基于雙電機的儲能飛輪啟動控制算法研究

摘 要：針對采用雙電機的儲能飛輪，提出了一種新的啟動控制算法，解決了基于同軸雙電機的儲能飛輪啟動控制難的問題。最后搭建了試驗裝置，并進行了儲能飛輪的驅動試驗，將飛輪驅動至額定轉速，整個啟動過程平穩，驗證了控制算法的有效性和可行性。

關鍵詞：飛輪；雙電機；永磁同步電機

中圖分類號：TM921.5" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0015-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.004

0" " 引言

飛輪儲能是一種物理儲能技術，能量存儲在高速旋轉的轉子中。其能量轉換裝置是電機，充電時，電機驅動飛輪轉子升速，能量由電能轉化為動能進行存儲，放電時，電機工作在發電狀態，飛輪轉子降速，能量由動能轉化為電能。相比傳統電化學儲能方式，飛輪儲能具有綠色環保、能量密度高、壽命長、易維護等優點，可以廣泛地應用于不間斷電源（UPS）、城市軌道交通、風電一次調頻、電力調峰等領域[1-3]。

飛輪儲能技術門檻較高，其設計、生產、應用等需要解決若干關鍵技術問題，主要包含高壓大功率高速電機設計、軸承設計、真空設計、散熱設計及大功率雙向變流器設計等，難度比較大。目前，國內市場上比較大的飛輪廠家主要有北京泓慧國際能源技術發展有限公司、深圳坎德拉公司、沈陽微控公司、華馳動能科技有限公司等，其飛輪產品轉子大多采用特種鋼材料，電機采用永磁同步電機，軸承在小容量飛輪中采用主動磁懸浮軸承，大容量飛輪采用主動/混合磁懸浮，是目前比較主流的技術路線。飛輪儲能變流器作為飛輪的驅動裝置，用于實現飛輪機械能與電能的轉換控制，其運行的穩定可靠至關重要。由于飛輪轉子轉動慣量大、轉速高，且飛輪電機具有特殊性，其啟動控制方式不同于一般的永磁同步電機。

1" " 飛輪儲能最小系統介紹

飛輪儲能最小系統主要由儲能變流器和飛輪本體組成，如圖1所示。其中飛輪本體為核工業理化工程研究院自主開發，采用被動磁懸浮軸承技術；上下兩組電機為飛輪的驅動裝置，電機為永磁同步電機（PMSM），電機的轉子與飛輪轉子合為一體。飛輪外觀示意圖如圖2所示。

由于飛輪負載的特殊性，市場上通用的電機變頻器無法實現飛輪的驅動控制及頻繁充放電控制，因此，核工業理化工程研究院進行了儲能變流器的自主研發，專門用于飛輪的驅動控制。

儲能變流器采用交直交變換方式，總體主要由AC/DC整流器、預充電回路、DC/AC逆變器和輸出電抗器等構成，同時為了滿足試驗需求，配備直流泄放回路及直流負載。AC/DC部分采用二極管不控整流橋，為后級逆變器提供直流電源輸入。預充電回路主要是為了防止電網電壓經過整流器后直接加至直流母線電容，母線電壓瞬間突變，造成瞬時電流過大，損壞整流器。DC/AC部分是逆變器，是飛輪變流器的關鍵部分，由于飛輪電機為上下電阻電機，因此逆變器為兩組，通過控制系統對兩路逆變器進行控制，驅動飛輪上下雙電機，從而進行飛輪充放電控制，實現能量雙向流動。電抗器主要用于抑制逆變器電流諧波分量，避免飛輪電機定子線圈發熱嚴重。直流泄放回路主要用于飛輪放電測試試驗，同時也在飛輪能量泄放時使用，以便飛輪異常時快速釋放飛輪能量，保障設備及人身安全。

2" " 雙電機啟動控制算法

一般的永磁同步電機驅動大多采用基于無位置傳感器方式的FOC（Field-Oriented Control，磁場定向控制），其啟動模式一般分為如下兩種：

1）電機低轉速時開環啟動，電機中高轉速時采用轉速、電流雙閉環控制，即首先轉速開環（I/F）啟動，當轉速達到某一設定閾值后，經過切換算法，轉換為轉速、電流雙閉環控制，實現中高速階段電機驅動控制[4-6]。

2）雙閉環直接啟動，即電機從零速或極低轉速開始直接按照轉速、電流雙閉環控制，這種控制方式對電機的無傳感器算法性能要求比較嚴格。

儲能飛輪的驅動裝置采用上下雙電機方式，由于電機及飛輪結構的特殊性，對兩組電機的均分控制特性要求比較嚴格，如果兩組電機控制不均衡，很容易造成飛輪轉子的振蕩，嚴重時會損害飛輪軸承，甚至失控，一般的基于無傳感器算法的永磁同步電機啟動方式不太適用。因此，為了更加準確地實現儲能飛輪的雙電機啟動控制，電機的驅動控制仍然采用基于FOC的SVPWM控制，但轉子磁場位置的獲取采用有位置傳感器方式，其中位置傳感器為旋轉變壓器。雙電機啟動控制算法主要包含以下幾部分：

1）雙電機正轉向的確定：首先按照I/F啟動方式驅動電機1，觀察電機1轉向，如果電機1轉向為反向（順時針方向），調整電機1三相輸出線任意兩根，否則不進行調整。按照同樣方法進行電機2的正轉向確認。

2）雙電機轉子初始位置的校準：由于雙電機轉子在同一個軸上，僅安裝一個旋轉變壓器，為得到兩個電機轉子磁場的實際位置，需要進行定位和校準。首先向電機1定子q軸，按照電角度0°，通以一個足夠大的q軸電流，將轉子旋轉至電角度90°位置，然后再向電機1定子d軸，按照電角度0°，通以一個足夠大的d軸電流，將轉子旋轉至電角度0°位置，記錄下此時旋轉變壓器得到的電機1轉子位置θ1*。再向電機1定子q軸，按照電角度0°，通以一個足夠大的-q軸電流，將轉子旋轉至電角度-90°位置，然后再向電機1定子d軸，按照電角度0°，通以一個足夠大的d軸電流，將轉子旋轉至電角度0°位置，記錄下此時旋轉變壓器得到的電機1轉子位置θ2*。將θ1*和θ2*取均值，即為電機1轉子對應的電角度0°角度偏差δ1。永磁同步電機控制中電機1轉子的實際位置θ1為旋轉變壓器檢測到的位置θ與角度偏差δ1之和，即θ1=θ+δ1。電機2的轉子初始位置同樣按照上述方法進行校準。

3）啟動及運行階段：由于電機的驅動控制采用帶位置傳感器的方式，因此啟動階段及運行可以直接采用轉速、電流雙閉環啟動控制，其中轉速環采用PI調節器，轉速環的輸出作為q軸電流環的輸入參考值，d軸電流環的輸入參考值設定為0，電流環的輸出為電機端電壓，經過SVPWM算法，分別控制兩組三相逆變橋驅動兩個電機運行。

3" " 試驗驗證

本文以核工業理化工程研究院自研的儲能飛輪為試驗對象，搭建了試驗平臺，飛輪儲能試驗臺主要包含變流器及后級飛輪，由于飛輪體積比較大，同時為了人身安全，飛輪安裝至地坑試驗室中，飛輪變流器在控制室中，其外觀及內部結構如圖3所示。

為了更加安全地進行飛輪驅動，整個試驗裝置的輸入電壓需要通過調壓器，將三相電網電壓調整為試驗所需的電壓（低電壓），首先進行飛輪轉子位置的校準，當飛輪轉子的角度校準完畢后，再通過調壓器將電壓調整為驅動所需電壓（高電壓）。

儲能飛輪變流器按照前文所述啟動控制算法，首先按照額定電流的10%進行電機正轉向的確定，然后分別進行兩組電機初始位置的校準，最后按照轉速、電流雙閉環進行電機的啟動。啟動時電流波形如圖4所示，其中最上面波形為直流電壓，中間兩組波形為電機電流波形，最下面一組為直流電流波形，可以看到啟動時電流波形平穩，電流隨著電機轉速的增加，頻率也在緩慢增加，最后達到飛輪的額定轉速。整個啟動過程中，飛輪運行狀態平穩，驗證了啟動控制策略的可行性。

4" " 結束語

本文針對采用雙電機的儲能飛輪，提出了一種新的啟動控制算法，解決了基于同軸雙電機的儲能飛輪的啟動驅動問題。最后搭建了試驗裝置，并進行了儲能飛輪的驅動試驗，將飛輪驅動至額定轉速，整個啟動過程平穩，驗證了啟動算法的有效性和可行性。

[參考文獻]

[1] 戴興建，姜新建，王秋楠，等.1 MW/60 MJ飛輪儲能系統設計與實驗研究[J].電工技術學報，2017，32（21）：169-175.

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[3] 唐西勝，劉文軍，周龍，等.飛輪陣列儲能系統的研究[J].儲能科學與技術，2013，2（3）：208-221.

[4] 王要強，馬小勇，程志平，等.PMSM轉子初始位置檢測分析及起動策略[J].電力自動化設備，2016，36（9）：156-161.

[5] 朱萬平，孫耀程，胡勤豐，等.永磁同步電機無傳感器單電流環啟動及閉環切換研究[J].機電工程，2015，32（1）：74-77.

[6] 王子輝，葉云岳.反電勢算法的永磁同步電機無位置傳感器自啟動過程[J].電機與控制學報，2011，15（10）：36-42.

收稿日期：2024-12-11

作者簡介：趙武玲（1980—），女，河北人，碩士，高級工程師，研究方向：儲能飛輪電氣控制。