基于双电机的储能飞轮启动控制算法研究

0  引言

飞轮储能是一种物理储能技术，能量存储在高速旋转的转子中。其能量转换装置是电机，充电时，电机驱动飞轮转子升速，能量由电能转化为动能进行存储，放电时，电机工作在发电状态，飞轮转子降速，能量由动能转化为电能。相比传统电化学储能方式，飞轮储能具有绿色环保、能量密度高、寿命长、易维护等优点，可以广泛地应用于不间断电源（UPS）、城市轨道交通、风电一次调频、电力调峰等领域^[1-3]。

飞轮储能技术门槛较高，其设计、生产、应用等需要解决若干关键技术问题，主要包含高压大功率高速电机设计、轴承设计、真空设计、散热设计及大功率双向变流器设计等，难度比较大。目前，国内市场上比较大的飞轮厂家主要有北京泓慧国际能源技术发展有限公司、深圳坎德拉公司、沈阳微控公司、华驰动能科技有限公司等，其飞轮产品转子大多采用特种钢材料，电机采用永磁同步电机，轴承在小容量飞轮中采用主动磁悬浮轴承，大容量飞轮采用主动/混合磁悬浮，是目前比较主流的技术路线。飞轮储能变流器作为飞轮的驱动装置，用于实现飞轮机械能与电能的转换控制，其运行的稳定可靠至关重要。由于飞轮转子转动惯量大、转速高，且飞轮电机具有特殊性，其启动控制方式不同于一般的永磁同步电机。

1  飞轮储能最小系统介绍

飞轮储能最小系统主要由储能变流器和飞轮本体组成，如图1所示。其中飞轮本体为核工业理化工程研究院自主开发，采用被动磁悬浮轴承技术；上下两组电机为飞轮的驱动装置，电机为永磁同步电机（PMSM），电机的转子与飞轮转子合为一体。飞轮外观示意图如图2所示。

由于飞轮负载的特殊性，市场上通用的电机变频器无法实现飞轮的驱动控制及频繁充放电控制，因此，核工业理化工程研究院进行了储能变流器的自主研发，专门用于飞轮的驱动控制。

储能变流器采用交直交变换方式，总体主要由AC/DC整流器、预充电回路、DC/AC逆变器和输出电抗器等构成，同时为了满足试验需求，配备直流泄放回路及直流负载。AC/DC部分采用二极管不控整流桥，为后级逆变器提供直流电源输入。预充电回路主要是为了防止电网电压经过整流器后直接加至直流母线电容，母线电压瞬间突变，造成瞬时电流过大，损坏整流器。DC/AC部分是逆变器，是飞轮变流器的关键部分，由于飞轮电机为上下电阻电机，因此逆变器为两组，通过控制系统对两路逆变器进行控制，驱动飞轮上下双电机，从而进行飞轮充放电控制，实现能量双向流动。电抗器主要用于抑制逆变器电流谐波分量，避免飞轮电机定子线圈发热严重。直流泄放回路主要用于飞轮放电测试试验，同时也在飞轮能量泄放时使用，以便飞轮异常时快速释放飞轮能量，保障设备及人身安全。

2  双电机启动控制算法

一般的永磁同步电机驱动大多采用基于无位置传感器方式的FOC（Field-Oriented Control，磁场定向控制），其启动模式一般分为如下两种：

1）电机低转速时开环启动，电机中高转速时采用转速、电流双闭环控制，即首先转速开环（I/F）启动，当转速达到某一设定阈值后，经过切换算法，转换为转速、电流双闭环控制，实现中高速阶段电机驱动控制^[4-6]。

2）双闭环直接启动，即电机从零速或极低转速开始直接按照转速、电流双闭环控制，这种控制方式对电机的无传感器算法性能要求比较严格。

储能飞轮的驱动装置采用上下双电机方式，由于电机及飞轮结构的特殊性，对两组电机的均分控制特性要求比较严格，如果两组电机控制不均衡，很容易造成飞轮转子的振荡，严重时会损害飞轮轴承，甚至失控，一般的基于无传感器算法的永磁同步电机启动方式不太适用。因此，为了更加准确地实现储能飞轮的双电机启动控制，电机的驱动控制仍然采用基于FOC的SVPWM控制，但转子磁场位置的获取采用有位置传感器方式，其中位置传感器为旋转变压器。双电机启动控制算法主要包含以下几部分：

1）双电机正转向的确定：首先按照I/F启动方式驱动电机1，观察电机1转向，如果电机1转向为反向（顺时针方向），调整电机1三相输出线任意两根，否则不进行调整。按照同样方法进行电机2的正转向确认。

2）双电机转子初始位置的校准：由于双电机转子在同一个轴上，仅安装一个旋转变压器，为得到两个电机转子磁场的实际位置，需要进行定位和校准。首先向电机1定子q轴，按照电角度0°，通以一个足够大的q轴电流，将转子旋转至电角度90°位置，然后再向电机1定子d轴，按照电角度0°，通以一个足够大的d轴电流，将转子旋转至电角度0°位置，记录下此时旋转变压器得到的电机1转子位置θ₁*。再向电机1定子q轴，按照电角度0°，通以一个足够大的-q轴电流，将转子旋转至电角度-90°位置，然后再向电机1定子d轴，按照电角度0°，通以一个足够大的d轴电流，将转子旋转至电角度0°位置，记录下此时旋转变压器得到的电机1转子位置θ₂*。将θ₁*和θ₂*取均值，即为电机1转子对应的电角度0°角度偏差δ₁。永磁同步电机控制中电机1转子的实际位置θ₁为旋转变压器检测到的位置θ与角度偏差δ₁之和，即θ₁＝θ+δ₁。电机2的转子初始位置同样按照上述方法进行校准。

3）启动及运行阶段：由于电机的驱动控制采用带位置传感器的方式，因此启动阶段及运行可以直接采用转速、电流双闭环启动控制，其中转速环采用PI调节器，转速环的输出作为q轴电流环的输入参考值，d轴电流环的输入参考值设定为0，电流环的输出为电机端电压，经过SVPWM算法，分别控制两组三相逆变桥驱动两个电机运行。

3  试验验证

本文以核工业理化工程研究院自研的储能飞轮为试验对象，搭建了试验平台，飞轮储能试验台主要包含变流器及后级飞轮，由于飞轮体积比较大，同时为了人身安全，飞轮安装至地坑试验室中，飞轮变流器在控制室中，其外观及内部结构如图3所示。

为了更加安全地进行飞轮驱动，整个试验装置的输入电压需要通过调压器，将三相电网电压调整为试验所需的电压（低电压），首先进行飞轮转子位置的校准，当飞轮转子的角度校准完毕后，再通过调压器将电压调整为驱动所需电压（高电压）。

储能飞轮变流器按照前文所述启动控制算法，首先按照额定电流的10%进行电机正转向的确定，然后分别进行两组电机初始位置的校准，最后按照转速、电流双闭环进行电机的启动。启动时电流波形如图4所示，其中最上面波形为直流电压，中间两组波形为电机电流波形，最下面一组为直流电流波形，可以看到启动时电流波形平稳，电流随着电机转速的增加，频率也在缓慢增加，最后达到飞轮的额定转速。整个启动过程中，飞轮运行状态平稳，验证了启动控制策略的可行性。

4  结束语

本文针对采用双电机的储能飞轮，提出了一种新的启动控制算法，解决了基于同轴双电机的储能飞轮的启动驱动问题。最后搭建了试验装置，并进行了储能飞轮的驱动试验，将飞轮驱动至额定转速，整个启动过程平稳，验证了启动算法的有效性和可行性。