基于飛輪電池的應(yīng)急備用電站充電控制系統(tǒng)研究

趙中玉，孫曉靜，劉文莉

(1.蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.蘭州電源車輛研究所有限公司，甘肅 蘭州 730050;3.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

目前應(yīng)急備用電站發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并已廣泛應(yīng)用，但由于其實(shí)現(xiàn)市電到應(yīng)急備用電站切換過程中不間斷供電的是使用化學(xué)電池，造成充電時間長、占據(jù)空間大、使用壽命短、對環(huán)境造成污染等問題。而飛輪電池克服了這些問題，已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)［1-4］。

飛輪電池是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其能量的轉(zhuǎn)換主要是通過雙向電動機(jī)/發(fā)電機(jī)、整流/逆變電力電子控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。其中雙向電機(jī)可供選擇的有五種［5］:即感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、“寫極”電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。目前，國內(nèi)外對飛輪電池的應(yīng)用研究主要是針對感應(yīng)電機(jī)和永磁無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究［6-8］，但由于前者轉(zhuǎn)速不能太高;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差損耗大;而后者工作磁場是步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場，很容易產(chǎn)生脈動，同時伴有較大噪聲。因此本文將采用轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低，即具有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，又具有直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗的永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM)來作為飛輪電池的驅(qū)動電機(jī)。電力電子裝置采用電路簡單，能實(shí)現(xiàn)能量雙向流動的雙PWM變流器方式。

由于PMSM是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，受外界干擾及內(nèi)部攝動等不確定因素影響，傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器很難滿足高性能控制要求［9-10］。因此提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的快速充電控制策略，并通過MATLAB/Simulink仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制策略的正確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于飛輪電池的應(yīng)急備用電站主要由市電電網(wǎng)、應(yīng)急備用電站、飛輪電池及整流/逆變裝置組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖中ATS的作用是保證電網(wǎng)在任何情況下只有一路交流電輸出;靜態(tài)開關(guān)的作用是由電網(wǎng)供電旁路切換至飛輪電池供電。由于靜態(tài)開關(guān)選用的是快速晶閘管，其接通時間只有微秒級，因此依靠這種技術(shù)，可以對負(fù)載實(shí)現(xiàn)由市電到應(yīng)急備用電站轉(zhuǎn)換時的不間斷供電。

2 充電模式下電網(wǎng)側(cè)PWM變流器控制

圖2為連接在電網(wǎng)側(cè)的三相電壓型橋式PWM變流器結(jié)構(gòu)圖。其控制方式采用的是直接電流控制，以實(shí)現(xiàn)PWM整流電路工作時功率因數(shù)近似為1的控制;控制方法為滯環(huán)電流控制，其控制框圖如圖3所示。

圖2 電網(wǎng)側(cè)PWM變流器結(jié)構(gòu)圖

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 中的控制系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，其外環(huán)為直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為交流電流控制環(huán)。由于分別是和各自的電源電壓同相位、其幅值和反映負(fù)載電流大小的直流信號iD成正比，因此可實(shí)現(xiàn)PWM1變流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

3 充電模式下飛輪電池側(cè)PWM變流器控制

圖4為連接在飛輪電池(永磁電機(jī))側(cè)的三相橋式PWM變流器。

圖4 飛輪電池側(cè)PWM變流器結(jié)構(gòu)圖

3.1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁電機(jī)在dq軸的數(shù)學(xué)模型主要由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組成。引入回轉(zhuǎn)器理論，其在dq軸下的簡化等效電路如圖 5 所示［11］。圖中 pnψfωm= ωrψf。

電路的電壓、磁鏈及轉(zhuǎn)矩方程如式(1)、(2)、(3):

圖5 飛輪電池充電時的等效電路圖

這里ud，uq，id和iq表示永磁同步電機(jī)在q軸、d軸的電壓和電流;L=Ld=Lq表示定子線圈在d、q軸的電感;p是微分算子;Rs是定子電阻;ωr、ωm是電磁和機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度;Te是電磁轉(zhuǎn)矩;pn是極對數(shù);ψf是磁通;J是飛輪轉(zhuǎn)動慣量;RΩ是磨擦因數(shù)。

3.2 磁場定向矢量控制策略研究

飛輪電機(jī)側(cè)PWM變流器采用的是磁場定向矢量控制方式［12］，即id=0，如圖6。此方式無電樞反應(yīng)的去磁作用，輸出力矩與定子電流成正比，控制最為簡單。

圖6 飛輪電機(jī)側(cè)PWM變流器控制策略

根據(jù)轉(zhuǎn)子速度與給定速度比較后經(jīng)由滑模控制器輸出控制轉(zhuǎn)矩的電流信號iq，id、iq經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器及電流內(nèi)環(huán)的解耦電路(采用式⑴)得到電壓給定，經(jīng)反Park變換產(chǎn)生SVPWM的控制電壓Uα和Uβ。

3.3滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計

(1)控制器設(shè)計

取PMSM系統(tǒng)的狀態(tài)變量為:

結(jié)合式(2)和(3)得:

設(shè)計系統(tǒng)的滑模面s為:

對s求偏導(dǎo)有:

由指數(shù)趨近律法，得:

式中 ε ＞0、k＞0。

最后由式(10)得:

由式(11)可以看出，求解較為簡單，易于軟件編程實(shí)現(xiàn)。

(2)穩(wěn)定性分析

利用Lyapunov穩(wěn)定性理論分析。選擇Lyapunov函數(shù)為:

對其求導(dǎo)得:

系統(tǒng)一旦進(jìn)入滑模面(s=0)，即進(jìn)入滑模控制狀態(tài)?？傻没？刂葡碌倪\(yùn)動微分方程:

解此方程得:

式中c為常數(shù)。當(dāng)t→∞時，x1沿指數(shù)趨于零，即能無超調(diào)的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤。此時，系統(tǒng)的品質(zhì)完全由開關(guān)面的參數(shù)c決定，而與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關(guān)，其穩(wěn)定時間也只與c有關(guān)，因而具有很好的魯棒性和快速性。

4 飛輪充電系統(tǒng)仿真

應(yīng)用MATLAB仿真軟件，在Simulink中建立了系統(tǒng)的仿真模型，并對其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

4.1 電網(wǎng)側(cè)PWM變流器控制系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)采用圖3所示的控制方案。圖 7為直流側(cè)電壓仿真波形。圖8為電網(wǎng)側(cè) 電 壓/電流仿真波形。

圖7中顯示仿真開始后直流側(cè)電壓迅速上升到給定值，在1 s發(fā)生負(fù)載擾動時，由于電壓閉環(huán)的作用，直流電壓經(jīng)過短暫下降后迅速恢復(fù)到給定值。圖8為電網(wǎng)側(cè)PWM變流器輸入電壓和電流仿真波形，可看出網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流基本保持在同一相位，系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。負(fù)載增大時，電流的幅值迅速增大，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)好。

圖7 直流側(cè)電壓仿真波形

圖8 交流側(cè)電壓/電流仿真波形

4.2 飛輪電池側(cè)PWM變流器控制系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)采用如圖6所示的控制方案。速度調(diào)節(jié)器采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器或PI控制器。圖9和圖10分別為PI控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制下的飛輪電池起動時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和三相電流響應(yīng)波形，給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

從仿真波形中可以看出，在 PI作用下，系統(tǒng)起動存在超調(diào)，并有一定的調(diào)節(jié)時間，而在滑模變結(jié)構(gòu)控制下，系統(tǒng)能夠很快的抑制超調(diào)量，并達(dá)到轉(zhuǎn)速給定，具有較強(qiáng)的快速性和魯棒性。

圖9 PI控制

圖10 滑模變結(jié)構(gòu)控制

5 結(jié)束語

本文針對飛輪電池在應(yīng)急備用電站中要求快速充電的特點(diǎn)，采用直接電流控制實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)PWM變流器的單位功率因數(shù)運(yùn)行;同時設(shè)計了一種簡單易行的變參數(shù)趨近律滑模速度控制器，并將其與傳統(tǒng)PI控制器進(jìn)行了仿真比較。研究結(jié)果表明，所設(shè)計的滑模變結(jié)構(gòu)控制器算法簡單，易于軟件實(shí)現(xiàn);系統(tǒng)響應(yīng)快，對轉(zhuǎn)速超調(diào)有明顯的抑制;對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動、外部干擾等不確定性具有較強(qiáng)的穩(wěn)定魯棒性和抗干擾性，滿足飛輪電池快速充電的要求。

［1］GEORGE N PRODROMIDIS，F(xiàn)RANK A，COUTELIERIS.Simulations of economical and technical feasibility of battery and flywheel hybrid energy storage systems in autonomous projects［J］.Renewable Energy，2011，39(1):149-153.

［2］ARGHANDEH R，PIPATTANASOMPORN M，RAHMAN S.Flywheel energy storage systems for ride-through.applications in a facility microgrid［C］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(4):1955-1962.

［3］BITTERLY J G.Flywheel technology past，present，and 21stcentury projections［J］.IEEE AES Systems Magazine，1998，13(8):13-16.

［4 ］CHEN JUNLING，JIANG XINJIAN，ZHU DONGQI，et al.A novel uninterruptible power supply using flywheel energy storage unit［C］.Power Electronics and Motion Control Conference，2004，3(8):1180-1184.

［5］湯雙清.飛輪儲能技術(shù)及應(yīng)用［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2007.

［6］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.

［7］王健，康龍云，曹秉剛，等.新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的控制策略［J］.太陽能學(xué)報，2006，27(7):704-708.

［8］KAIROUS D，WAMKEUE R.DFIG-based fuzzy sliding-mode control of WECS with a flywheel energy storage［J］.Electric Power Systems Research，2012，93:16-23.

［9］方斯琛，周波，黃佳佳，等.滑?？刂朴来磐诫妱訖C(jī)調(diào)速系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2008，23(8):29-35.

［10］汪海波，周波，方斯琛.永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的滑?？刂疲跩］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24(9):71-76.

［11］AKAGIANDH H.SATO:Advanced high-speed flywheel energy storage systems for pulsed power application［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，17(1):109-116.

［12］韓金剛，陳昆明，湯天浩.半直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與電流解耦控制研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(10):110-115.