飛輪儲能系統(tǒng)驅(qū)動控制策略

陳亞愛，　陳煥玉，　周京華，　陳　成，　甘時霖

(1. 北方工業(yè)大學(xué) 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(tǒng)驅(qū)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(yè)大學(xué) 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(tǒng)是一種利用飛輪將電能與機械能互相轉(zhuǎn)換的儲能系統(tǒng)。其建設(shè)周期短、使用壽命長、環(huán)保無污染，目前在新能源、電動汽車、UPS供電系統(tǒng)等領(lǐng)域有應(yīng)用實例。在介紹飛輪儲能系統(tǒng)組成及工作原理的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了飛輪儲能系統(tǒng)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(tǒng)的研究與工程應(yīng)用提供參考。

飛輪儲能系統(tǒng)； 充電； 放電； 控制策略

0　引　言

飛輪儲能系統(tǒng)不僅可提高新能源發(fā)電的電能利用率，在新能源發(fā)電系統(tǒng)中還可提高輸出電能質(zhì)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(huán)境友好無污染等特點[1]，極具發(fā)展前途。目前已有研究者將其應(yīng)用到了電動汽車[2]、風(fēng)力發(fā)電[3]、UPS[4]等領(lǐng)域。

1　飛輪儲能系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1飛輪儲能系統(tǒng)的組成

典型飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可見，電機轉(zhuǎn)子和飛輪的旋轉(zhuǎn)體現(xiàn)了電能與機械能的互相轉(zhuǎn)換。其中，飛輪需具有較大慣性及抗應(yīng)力、抗形變的能力，一般選用超強玻璃纖維(或碳纖維等)—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為飛輪材料[5]。飛輪儲能系統(tǒng)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(dǎo)磁懸浮4種類型。為降低阻力及避免事故，應(yīng)將飛輪置于真空環(huán)境中。作為機電能量轉(zhuǎn)換的核心，要求電機可工作于電動、發(fā)電雙狀態(tài)，效率高且具有較高的運行速度，永磁同步電機是應(yīng)用較多的電機。

1.2飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換原理

飛輪儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)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(tǒng)電機作為電動機運行，輸入電能。飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。儲能系統(tǒng)工作在升速儲能狀態(tài)時，能量經(jīng)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(jīng)過三相逆變器逆變成電機升速的交流電。減速釋能狀態(tài)時，飛輪儲能系統(tǒng)電機作為三相發(fā)電機運行，應(yīng)用整流技術(shù)對輸出的交流電進行整流，使輸出電壓維持在穩(wěn)定水平，此時輸出的直流電可供給直流負載，也可經(jīng)逆變后回饋電網(wǎng)。圖2中KT為繼電器，控制其開關(guān)狀態(tài)可防止能量保持狀態(tài)時電機向電網(wǎng)回饋能量。

圖2　飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)

2　飛輪儲能系統(tǒng)驅(qū)動控制策略分類

目前國內(nèi)外研究發(fā)表的飛輪儲能系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)控制策略、模糊PID控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。對于放電控制策略可分為附加DC-DC斬波電路的閉環(huán)控制和利用電機能量回饋的控制。隨著控制理論的發(fā)展，基于DC-DC斬波電路的閉環(huán)控制除了傳統(tǒng)的PI雙閉環(huán)控制外，已出現(xiàn)基于非線性控制理論的飛輪儲能系統(tǒng)放電控制策略。

圖3　飛輪儲能系統(tǒng)控制策略分類示意圖

3　飛輪儲能系統(tǒng)充電控制策略

3.1傳統(tǒng)控制策略

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

(1)

式中：J——旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量；

ω——旋轉(zhuǎn)角速度。

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

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

為明確各試樣調(diào)制系數(shù)隨電壓的增長速率，對特定激勵超聲頻率的各階模態(tài)調(diào)制系數(shù)曲線進行一元線性回歸分析，即根據(jù)若干實測點確定調(diào)制系數(shù)y與低頻電壓x的關(guān)系，回歸函數(shù)記為

(2)

式中：ωmax——電機最大角速度；

Tmax——最大電磁轉(zhuǎn)矩；

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

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

無刷直流電機拖動的飛輪儲能系統(tǒng)控制框圖如圖4所示[9]。圖4中給定轉(zhuǎn)矩Tref除以轉(zhuǎn)矩系數(shù)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(jīng)PI調(diào)節(jié)器作為PWM的電壓給定。E(D)為占空比誤差信號，當電機轉(zhuǎn)速ω大于額定轉(zhuǎn)速ωN時，占空比D可大于Dmax，此時應(yīng)啟用P調(diào)節(jié)器。無刷直流電機提前導(dǎo)通角θ最大可為60°。根據(jù)E(D)及導(dǎo)通角超前實現(xiàn)算法，并對轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有很多不確定的參數(shù)，是一個非線性系統(tǒng)，需針對其特點進行特殊控制。文獻[2]、[12]對系統(tǒng)的充電及放電過程進行了建模，并應(yīng)用模糊-PID混合控制的方法，控制框圖如圖5所示。轉(zhuǎn)速誤差e及轉(zhuǎn)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(tǒng)非線性、不確定參數(shù)影響較小，故可應(yīng)用在速度誤差較大的情況，即當轉(zhuǎn)速誤差e大于設(shè)定誤差e0時，系統(tǒng)處于動態(tài)過程，使用模糊控制來提升系統(tǒng)性能。當轉(zhuǎn)速誤差較小時，可使用PI調(diào)節(jié)器來消除靜態(tài)誤差，使飛輪轉(zhuǎn)速跟蹤給定。圖5中，模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的重要組成部分，模糊參數(shù)自整定PID控制器是模糊控制與傳統(tǒng)PID控制器的結(jié)合，利用模糊判斷的思想，根據(jù)不同偏差值及偏差變化率對參數(shù)KP、KI、KD進行整定[13]。

3.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略

與上述控制策略不同，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)這類具有時變性、非線性的控制對象。由于誤差反傳神經(jīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要模型之一，并得以廣泛應(yīng)用[13]。

文獻[16]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用于飛輪儲能系統(tǒng)中，選取電機轉(zhuǎn)速參考值、實際輸出值及誤差作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入。三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，輸入層輸入系統(tǒng)的狀態(tài)量，輸出層輸出PID參數(shù)，ωij和ωli分別為隱含層和輸出層權(quán)系數(shù)。

圖6　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

文獻[17]對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行了改進，引入二次型性能指標、控制增量加權(quán)平均(WA)改進算法及PSD算法，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力，具有良好的動態(tài)性能。

4　飛輪儲能系統(tǒng)放電控制策略

4.1附加DC-DC斬波電路的閉環(huán)控制策略

飛輪處于減速釋能狀態(tài)時，電機作為發(fā)電機運行。隨著能量的釋放，轉(zhuǎn)速會逐漸下降，這將導(dǎo)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(wěn)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(jié)構(gòu)如圖7所示[18]。當電機運行于發(fā)電狀態(tài)時，能量將會從動能轉(zhuǎn)化為電能，通過逆變電路中的續(xù)流二極管構(gòu)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)圖

文獻[18]中的DC-DC變換電路采用雙向升降壓設(shè)計，以滿足高速電機變壓驅(qū)動、穩(wěn)壓恒速和降速時系統(tǒng)輸出端恒壓放電的需要。文獻[20]僅引入Boost電路，成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。文獻[21-22]各提出一種新型DC-DC電路，與傳統(tǒng)的DC-DC電路相比，可適應(yīng)寬的調(diào)壓范圍，實現(xiàn)大的功率容量，提高電路的適應(yīng)能力。

圖8　電壓電流雙閉環(huán)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(huán)控制。電壓電流雙閉環(huán)控制原理圖如圖8所示。圖8中電壓反饋的作用是穩(wěn)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(wěn)定，并將其輸出作為PI調(diào)節(jié)器的給定，故電壓調(diào)節(jié)器的限幅值決定下一個PI控制器的最大輸出電流，電流環(huán)的作用是在穩(wěn)態(tài)時跟隨電壓環(huán)，能夠快速響應(yīng)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(fā)生。

實際上，DC-DC變換電路是一個非線性電路，為進行更優(yōu)的控制，已有研究者將非線性控制理論應(yīng)用其中，試驗證明，系統(tǒng)具有更好的靜、動態(tài)性能。文獻[23]在電壓電流雙PI控制基礎(chǔ)上，提出飛輪儲能系統(tǒng)放電時雙環(huán)串級非線性控制；文獻[24]設(shè)計了基于滑模控制的飛輪電池放電穩(wěn)壓系統(tǒng)；文獻[25]應(yīng)用非線性系統(tǒng)的微分幾何理論，得到一種使Boost變換器控制系統(tǒng)漸進穩(wěn)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(tǒng)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(jīng)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(jù)永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置信號，按照一定的規(guī)則導(dǎo)通相應(yīng)的功率開關(guān)管，使電機電流與反電動勢同相，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)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(nèi)，通過改變功率開關(guān)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(diào)制策略，針對半橋調(diào)制策略存在的功率器件發(fā)熱不均、轉(zhuǎn)矩脈動的問題，提出了一種新型調(diào)制策略，且將之應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)，明顯改善相電流波形，顯著減小電機的轉(zhuǎn)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(xiàn)飛輪機械能向電能的轉(zhuǎn)換。

5　結(jié)　語

目前，飛輪儲能系統(tǒng)電機充電控制的主流仍是采用傳統(tǒng)控制策略即矢量控制，應(yīng)用矢量控制的永磁同步電機技術(shù)的發(fā)展較為成熟，控制結(jié)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(shù)發(fā)展較為迅速，在飛輪儲能系統(tǒng)中體現(xiàn)得較為明顯。模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的實現(xiàn)較為困難，因其算法復(fù)雜，對芯片處理速度要求較高，且不易實現(xiàn)，仍需進一步完善。

本文在對當前國內(nèi)外研究成果進行分析和歸納基礎(chǔ)上，總結(jié)了飛輪儲能系統(tǒng)控制策略不同原理和特點，為飛輪儲能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用提供參考。

[1]張秋爽.飛輪儲能系統(tǒng)控制策略研究[D].北京： 北京交通大學(xué),2012.

[2]FU X X, XIE X P. The control strategy of flywheel battery for electric vehicles[C]∥2007 IEEE Interna-tional Conference on Control and Automation, 2007： 492- 496.

[3]GABRIEL O, MIRCEA M. Control and performance evaluation of a flywheel energy-storage system assoc-iated to a variable-speed wind generator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006,53(4)： 1074-1085.

[4]PARK J D, KALEV C, HOFMANN H F. Control of high-speed solid-rotor synchronous reluctance motor/generator for flywheel-based uninterruptible power supplies[J]. IEEE Transacation on Industrial Electronics, 2008，55(8)： 3038-3046.

[5]蔣書運,衛(wèi)海崗,沈祖培.飛輪儲能技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀[J].太陽能學(xué)報,2000,21(3)： 427- 433.

[6]周龍,齊智平.解決配電網(wǎng)電壓暫降問題的飛輪儲能單元建模與仿真[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(19)： 152-158.

[7]張邦力,胡漢春,何青,等.飛輪儲能裝置儲能狀態(tài)控制研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010,23(6)： 100-102.

[8]靳樂冰.飛輪儲能控制系統(tǒng)的研究[D].北京： 清華大學(xué),2012.

[9]李雪松.飛輪儲能系統(tǒng)電動發(fā)電運行控制技術(shù)的研究[D].北京： 華北電力大學(xué),2006.

[10]WANG X D, NA R S. Simulation of PMSM field-oriented control based on SVPWM[C]∥Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009： 1465-1469.

[11]GUO Y G, LIU Z J, FREDE B. Modeling of electric vehicle driven by PMSM based on torque control[C]∥2012 Second International Conference on Instrumentation & Measurement, Computer, Commu-nication and Control, 2012： 1020-1024.

[12]付雄新,謝小鵬.電動汽車用飛輪電池充放電控制系統(tǒng)研究[J].微計算機信息,2007,23(6-2)： 263-265.

[13]趙冰.飛輪儲能系統(tǒng)的智能控制研究[D].上海： 東華大學(xué),2008.

[14]李志雄,湯雙清,蔣宇.模糊自適應(yīng)SNPID在飛輪儲能系統(tǒng)中的研究[J].微特電機,2009(1)： 32-35.

[15]王健,王昆,陳全世.風(fēng)力發(fā)電和飛輪儲能聯(lián)合系統(tǒng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(17)： 4017- 4020.

[16]蔣宇,李志雄,湯雙清.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在飛輪電池控制系統(tǒng)中的研究[J].微特電機,2009(6)： 29-32.

[17]湯雙清,李志雄,蔣宇.改進算法單神經(jīng)元PID在飛輪儲能系統(tǒng)中的研究[J].機械設(shè)計與制造,2009(5)： 127-129.

[18]孫杰.飛輪儲能電源恒壓放電控制方法的研究[D].天津： 天津大學(xué),2011.

[19]OLIVEIRA J G, BERNHOFF H. Power electronics and control of two-voltage-level flywheel based all-electric driveline[C]∥ Industrial Electronics (ISIE), 2011： 1659-1665.

[20]WEISSBACH R S, KARADY G G, FARMER R G. A combined uninterruptible power supply and dynamic voltage compensator using a flywheel energy storage system[J]. Power Delivery, 2001,16(2)： 265-270.

[21]何瑞金.飛輪儲能控制系統(tǒng)及能量回饋技術(shù)的研究[D].上海： 東華大學(xué),2004.

[22]MACLAURIN A, OKOU R, BARENDSE P. Control of a flywheel energy storage system for rural applica-tions using a split-pi DC-DC converter[C]∥Electric Machines & Drives Conference, 2011： 265-270.

[23]王楠,李永麗,張瑋亞,等.飛輪儲能系統(tǒng)放電模式下的非線性控制算法[J].中國電機工程學(xué)報,2013,33(19)： 1-7.

[24]付雄新.飛輪電池放電控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究[J].自動化與儀器儀表,2013(4)： 22-25.

[25]荀尚峰,李鐵才,周兆勇.飛輪儲能系統(tǒng)放電單元無源化控制方法研究[J].電機與控制學(xué)報,2010,14(7)： 7-12.

[26]黃宇淇,姜新建,邱阿瑞.飛輪儲能能量回饋控制方法[J].清華大學(xué)學(xué)報,2008,48(7)： 1085-1088.

[27]陳峻嶺,姜新建,朱東起,等.基于飛輪儲能技術(shù)的新型UPS的研究[J].清華大學(xué)學(xué)報,2004,44(10)： 1321-1324.

[28]李雪松.飛輪儲能系統(tǒng)電動發(fā)電運行控制技術(shù)的研究[D].北京： 華北電力大學(xué),2006.

[29]周龍,齊智平.解決配電網(wǎng)電壓暫降問題的飛輪儲能單元建模與仿真[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(19)： 152-158.

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