，省略了傳統潤滑系統所需要的泵、管道、過濾器和密封件等，減小了系統維護工作量，并能在高溫或極低溫等特殊環境下工作，具有更強的環境適應性[13-17]。

2 基于磁懸浮飛輪儲能的脈沖功率電源系統設計

2.1 系統總體設計方案

基于磁懸浮飛輪儲能的脈沖功率電源系統主要包括儲能部分、充電部分、放電部分及監控系統，系統總體架構如圖1 所示。

圖1 脈沖功率電源系統總體架構框圖

儲能部分采用磁懸浮飛輪儲能裝置。磁懸浮飛輪儲能裝置對外充放電接口為直流，對外提供通信接口，既可接受外部充放電指令，直接控制功率大小和方向，也可以根據直流電壓采取相應的充放電控制策略。磁懸浮飛輪儲能裝置可以單臺裝置進行充放電，也可以多臺裝置在直流側并聯，組成飛輪陣列進行充放電。

充電部分包括充電電源和充電機。充電電源可以為市電或發電機組，提供小功率的交流電源，為飛輪儲能裝置提供能量輸入。充電機的作用是將交流電變換為直流電，根據控制系統的指令為飛輪儲能裝置充電，實現從電能到動能的轉換。

放電部分包括逆變器、變壓器及其他配套設備。逆變器的作用是將直流電變換為交流電，根據負荷的實時功率變化和監控系統的指令，控制飛輪儲能裝置對外放電，實現從動能到電能的轉換。

由一組飛輪儲能裝置及配套的充電部分和放電部分組成一個基本的脈沖功率電源單元。可以將多個脈沖功率單元在充電交流母線側和放電交流母線側進行并聯，通過監控系統進行協同控制，組成一個更大規模的脈沖功率電源系統，以提高整個電源系統的放電功率。

監控系統包括服務器、顯示器及其他通信相關設備，監控系統和其他設備間可組成高速光纖通信網，毫秒級通信延時。監控系統的主要作用是實現對脈沖功率電源系統的數據采集、存儲、監視和控制。監控系統實時監測整套系統內各設備的實時運行狀態和運行參數，對系統整體健康狀態進行診斷，一旦發現異常工況及時發出告警信號并采取相應的保護措施。

2.2 系統運行狀態及控制過程

監控系統根據應用場景脈沖負荷的要求對脈沖功率電源系統的運行狀態進行控制，保證系統的正常運轉。整個系統的運行狀態包括靜止狀態、啟動狀態、充電狀態、放電狀態、待機狀態和停機狀態。系統運行狀態及控制流程見圖2。

圖2 系統運行狀態及控制流程

在靜止狀態下，系統中所有設備均已上電開機并可正常運行，系統通信正常，飛輪儲能裝置尚未儲能，飛輪靜止，隨時可以進入啟動狀態。在啟動狀態下，監控系統控制充電機給飛輪儲能裝置充電，將飛輪的轉速從零加速到最低工作轉速，啟動完畢后，系統隨時可進入充電狀態。在充電狀態下，監控系統控制各充電機給飛輪儲能裝置充電，飛輪的轉速上升，轉速不超過最高工作轉速。充電結束后，系統進入待機狀態，可隨時進入放電狀態。在放電狀態下，監控系統控制各逆變器和飛輪儲能裝置對外放電，飛輪的轉速下降，轉速不低于最低工作轉速。在沒有充電或放電任務時，系統處于待機狀態，可隨時進入充電狀態或放電狀態。在系統運行過程中，一旦檢測到異常需要保護停機或者監控系統發出停機指令，系統就進入停機狀態，飛輪轉速自然下降，直至處于靜止狀態。

系統充電過程： 充電機處于工作狀態，逆變器停止工作。通過監控系統控制各個脈沖功率電源單元的充電機給相應儲能裝置充電，包括兩種時序控制方式。一種方式是同時給所有脈沖功率電源單元充電，另一種方式是依次給各個脈沖功率電源單元充電，以降低對充電電源容量的需求。可通過監控系統對脈沖功率電源單元的充電功率進行設置，限制總的充電功率大小在充電電源允許范圍內。

系統放電過程： 逆變器處于工作狀態，充電機停止工作。系統內各逆變器在交流側并聯運行，處于孤網運行模式，建立并維持交流側的電壓和頻率。在該模式下，逆變器按設定的下垂曲線特性運行，在脈沖負荷啟動的情況下，根據下垂曲線自動調整輸出功率給脈沖負荷供電，保持孤網系統的穩定。在逆變器啟動輸出功率的同時，其直流側母線電壓會下降。飛輪儲能裝置根據直流側母線電壓變化來輸出功率，以維持直流側母線電壓穩定在設定值為控制目標。系統具有控制簡單、放電響應速度快的特點。

3 實驗系統搭建

基于以上設計原理搭建簡化的物理模擬測試系統進行實驗驗證。測試系統主要設備包括1 臺飛輪儲能裝置、1 臺充電機、1 臺逆變器、1 臺水泵電機、市電供電電源、控制系統及其他配套設備，系統主接線如圖3 所示。

圖3 測試系統主接線

測試系統中所使用的VDC XXT 型磁懸浮飛輪儲能裝置額定功率為450 kW，充電機額定功率為40 kW，逆變器額定功率為500 kW，水泵電機功率為200 kW。

VDC XXT 型磁懸浮飛輪儲能裝置的主要技術參數如表1 所示。

表1 磁懸浮飛輪儲能裝置的主要技術參數

4 實驗過程及結果

一次完整的測試過程如下：

（1）充電過程。將開關K2和K3斷開，K1閉合，對飛輪儲能裝置進行充電。由市電通過充電機給飛輪儲能裝置充電，飛輪轉速不斷升高，當飛輪轉速達到最高工作轉速36 750 r/min 時停止充電，斷開K1。

（2）預充過程。將開關K3閉合，對逆變器直流母線電容進行預充電，直至預充電完成。

（3）放電過程。將開關K2閉合，K3斷開，啟動電機進行脈沖功率放電。電機0.3 s 帶載啟動，2 s 后自由停車。

放電測試曲線如圖4 所示。實驗結果表明，當電機帶載啟動時，飛輪儲能裝置和逆變器之間的直流母線電壓瞬間被拉低，飛輪儲能裝置能夠在3 ms 內快速響應，輸出脈沖功率，并且根據負載功率變化自動調整輸出功率大小，使直流母線電壓穩定在一定范圍之內。當電機停車后，飛輪儲能裝置自動停止放電。本次放電測試實驗中，飛輪儲能裝置的脈沖功率輸出持續時間約為2 s，最大輸出電流為717 A，最大輸出功率為356 kW，飛輪轉速僅下降約1 000 r/min，還剩余足夠的存儲能量，一次充滿電后可連續進行多次放電實驗。

圖4 放電測試曲線

5 結語

基于磁懸浮飛輪儲能技術設計構建了脈沖功率電源系統，研究了系統的架構與運行控制策略。通過搭建實驗系統進行測試驗證，實驗結果表明： 系統能夠在3 ms 內快速響應輸出脈沖功率，形成秒級的脈沖平頂波，在一次充滿電后可連續多次輸出。系統采用模塊化設計，容量配置靈活，響應速度快，使用壽命長，建設周期短，運維簡單，可滿足多種應用場景下的脈沖功率電源需求。