飞轮储能系统控制方式的研究

刘宇宸

摘要：飞轮储能系统是当前一种高储能效率、放电速度快、无污染的储能装置，目前已经被应用在多个领域，如航空航天、电动汽车、电力系统调峰等，并发挥着非常不错的效果。本文主要以飞轮储能系统控制方式的研究为主题，通过对飞轮储能系统的结构和工作原理进行分析，明确了飞轮储能系统的具体储能过程。并通过基于PWM变流器的理论基础，设计了一种由异步电机、双向 变流器和飞轮所组成的飞轮储能控制系统，通过对飞轮储能系统的电网侧变流器采用基于前馈解耦的电压外环、电流外环双闭环控制策略，从而对飞轮储能的充放电过程进行控制。

关键词：飞轮储能系统；控制方式；充放电

前言：

电能储存一直都是各国所讨论的重点话题，目前电力储存的方式较多，如化学蓄电池的储能方式，虽然化学蓄电池的成本较低，但是对于环境会产生较大的污染。相比较于化学蓄电池储能方式，飞轮储能系统具有着功率高、充放电速度快、使用寿命长、无污染、可循环利用等优点。随着目前能源紧缺的问题日益突出，飞轮储能技术已经成为当热门研究方向，各国纷纷将目光放在飞轮储能系统上，加强对飞轮储能技术的研究。

1. 飞轮储能系统的工作原理和模型

1. 飞轮储能系统的工作原理

飞轮储能系统也被称之为飞轮电池，主要是由飞轮转子、轴承系统、集成式发电机、高中空、安全保护罩等元件组成。飞轮储能系统是通过将电能转换为可储存的机械能，实现能量的充放与储存。

由于飞轮是围绕中心轴高速旋转的，当轮体围绕中心轴以角速度 进行旋转时，那么飞轮储能系统中所储存的能量 则可以表示为：

（1）

式中： 表示为飞轮转子的转动惯量。从（1）式可以看出，想要提高飞轮储能系统所储存的能量，可以从两个方面进行：1.提高飞轮的转动惯量；2.提高飞轮的旋转速度。但是，一般转动惯量较大的飞轮其体积也比较大，这种飞轮一般称之为低速飞轮，而转速较快的称之为高速飞轮，虽然高速飞轮储能密度较高，但其对材料抗拉力的需求也会提高，因此，材料抗拉力的大小，也决定着飞轮储能密度的多少。

当飞轮旋转的速度介于最大角速度 和最小角速度 之间时，其所转换的能量 可以表示为：

（2）

如果不考虑能量转换过程中的损耗情况，那么飞轮的有效功率可以表示为：

（3）

从（3）式可以看出，飞轮储能系统的能量转换过程是通过改变飞轮转子的转速来实现的，飞轮储能系统的工作模式主要有三种，即充能、放能和待机。充能时，电能通过电力转换装置驱动飞轮升速并进行储能，当飞轮的转速达到最大角速度 时，充能结束。此时，飞轮储能系统是处于待机状态的，为了减少能量损耗，一般情况下，会切断飞轮储能系统与电源转换器之间的连接。放电时，将储存在飞轮储能系统中的机械能转换为电能进行使用，当飞轮的旋转速度降低到最小角速度 时，放电结束。

2. 变流器的数学模型

目前，交流传动系统普遍采用的是交-直-交电压型双 变频调速系统。本文所研究的 变流器是在抛弃AC/DC变流器的基础上，采用全控器件所组成的，这种变流器不仅具备直流母线电压稳定、网侧电流接近正弦波的优点，而且还具备能量逆向流动的特点。

在经过滤波器滤波处理之后，将变流器的交流侧接入到交流电网中，电网三相电压可以分别表示为 、 、 ；交流电网流向变流器的三相电流可以分别表示为 、 、 ；a、b、c三点对于o点的电压表示为 、 、 ， 、 （ =1,2,3,4,5,6）分别为全控型功率器件与其续流二极管，由系统拓扑结构，可以得出如式（4）表示的整流逆变器在三相静止abc坐标系中的数学模型。

（4）

由坐标交换，将网侧变流器在三相静止abc坐标系下的数学模型，换算到两相d-q旋转坐标系下的数学模型为：

（5）

2. 飞轮储能系统充放电控制策略

飞轮储能系统充放电控制系统主要是由电网侧控系统和电机侧控系统所组成的。整个控制系统的工作原理在于改变所给定的参考功率，来对飞轮储能系统进行有效控制。当给定的参考功率为零时，表示飞轮储能系统与电网之间无能量交换，飞轮储能系统处于待机状态；当给定的参考功率为正值时，表示电网需要向飞轮储能系统提供电能，并转换为机械能，此时飞轮储能系统处于充电状态；当给定的参考功率为负值时，表示飞轮储能系统需要释放电能以供使用，此时飞轮储能系统处于放电状态。

目前，实际中所使用的的 整流器装置都是采用双闭环控制模式，以直流侧电压反馈为外环，以交流侧电流反馈为内环，从而达到稳定整流器的输出电压，并实现网侧电流正弦化和单位功率因数运行。

1. 前馈解耦控制

从（5）式中可以看出， 和 之间是相互耦合的关系，为了改变两者的耦合关系，从而实现对两者分别控制，可以采取前馈解耦控制措施。

此时，我们分别定义 和 变量。 ， 。那么（5）式就可以转换为：

（6）

从（6）式可以看出，引入 、 电流反馈和 、 电压前馈补偿，可以使电流 和 完全解耦，从而进行独立控制，如果电流调节器为 调节器时，控制算法为：

（7）

式中:

、 表示为 轴 调节器的比例、 积分调节系数； 、 表示为 轴 调节器的比例、积分调节系数。

2. 网侧变流器矢量控制策略

电网与网侧变流器间相互传递的有功功率 和无功功率 的计算公式为：

（8）

采用电网电压定向的矢量控制对网侧变流器进行控制时，把电网电动势矢量定向于同步旋转坐标系中的 轴， 轴超前 轴90°，则电网三相电压矢量在 轴的分量 ，因此得出：

（9）

若电网电技不便时，则 为定值，从而 和 将分别由 和 决定。只需要改变有功电流 的正负就可以方便地控制在功功率的双向传输。控制无功电流 就可以控制无功功率，实现 和 的独立控制。

3. 小结

总之，本文根据飞轮储能系统的工作原理，从而对飞轮储能系统充电工况采用分段控制的策略，在确保安全稳定的前提下，实现最优效率，并合理分配能量流动优化系统性能。在对放电工况的控制中，则通过外环电压环、内环电流环的双闭环控制策略，利用电机电感进行储能，再由整流器完成升压，从而使得直流电压在一定的转速变化范围内维持恒定。

参考文献：

[1]杨忠生. 飞轮储能控制系统的研究[D]. 哈尔滨理工大学.

[2]张秋爽. 飞轮储能系统控制策略研究[D]. 北京交通大学, 2012.