飛輪儲能系統建模與仿真研究

楊鋒 于飛 張曉鋒 賀慧英

（海軍工程大學電氣與信息工程學院， 武漢 430033）

1 引言

飛輪儲能系統是一種以動能方式存儲能量的機械電池，它由高速飛輪、電動/發電機、軸承支承系統、功率電子變換器、電子控制設備以及附加設備（如真空泵、緊急備用軸承）等組成[1]。飛輪電池在“充電”時，利用現代功率電子技術，由工頻電網提供的電能，經功率電子變換器，驅動電機帶動飛輪高速旋轉，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，從而完成電能—機械能轉換的儲存能量過程。當需要給負載供電，即“放電”時，高速旋轉的飛輪作為原動機拖動電機發電，經功率變換器輸出適用于負載的電流與電壓，從而完成機械能—電能轉換的釋放能量過程。

整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出的全過程。正因為這個技術特點，目前國外將飛輪儲能用于不間斷電源[2]、電力系統調峰[3]、風力發電、太陽能發電、電動汽車[4]、低軌道衛星、大功率調峰等方面[5]。在艦船上，飛輪儲能系統同樣可以作為不間斷電源使用，即當艦艇發電系統出現故障時，由飛輪儲能系統釋放能量，為重要負載提供持續電源。

在艦船等獨立電力系統為高能武備大功率脈沖負載供電時，為避免對電源瞬時沖擊過大，必須采用儲能系統，采用飛輪儲能系統是一種有效途徑。但是，根據獨立電力系統容量小，負載大小與系統容量具有可比性等特點，需要根據不同負載大小來選擇飛輪儲能系統匹配，并且分析飛輪儲能系統在儲能狀態、放能狀態及兩者之間的轉換過渡時刻，對負載的影響和帶來的供電電能品質問題。為此，必須建立合適的飛輪儲能系統的全系統模型進行仿真分析。

2 飛輪儲能系統

典型的飛輪儲能系統的工作原理圖如圖1所示。當飛輪系統處于充電狀態時，PWM變流器1起整流作用，主要將工頻交流電整流為恒定電壓的直流電；PWM變流器 2起逆變作用，將直流電源經過脈寬調制變為頻率可變及電壓大小也可變的交流電，驅動電機帶動飛輪高速旋轉，電機工作在電動狀態，把電能轉化為飛輪動能存儲起來。

圖1 飛輪儲能系統的工作原理圖

當需要飛輪提供能量時，飛輪電池工作于放電狀態，飛輪充當原動機，電機工作在發電狀態，PWM變流器 2起整流作用，將發電機發出的交流電整流為直流電，PWM變流器1起逆變作用，將直流電源經過脈寬調制變為頻率及電壓大小恒定的工頻交流電供給用電設備。

儲能/放能控制器的作用是在儲能或放能時，采用不同的控制方法，控制主電路半導體元件的開通和關斷，完成脈寬調制，使逆變器輸出電壓符合需要的頻率大小和波形，滿足飛輪加速（儲能）或減速（放能）的需要。

3 飛輪儲能系統的仿真模型

由于數值計算技術和計算機技術的發展，基于圖形的模塊化仿真方法已經成為電力系統仿真的主導方向，為電力系統數字仿真提供了非常強大的工具。PSCAD/EMTDC計算軟件是其中比較典型的代表。

圖2 三相PWM變流器仿真模型

PSCAD/EMTDC是專業用于電力系統電磁暫態計算的圖形化仿真工具，其中集成了包括發電機、電動機負荷、輸電線路、變壓器以及電力電子器件與裝置在內的電力系統絕大多數元件的詳細時域模型，并提供用戶自定義模型接口。可用于進行一定規模的交直流電力系統詳細時域電磁暫態仿真。由于考慮本飛輪儲能系統應用于獨立電力系統中，需充分考慮其儲能和放能的動態過程，故采用了PSCAD/EMTDC軟件搭建其仿真模型。

飛輪儲能系統仿真模型按照圖1的工作原理框圖而建立，其中兩個PWM變流器建立的模型如下：

三相逆變器是由六個全控型器件構成。另外為了給負載能量回饋提供通路，每個全控器件都要反并聯一個二極管，模型中的全控器件采用IGBT，由軟件自帶。該模型可以對器件的吸收電路進行設置。建立的仿真模型主電路如圖2所示。

為減小輸出電壓的諧波，逆變器一般采用PWM 控制方式，本模型采用的是正弦 PWM（SPWM）控制方式，即逆變器的觸發信號由正弦參考波與三角載波相比較獲得，逆變器輸出電壓的幅值與頻率由參考波確定，逆變器的開關頻率由三角波確定，觸發控制電路的仿真模型由圖3所示。

圖3 三相PWM變流器觸發控制信號仿真模型

飛輪儲能系統中永磁電機采用軟件自帶模型，由于飛輪與電機同軸，且一般采用磁懸浮技術減小其摩擦阻力，因此飛輪轉子可以采用具有大轉動慣量、小摩擦系數和小阻力轉矩的負載模擬。

永磁電機在儲能階段作為電動機運行，采用矢量控制技術，其中在電機額定轉速以下，采用恒轉矩加速模式，在額定轉速以上采用恒功率加速模式。為此需要斷開變流器1的控制信號使其由反并聯二極管工作在整流狀態，變流器2工作在逆變狀態，控制信號按照電機的加速控制要求給定。

永磁電機在放能階段作為發電機由飛輪作為原動機帶動其運行，變流器2的控制信號封鎖，由其反并聯二極管工作在整流狀態；變流器1工作在逆變狀態，采用負反饋方式根據負載要求提供三相交流電源。

4 仿真結果及驗證

設置交流電源電壓為50 Hz、3300 V；電機轉速給定為4000 r/min；飛輪負載轉矩為2 N·m，轉動慣量為50 kg·m2；系統在t=100 s時由儲能狀態轉換到放能狀態，釋放的電能提供給50 kW的恒功率負載，要求輸出給負載的電壓為400 V，為降低輸出電壓諧波，在PWM變流器1的交流輸出側側接三相 LC濾波器，直流輸出側接大電容濾波。

（注：實際系統的轉速和轉動慣量要大很多，因此系統加速時間將非常長，為縮短仿真時間，這里轉速和轉動慣量設置較小，但是并不影響對仿真模型的驗證。）

得到的仿真結果如圖4所示。

從仿真結果可以看出：

（1） 永磁電機在0～5 s工作在電動機狀態，電機轉速按控制要求加速；

（2） 在t=0～1.2 s之間，在矢量控制技術下，電機采用恒轉矩加速方式，電機始終控制在最大轉矩下，電機電流也一直保持在最大值，因此轉速加速度較快；

（3） 在t=1.2 s時，電機轉速和反電勢達到額定值，不能再提供最大輸出電流，因此控制電機工作在恒功率加速方式下，在該方式下，隨電機的轉速不斷升高，電機的電磁轉矩和電樞電流不斷減小，保持輸出功率在額定功率不變，由于電磁轉矩和電樞電流不斷減小，因此在該階段電機的加速度不斷減小；

圖4 飛輪電機的轉速、轉矩、電流及母線直流電壓響應曲線

（4） 在t=3.4 s時，電機轉速達到設定值4000 r/min，電機電流和轉矩迅速減小，只以較小的值和飛輪阻力轉矩平衡，維持飛輪穩定運行，因此穩態情況下，飛輪系統消耗的能量非常小；

（5） 在t=5 s時，電網電源與PWM變流器1斷開，停止給電機供電，此時電機立刻轉為發電機，由飛輪作為原動機拖動其運行，變流器2由逆變狀態轉為整流狀態，把發電機發出的交流電轉變為直流電，變流器1由整流狀態轉為逆變狀態，把直流電調制為負載需要的電能提供給負載。

如仿真結果圖5所示，在放能過程中，飛輪（與電機同軸）轉速是不斷下降的，提供的能量逐漸減少，因此直流母線電壓也逐漸降低，只不過由于飛輪的轉動慣量非常大，轉速和能量的減小非常慢。

雖然直流母線電壓逐漸降低，但是變流器 1采用負反饋控制方式，因此其輸出電壓（見圖 6和圖7）按設置要求維持不變。

圖5 飛輪轉速與直流母線電壓變化曲線

圖6 飛輪儲能系統工作在放電狀態時的輸出電壓

圖7 飛輪儲能系統工作在放電狀態時的輸出電壓（局部放大圖）

本例要求輸出線電壓為400 V（峰值為565 V），由圖6和圖7可見，雖然轉速不斷降低，直流電壓不斷下降，但是變流器1輸出的電壓維持在400 V不變。

4 結束語

本文按照飛輪儲能系統實際組成搭建了飛輪儲能系統的全系統模型。仿真模型中變流器采用SPWM控制，飛輪轉子利用具有大轉動慣量、小摩擦系數和小阻力轉矩的負載模擬。為分析飛輪儲能系統在獨立電力系統中對于大功率負載的影響，仿真給出了系統在儲能狀態、放能狀態及兩者之間的轉換過渡時刻的轉速、轉矩、電流及母線直流電壓響應曲線，經過對仿真結果進行分析表明，轉速、轉矩、電流及母線直流電壓的匹配關系與理論情況完全一致，證明了本文利用特殊負載模擬飛輪轉子的方法是可行的，建立的飛輪儲能負載仿真模型是正確有效的。利用該仿真模型可用于應用飛輪儲能系統的電力系統計算與設計。

[1] Balikci A, Zabar Z, Czarkowski D, et al. Flywheel motor/generator set as an energy source for coil launchers[J]. IEEE Trans. on Magnetics, 2001,37（1）:280-283.

[2] Takahash i I, Ok ita Y, A ndoh I. Development of long life three phase uninterrup tible power supply using flywheel energy storage unit [C].Proceedings of the 1996 International Conference on Power Electronics,Drives and Energy Systems for Industrial Growth.New York：IEEE Press, 1996：559-564.

[3] Bitterly J G. Flywheel technology: past, present, and 21stcentury projects[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 1998, 13:13-16.

[4] 姜新建, 朱東起, 黃斐梨等.電動汽車永磁同步電機驅動系統的研究[J].電機與控制學報，1997，1（4）：208-214.

[5] 張宇, 俞國勤, 施明融等.電力儲能技術應用前景分析[J]. 華東電力, 2006, 36（4）：91-93.