飛輪儲能高速異步電機儲能發(fā)電模擬實驗研究

陳小玲，彭 文，仇志堅

(1.上海大學，上海 200072；2.上海科油石油儀器制造有限公司，上海 200072)

飛輪儲能高速異步電機儲能發(fā)電模擬實驗研究

陳小玲1，彭 文2，仇志堅1

(1.上海大學，上海 200072；2.上海科油石油儀器制造有限公司，上海 200072)

針對飛輪儲能用高速異步電機升速儲能和降速發(fā)電的控制展開研究，搭建了一套高速異步電機對拖實驗平臺，以模擬飛輪儲能系統(tǒng)升速儲能和降速發(fā)電的實驗過程，并結(jié)合實驗結(jié)果分析了頻率差和調(diào)制度對升速儲能和降速發(fā)電實驗的影響，從而驗證了該數(shù)學模型的正確性，為進一步的變頻率差控制和電壓閉環(huán)控制打下基礎。

飛輪儲能；異步電動機/發(fā)電機；V/f控制；能量回饋

Simulation Experimental Research on Energy Storage and Power Generation of

0 引 言

近年來，隨著太陽能、風能等新能源的開發(fā)應用，為了更加有效地利用這些新能源，飛輪儲能技術越來越備受關注[1-2]。用于飛輪儲能的電機主要有永磁同步電機、永磁無刷直流電機、開關磁阻電機和鼠籠異步電機等，而異步電機技術成熟，制造工藝簡單，使用廣泛，具有價格低廉，控制簡單等優(yōu)點[3-4]，在飛輪儲能系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

飛輪儲能電機的控制方式主要有V/f控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等[5-8]。其中，文獻[5]介紹了用于微電網(wǎng)的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略，充放電均采用V/f控制方式，進行了充放電的MATLAB仿真，但沒有對V/f控制過程中的參數(shù)影響進行分析；文獻[6]介紹了采用異步電機的飛輪儲能系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場定向控制兩種控制方式，并進行了兩種控制方式在不同功率飛輪儲能系統(tǒng)上的充放電MATLAB仿真和實驗，指出直接轉(zhuǎn)矩控制相對于磁場定向控制在效率等方面存在優(yōu)勢；文獻[7]介紹了用于船舶動力系統(tǒng)的飛輪儲能系統(tǒng)，采用磁場定向控制方式，進行了充放電的MATLAB仿真；文獻[8]詳細介紹了飛輪儲能系統(tǒng)的充放電控制策略，充電采用矢量控制方式，放電采用V/f控制方式，并進行了充放電的MATLAB仿真，但也沒有對V/f控制過程中的參數(shù)影響進行分析。

本文從實驗著手，針對升速儲能和降速發(fā)電過程均采用V/f控制方式的超導飛輪儲能系統(tǒng)，搭建了模擬對拖實驗平臺，進行了飛輪儲能系統(tǒng)升速儲能和降速發(fā)電過程的模擬實驗，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對比分析了調(diào)制度對升速儲能的影響，以及頻率差和調(diào)制度分別對降速發(fā)電的影響。

1 系統(tǒng)結(jié)構及原理

超導飛輪儲能系統(tǒng)主要包括電動/發(fā)電集成電機、徑向和軸向超導懸浮系統(tǒng)、飛輪和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其結(jié)構示意圖如圖1所示。

飛輪儲能系統(tǒng)的基本工作原理主要包括升速儲能、降速發(fā)電兩個部分。升速儲能是通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對飛輪電機進行升速，帶動飛輪高速運轉(zhuǎn)，將電能儲存為機械能；而降速發(fā)電相反，是通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將高速運轉(zhuǎn)的飛輪機械能通過飛輪電機轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)發(fā)電。

圖1 超導飛輪儲能結(jié)構示意圖

1.1 模擬系統(tǒng)結(jié)構和原理

為了更好地實現(xiàn)對飛輪儲能系統(tǒng)的控制，并了解和掌握飛輪儲能系統(tǒng)升速儲能和降速發(fā)電過程中的電機運行規(guī)律和參數(shù)調(diào)試方法，有必要對飛輪儲能用高速異步電機進行升速儲能和降速發(fā)電的控制實驗，以模擬實際飛輪的運行過程。

本文用以模擬飛輪儲能系統(tǒng)實驗平臺的示意圖如圖2所示，包括兩臺用聯(lián)軸器相連的高速異步電機M1和M2、通用變頻器、逆變器、控制器和負載直流燈泡，其中電機M1和M2的作用分別是模擬飛輪和飛輪電機的運行情況。

圖2 模擬飛輪儲能系統(tǒng)實驗平臺示意圖

升速儲能時通用變頻器不工作，采用V/f控制方式使控制器輸出PWM信號，用來控制逆變器的開關管狀態(tài)，使電機M2工作于電動機狀態(tài)，并使電機M2升速到設定轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)飛輪升速儲能的模擬過程；降速發(fā)電時，依然采用V/f控制方式，通過控制通用變頻器設定電機M1的同步頻率fM1，使電機M1的轉(zhuǎn)速到達飛輪轉(zhuǎn)速n，電機M1旋轉(zhuǎn)帶動電機M2，再通過控制器設定電機M2的同步頻率fM2，使得M2的同步轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)速n，電機M2處于回饋制動發(fā)電狀態(tài)。由于實際飛輪在降速發(fā)電過程中轉(zhuǎn)速是不斷降低的，因此可以在保持2個電機同步頻率差恒定的情況下，以相同斜率同步降頻，來模擬實際飛輪發(fā)電過程。

1.2 升速儲能控制原理

對飛輪儲能的過程也就是集成電機的升速過程，對于異步電機來說常用的控制方式主要有V/f控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制3種。

本文所研究的超導飛輪儲能裝置結(jié)構復雜，內(nèi)部不便安裝測速傳感器，并且電機轉(zhuǎn)速比較高，不適合安裝光碼盤等機械傳感器，因此該裝置控制上不能采用直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制，再考慮到無速度傳感器方法的復雜性，并且飛輪儲能時對轉(zhuǎn)速精度的要求不高，所以本文選擇了V/f控制方式。

V/f控制原理框圖如圖3所示。給定頻率f*，通過V/f曲線計算出載波比N和調(diào)制度M，進而算出開通時間Ton，生成SPWM波，控制逆變器的開通和關斷，從而達到變頻調(diào)速的目的。

圖3 V/f控制原理框圖

1.3 降速發(fā)電原理

異步電機的機械特性曲線如圖5所示，其中曲線1,2分別表示不同頻率f1和f2下的機械特性，且f2

圖4 異步電機機械特性曲線

1.4 發(fā)電控制的數(shù)學模型

在發(fā)電過程中，調(diào)制度M和2臺電機的頻率差對發(fā)電性能的影響較大，所以需要建立調(diào)制度和頻率差與直流母線電壓的數(shù)學模型：

根據(jù)異步電機一字型簡化等效電路有：

式中:ωs為定子電壓角頻率;P2為輸出機械功率。

若不計附加損耗和機械損耗，且不計變換器損耗，電機電磁功率、機械功率和負載消耗的功率應在任何瞬間都平衡，即：

式中:ωr為電機轉(zhuǎn)子角頻率;rL為負載電阻。

將式(1)代入式(2)，然后再代入式(3)整理化簡得到：

式中:ψm為氣隙磁鏈，Δωr為轉(zhuǎn)差角速度。從式中可以看出當負載rL恒定，轉(zhuǎn)差角速度(轉(zhuǎn)差頻率)Δωr固定，采用V/f控制氣隙磁鏈ψm恒定，直流母線電壓Udc隨電機轉(zhuǎn)速ωr的下降而降低。

由于不計變換器損耗，負載消耗的功率應時刻等于輸入機械功率。可得機械功率：

PWM變頻器直流母線電壓Udc，逆變電壓U1和調(diào)制比M三者存在如下關系[12]：

將式(7)代入式(6)化簡可得：

由式(8)可以看出假定負載恒定，Idc約等于常值，轉(zhuǎn)差頻率恒定時，直流母線電壓Udc隨調(diào)制度M的增大而減小；若調(diào)制度M恒定時，直流母線電壓Udc隨轉(zhuǎn)差頻率的增大而增大。

2 儲能和發(fā)電實驗

本文搭建了一套兩臺1.5 kW，18 000 r/min的高速異步電機對拖實驗平臺，進行了模擬飛輪儲能系統(tǒng)的升速儲能和降速發(fā)電的實驗。模擬飛輪儲能系統(tǒng)實驗平臺實物圖如圖5所示。

圖5 模擬飛輪儲能系統(tǒng)實驗平臺實物圖

2.1 升速儲能實驗

升速儲能實驗是電機M2采用V/f控制方式升速到設定轉(zhuǎn)速11 747 r/min(200 Hz)，在低頻段若不對電壓補償，實驗中直接加調(diào)壓器時電機起動電流會很大，且電機轉(zhuǎn)速升不上去；而補償電壓大小不同時電機相電流大小也會不同，實驗結(jié)果如圖6所示。

(a) M=0.3

(b) M=0.2

圖6中，圖6(a)為補償調(diào)制度M=0.3下的相電壓Ua和相電流Ia；圖6(b)為補償調(diào)制度M=0.2下的相電壓Ua和相電流Ia。

從圖6中可以看出，補償調(diào)制度M越大,相電流Ia會越大，原因是定子頻率一定時，補償調(diào)制度越大,定子補償電壓越大，而定子電阻一定，相應的定子相電流也就越大；補償調(diào)制度M越大，相電壓Ua與頻率f的斜率越小。

2.2 降速發(fā)電實驗

2.2.1 頻率差和調(diào)制度實驗

固定頻率差開環(huán)同步降速發(fā)電實驗，首先要找出頻率差和調(diào)制度分別對負載電壓和相電流的影響。為此，本文做了低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)頻率差和調(diào)制度分別對負載電壓Udc和相電流Ia的影響的實驗，負載為直流15 W燈泡，實驗結(jié)果如圖7和圖8所示。 從圖7可以看出：當頻率fM1和fM2差值一定時，直流母線電壓Udc隨調(diào)制度M的增大而減小，而相電流Ia隨調(diào)制度M的增大而增大；從圖8可以看出：當調(diào)制度M和頻率fM2一定時，負載燈泡電壓Udc隨頻率fM1的增大而增大，也即隨固定頻率差的增大而增大，相電流Ia也是隨fM1的增大而增大。

圖7 頻率差為5 Hz，不同調(diào)制度下的負載電壓和相電流

圖8 調(diào)制度為0.5，不同頻率差下的負載電壓和相電流

圖7和圖8均與式(8)的分析相一致，驗證了理論的正確性。

2.2.2 定頻率差同步降速實驗

電機M1模擬飛輪降速，變頻器初始頻率163.3 Hz，對應的初始轉(zhuǎn)速為9 677 r/min，降頻斜率1 Hz/s(60 r/s)；電機M2初始定子給定頻率為160 Hz，降頻斜率也為1 Hz/s，固定頻率差為3.3 Hz/s，此時直流母線電壓為230 V，然后同時降速，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的負載電壓Udc

從圖9中可以看出,電機轉(zhuǎn)速在6 000～8 000 r/min之間，直流母線電壓相對比較穩(wěn)定，在230 V左右；轉(zhuǎn)速在8 000 r/min以上時直流母線電壓波動范圍較大，原因可能在于拖動電機M1的變頻器在降速的過程中，降速不恒定而導致電壓忽高忽低；6 000 r/min以下轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速和定子頻率的同步降低,直流母線電壓在連續(xù)降低，與式(5)的分析一致。在降速發(fā)電過程中低轉(zhuǎn)速階段固定頻率差為3.3 Hz時，電機M2發(fā)出的能量不足以使直流母線電壓穩(wěn)定在230 V附近，為了維持230 V穩(wěn)定,可以考慮變頻率差控制或者電壓閉環(huán)控制。

3 結(jié) 語

本文搭建了模擬飛輪儲能系統(tǒng)的高速異步電機對拖實驗平臺，進行了模擬飛輪儲能系統(tǒng)升速儲能和降速發(fā)電的實驗。

升速儲能實驗結(jié)果表明，調(diào)制度M越大，相電流Ia越大，而相電壓Ua與頻率f的斜率越小；降速發(fā)電實驗結(jié)果表明，(1)調(diào)制度M和fM2一定時，負載燈泡電壓Udc和相電流Ia隨fM1的增大而增大;(2)轉(zhuǎn)速在8 000 r/min以上時直流母線電壓波動范圍較大，轉(zhuǎn)速在6 000～8 000 r/min之間時，直流母線電壓基本穩(wěn)定在230 V左右，轉(zhuǎn)速在6 000 r/min以下時，直流母線電壓隨轉(zhuǎn)速和定子頻率的同步降低而降低。

實驗結(jié)果達到了預期的效果，對進一步的變頻率差控制和電壓閉環(huán)控制起到了重要作用。

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High-Speed Asynchronous Machine for Flywheel Energy Storage Systems

CHENXiao-ling1,PENGWen2,QIUZhi-jian1

(1.Shanghai University,Shanghai 200072，China;2.Shanghai China Petroleum Instrument Co.,Ltd., Shanghai 200072，China)

The control of high-speed asynchronous motors accelerating energy storage and decelerating power generation for flywheel energy storage systems was studied, and an experimental platform was built with two high-speed asynchronous motors, for simulating experimental process of accelerating energy storage and decelerating power generation in the flywheel energy storage systems. Based on the experimental data, analyzing the influence of the frequency difference and the modulation depth on the accelerating energy storage and decelerating power generation experiments, accordingly verifying the validity of the mathematical model. A solid foundation was made by the experimental results for further study of the variable frequency difference control and the voltage closed-loop control.

flywheel energy storage; asynchronous motor/generator;V/fcontrol; energy feedback

2016-05-11

TM343

A

1004-7018(2017)03-0042-04

陳小玲(1989-),女,碩士研究生,研究方向為電機與電器。