基于電流前饋的儲能飛輪充放電功率控制

孟慶博，王志強

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191)

0 引 言

對電力系統來說，電能的頻率穩定性是衡量其性能的重要指標[1-2]。但隨著國家的快速發展以及人民生活水平的不斷提高，居民及工業用電量不斷增大，再加上新能源發電的接入，電網的頻率穩定性受到了嚴重沖擊[3-4]。火電等傳統發電形式的調頻響應慢、靈活性差、調節效率低，對自動增益控制指令的響應速度遠不能達到要求[5]。儲能技術憑借響應迅速、調節精度高、易于變換調節方向等優點，已成為電網調頻的理想方案。

飛輪儲能是一種物理儲能技術，相比化學儲能，具有環保、無燃爆，可充放電次數高，功率密度高，維護成本低等優勢。應用于電網調頻時，飛輪儲能在提高電網對新能源的接納能力、提高電網安全穩定水平及經濟性等方面具有明顯優勢。

根據調頻的使用場景，要求飛輪能在指定頻率下平穩地充電和放電，本文采取了“儲能變流器+充放電變流器+儲能飛輪系統”的雙PWM變流器結構，通過功率/轉速外環+電流內環的雙閉環復合控制策略，實現對飛輪充放電功率的精確控制。針對功率指令切換瞬間輸出功率波動較大的問題，提出基于電流前饋的功率環控制方法。通過實驗驗證，飛輪系統能快速跟蹤充放電功率指令，穩態時的功率輸出穩定。

1 儲能飛輪工作原理與系統建模

磁懸浮儲能飛輪內部結構如圖1所示，由殼體、磁軸承、備用軸承、電機定子以及電機轉子構成。磁軸承由徑向及軸向磁軸承以及位移傳感器組成[6]，可確保轉子處于懸浮狀態。飛輪工作時，利用真空泵將殼體內抽成真空狀態。

圖1 磁懸浮儲能飛輪示意圖

飛輪采用永磁同步電機驅動，其結構簡單、無勵磁損耗，且擁有較大的功率密度，廣泛應用于飛輪儲能。雙向能量變換器采用儲能變流器與充放電變流器結合的方式，由IGBT構成三相橋式電路。

飛輪儲能系統有三種工作模式[7]：充電模式，飛輪電機由外部供電，帶動飛輪轉子升速，將能量以動能的形式存儲起來；穩速模式，飛輪轉速達到指令值后不再升速，由小功率維持轉速不變；放電模式，飛輪減速運行，將機械能轉化為電能，向外釋放能量。

在d，q坐標系下，建立永磁同步電機的數學模型，定子電壓方程[8]：

(1)

式中：ud，uq分別為d，q軸的定子電壓；id，iq為定子電流；ψd，ψq為定子磁鏈；ω為電機電角速度；Ld，Lq分別是電動機的直軸電感和交軸電感，表貼式永磁同步電機的Ld與Lq相等；ψf是轉子上永磁體的磁鏈。

d，q坐標系下，永磁同步電機的轉矩方程：

(2)

式中：Te是電磁轉矩。

由式(2)可知，永磁同步電機控制可通過以下幾種方式[9]：矢量控制，單位功率因數控制，弱磁控制以及最大轉矩電流比控制。本文的儲能飛輪采用的是表貼式電機，其交直軸電感相等，故采用矢量控制，并設置參考id為零。

儲能飛輪電氣系統框圖如圖2所示，飛輪電流Iflywheel和變流器電流iinv都是以飛輪在充電狀態下的電流方向為正方向，當飛輪放電時，電流方向與之相反[10]。

圖2 儲能飛輪電氣系統框圖

2 飛輪充放電功率控制方法

本文中的飛輪儲能系統采用背靠背雙PWM變流器的拓撲結構[11]，由網側儲能變流器(以下簡稱PCS)和飛輪側充放電變流器實現能量交換，系統工作時，儲能變流器會提供恒定的直流母線電壓，通過對母線電流的調節可實現飛輪充放電功率控制。儲能飛輪系統拓撲結構如圖3所示。在充電模式下，飛輪接收功率指令以恒功率充電；在放電模式下，飛輪實時跟蹤功率指令以指定功率輸出電能從而實現調頻。

圖3 飛輪儲能系統拓撲結構

2.1 飛輪充放電控制策略

飛輪充放電采用雙閉環復合控制策略[12]，控制系統可以根據功率以及轉速指令自行選擇外環控制方式。在充電模式下，當飛輪電機起動后，進入功率環進行充電，當電機轉速接近指令轉速時，切換至轉速環，并進入穩速模式；在放電模式下，飛輪系統工作在功率環進行放電。

該控制策略可實現飛輪儲能系統以指定功率進行充放電，并且通過調整功率指令，可以調節飛輪電機升降速的快慢，提高飛輪充放電效率及深度。飛輪充放電復合控制方法示意圖如圖4所示。

圖4 飛輪充放電復合控制方法

2.2 飛輪充放電控制系統設計

圖5 儲能飛輪充放電控制系統框圖

飛輪在充電時，采用“速度+功率外環與電流內環”的控制方式。電機轉子實時位置信息可通過旋轉變壓器及解碼電路進行采集。

3 電流前饋控制器設計

PI控制器結構簡單、易于實現，但其單獨作用有以下缺點：在進行控制調整之前，系統必須等待一個誤差信號，PI增益越大，控制系統對誤差的響應越快。然而，過大的增益會導致系統噪聲增多造成系統穩定性下降。本文在PI控制的基礎上加入電流前饋，減小對PI控制器的依賴性。

3.1 前饋數學模型的建立

飛輪系統中，逆變器功率可由逆變器電流iinv和直流母線電壓Vdc的乘積表示，本文忽略逆變器損耗，則逆變器功率Pinv與飛輪電機功率Pelec相等：

Pelec=Pinv=iinvVdc

(3)

飛輪電機機械功率Pmech等于電機轉矩Te與機械轉速ωr的乘積：

Pmech=Teωr

(4)

儲能飛輪轉子在工作中處于真空狀態，且由磁懸浮軸承系統保證轉子懸浮，消除了機械損耗、摩擦等影響，飛輪電機功率近似等于電機機械功率，故逆變器電流可以由電機轉矩、機械轉速和直流母線電壓表示：

(5)

(6)

3.2 基于電流前饋的外環控制器

圖6 加入前饋控制后的功率外環

在充電模式下，飛輪起動后以功率模式充電。充電控制算法調節飛輪電機的加速度，使母線電流保持在指令設定值。當轉速接近目標轉速時，切換至轉速環，為防止出現轉速超調現象，在轉速環加入積分清零判斷，當實際轉速與指令轉速的差值小于設定誤差時，將轉速環積分清零，使控制器及時切換至轉速環。

圖7 轉速環加入積分清零

飛輪進入放電模式時，將功率指令設定為負值，則功率環輸出電流為負，控制器接入功率外環，飛輪以指令功率進行放電。

4 實驗驗證

4.1 實驗系統搭建

控制系統示意圖如圖8所示，控制器采用TMS320F28335，電機轉子位置信息通過旋轉變壓器采集，電流、電壓、IGBT溫度等信息經過傳感器和采樣電路后送入DSP芯片。通過CAN總線與上位機進行通訊。

圖8 飛輪儲能控制系統結構框圖

本實驗采用“儲能變流器+充放電變流器+飛輪”的組合方式，實驗圖如圖9～圖11所示。儲能變流器接入電網，將母線電壓Vdc穩定在600 V。飛輪系統由儲能飛輪本體、磁軸承控制板、真空泵等組成。控制調制界面如圖12所示。

圖9 儲能變流器圖10 充放電變流器

圖11 飛輪系統

圖12 控制調試界面

飛輪電機參數如表1所示。

表1 飛輪電機參數

4.2 測試實驗

圖13為直流母線電壓波形圖，電壓值穩定在600 V左右。

圖13 母線電壓波形

圖14、圖15為飛輪從放電模式切換至充電模式時的功率及電流波形。圖中箭頭所指時刻，功率指令由-100 kW變為100 kW，即飛輪由充電轉為放電。從波形圖可以看出，充放電狀態切換時間達到毫秒級，能快速跟蹤功率指令；穩態時，充放電功率較平穩，功率波動在1%以下，可實現充放電模式的平滑切換。電流能快速跟蹤指令變化，穩態波動較小，確保飛輪電機能穩定進行升/降速。

圖14 充放電模式切換功率波形

圖15 充放電模式切換電流波形

圖16、圖17為飛輪在放電模式時進行放電功率切換時的功率及電流波形。圖中箭頭所指時刻，將功率指令由100 kW切換為80 kW。可以看出，飛輪在放電時可以實現功率的毫秒級切換，切換過程無超調產生，輸出功率平穩。

圖16 改變放電功率指令時的功率波形

圖17 改變放電功率指令時的電流波形

通過實驗驗證，飛輪儲能系統可以實現充放電模式的平滑切換；放電時可以快速進行功率切換，系統輸出功率穩定，在不同狀態下的切換時間皆達到毫秒級，且在功率切換過程中未產生超調現象。

5 結 語

本文對儲能飛輪充放電功率控制展開研究，采用“儲能變流器+充放電變流器+儲能飛輪系統”的雙PWM變流器結構，基于永磁同步電機矢量控制提出“功率/轉速外環+電流內環”的雙閉環復合控制策略，并針對輸出頻率波動、響應速度慢的問題，在功率環中加入電流前饋控制。通過實驗驗證，飛輪儲能系統能及時跟蹤充放電功率指令，響應時間達到毫秒級，且穩態時功率輸出波動在1%以下。該方法為儲能飛輪功率控制的進一步研究打下了基礎。