電勵磁同步電機(jī)慣性儲能直流饋電系統(tǒng)新型單位功率因數(shù)控制

劉　洋　史黎明　趙　魯　李耀華

（1.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實驗室（中國科學(xué)院電工研究所） 北京　100190 2.中國科學(xué)院大學(xué)　北京　100190）

電勵磁同步電機(jī)慣性儲能直流饋電系統(tǒng)新型單位功率因數(shù)控制

劉洋1，2史黎明1趙魯1李耀華1

（1.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實驗室（中國科學(xué)院電工研究所） 北京100190 2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100190）

電勵磁同步電機(jī)慣性儲能直流饋電系統(tǒng)中，同步電機(jī)存在定子磁鏈幅值、功率因數(shù)和直流母線電壓3個控制自由度。為減少系統(tǒng)的無功功率，并提高系統(tǒng)的效率，需控制直流母線電壓基本恒定以及提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。該文從上述兩個控制需求出發(fā)，提出一種電勵磁同步電機(jī)新型單位功率因數(shù)控制方法，該方法采用轉(zhuǎn)子磁場定向，對功率因數(shù)和直流母線電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，將三自由度降為二自由度。仿真計算和在電勵磁同步電機(jī)慣性儲能系統(tǒng)平臺上的實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的電機(jī)直軸電流為零的控制方法相比，該文提出的方法在保證直流母線電壓基本恒定的同時，使同步電機(jī)的功率因數(shù)提高至0.97，視在功率減少28%，可有效減少系統(tǒng)無功功率。

同步電機(jī)慣性儲能電勵磁磁場定向控制單位功率因數(shù)

0　引言

近年來，電勵磁同步電機(jī)（Excited SynchronousMotor，ESM）慣性儲能直流饋電系統(tǒng)由于儲能密度高、功率密度大、循環(huán)壽命長以及功率因數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)［1-4］，在大功率場合得到廣泛應(yīng)用，如脈沖功率電源［5］、微網(wǎng)［6-8］、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)［9，10］等。

慣性儲能直流饋電系統(tǒng)的基本要求是維持基本恒定的直流母線電壓以及快速輸出負(fù)載所需電功率。系統(tǒng)在釋放能量過程中，同步電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)速下降，同步電機(jī)端電壓的幅值和頻率也在變化。同時，直流電壓也隨負(fù)載而變化。對于變負(fù)載的同步電機(jī)直流饋電系統(tǒng)，穩(wěn)定直流電壓的方法主要有兩大類:一是同步電機(jī)輸出端不穩(wěn)壓，但直流端穩(wěn)壓，稱為單端口穩(wěn)壓；另一種是同步電機(jī)輸出端基本穩(wěn)壓，且直流端也穩(wěn)壓，稱為雙端口穩(wěn)壓［3］。單端口穩(wěn)壓一般采用晶閘管可控整流或二極管不可控整流帶DC-DC變換器方式［11］，由于僅在直流端穩(wěn)壓，同步電機(jī)很難在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。另外，單端口穩(wěn)壓方法中一般需要較大的直流濾波環(huán)節(jié)。雙端口穩(wěn)壓通過調(diào)節(jié)氣隙磁場，在變負(fù)載情況下維持電機(jī)輸出端電壓基本穩(wěn)定，同時采用不可控整流帶DC-DC變換器實現(xiàn)直流側(cè)穩(wěn)壓，或直接采用全功率型PWM整流器實現(xiàn)高品質(zhì)直流饋電［12-15］。

同步電機(jī)慣性儲能直流饋電系統(tǒng)在大功率場合，單位功率因數(shù)運(yùn)行可減小變流器運(yùn)行容量，降低成本，提高系統(tǒng)儲能密度。文獻(xiàn)［16］在直驅(qū)隱極永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中，根據(jù)測量得到的磁極位置角度和定子電流幅值，利用定子電感和永磁體磁鏈參數(shù)，計算出定子磁鏈位置角度，按定子磁鏈定向控制電機(jī)的功率因數(shù)。但風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中一般采用最佳風(fēng)能捕捉方案，即控制外環(huán)為永磁同步電機(jī)的有功功率環(huán)而非直流電壓環(huán)，直流環(huán)節(jié)穩(wěn)壓的任務(wù)交由背靠背并網(wǎng)逆變器完成。另外，相比于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子固定勵磁，電勵磁同步電機(jī)在磁場調(diào)節(jié)、電機(jī)端穩(wěn)壓的控制更加靈活多樣。

由于勵磁環(huán)節(jié)可控，電勵磁同步電機(jī)控制上存在定子磁鏈、功率因數(shù)、直流母線電壓（或電機(jī)轉(zhuǎn)速、有功功率等外環(huán)控制量）［17，18］3個自由度。文獻(xiàn)［17］采用雙磁場定向控制，在定子磁場定向坐標(biāo)系下完成定子磁鏈、功率因數(shù)控制，并綜合這二者計算出勵磁電流參考值；之后通過坐標(biāo)變換，將定子直軸電流、轉(zhuǎn)速外環(huán)輸出的定子交軸電流參考值變換到轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系下d、q軸電流參考值，再經(jīng)PI控制器閉環(huán)調(diào)節(jié)完成對轉(zhuǎn)速的控制。文獻(xiàn)［19］同樣對電勵磁同步電機(jī)完成了上述3個自由度的控制，只是全部控制過程都在氣隙磁場定向坐標(biāo)系下完成。

本文從保證系統(tǒng)直流饋電電壓穩(wěn)定以及減少系統(tǒng)無功功率角度出發(fā)，對傳統(tǒng)電勵磁同步電機(jī)矢量控制方法進(jìn)行改進(jìn)，采用直流母線電壓和功率因數(shù)閉環(huán)控制，將三自由度降為二自由度，并在轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系下完成控制，形成一種適合慣性儲能直流饋電系統(tǒng)的電勵磁同步電機(jī)新型單位功率因數(shù)控制。

1　慣性儲能直流饋電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖1為電勵磁同步電機(jī)慣性儲能直流饋電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。由于電機(jī)漏感通常較小，一般在回路中串入泵升電感Lp以提高母線電壓達(dá)到需要的值。系統(tǒng)在儲能階段，三相PWM整流/逆變器（CV）工作模式為逆變，在電能釋放階段為PWM整流，由開關(guān)S1、S2控制兩個階段的切換。

圖1　同步電機(jī)慣性儲能直流饋電系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of ESM based inertia wheel energy storage system

將電勵磁同步電機(jī)等效為定子感應(yīng)電動勢es與定子電阻Rs的串聯(lián)，其與泵升電感Lp、CV電路、直流側(cè)電容C一起組成電壓型PWM整流器，如圖2所示。

圖2　同步電機(jī)直流饋電系統(tǒng)等效圖Fig.2　Equivalent diagram of ESM based inertia wheel energy storage system

由開關(guān)函數(shù)sk描述的PWM整流器模型為

式中，當(dāng)上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷時sk=1，反之sk= 0，k=a，b，c。

2　同步電機(jī)新型單位功率因數(shù)控制

同步電機(jī)電能釋放過程是同步電機(jī)慣性儲能直流饋電系統(tǒng)的關(guān)鍵，此時同步電機(jī)一直處于動態(tài)發(fā)電過程中，因此對電機(jī)控制的動態(tài)性能要求很高。本文采用以下方法進(jìn)行控制:①采用功率因數(shù)和轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制；②采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制。

電勵磁同步電機(jī)采用定子磁場定向或氣隙磁場定向方法，需要準(zhǔn)確觀測定子或氣隙磁鏈，而磁鏈觀測器易受電機(jī)參數(shù)、溫度及磁飽和程度變化的影響。在定子磁鏈幅值、功率因數(shù)、直流電壓3個自由度中，后兩者是直流饋電系統(tǒng)最基本的要求。省略定子磁鏈閉環(huán)控制，可降低系統(tǒng)控制復(fù)雜度，在更寬的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)增加系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性。通過在電機(jī)軸端安裝高分辨率絕對式編碼器，可精確獲得轉(zhuǎn)子磁場位置信息，且不受電機(jī)參數(shù)變化影響，因此可提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2.1勵磁側(cè)控制

圖3　同步電機(jī)單位功率因數(shù)發(fā)電狀態(tài)矢量圖Fig.3　Vector diagram of ESM in generating state with unity power factor

在圖3中，按電動機(jī)慣例，磁鏈滯后于感應(yīng)電動勢90°。以控制同步電機(jī)發(fā)電狀態(tài)定子感應(yīng)電動勢矢量es與相電流矢量is反向為目標(biāo)來控制勵磁電流，即可達(dá)到同步電機(jī)單位功率因數(shù)運(yùn)行。由圖3推導(dǎo)可得

式中，if為勵磁電流；Lsl為定子漏感；Lad、Laq分別為d、q軸勵磁電感；δ為空載感應(yīng)電動勢e0與定子電壓us兩矢量間的夾角。

式中，Lsd、Lsq分別為 d、q軸同步電感，Lsd=Lad+ Ls1，Lsq=Laq+Lsl。

按照式（3）計算出勵磁電流給定值i*f，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而控制同步電機(jī)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

2.2定子電樞側(cè)控制

圖4中，控制系統(tǒng)由直流母線電壓外環(huán)、同步電機(jī)電樞相電流內(nèi)環(huán)和勵磁電流環(huán)構(gòu)成。

圖4　同步電機(jī)新型單位功率因數(shù)控制框圖Fig.4　Block diagram of a novel unity power factor control for ESM

3　仿真與實驗

3.1仿真結(jié)果

1）仿真工況與參數(shù)

仿真工況如圖1所示。仿真開始前，系統(tǒng)已儲能完畢，同步電機(jī)具有穩(wěn)定的初始轉(zhuǎn)速；將開關(guān)S1斷開，S2閉合，系統(tǒng)開始運(yùn)行，同步電機(jī)將慣性儲能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載輸出有功功率，同時維持直流母線電壓基本恒定。

仿真設(shè)置同步電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，直流母線電壓參考值680 V，同步電機(jī)載波頻率4 kHz，勵磁載波頻率16 kHz。電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　電勵磁同步電機(jī)參數(shù)Tab.1　ESM parameter

2）仿真波形與分析

仿真中，同步電機(jī)從1.2 s開始向直流側(cè)負(fù)載饋電。圖5為負(fù)載的有功功率曲線，其峰值達(dá)到413 kW。圖6為同步電機(jī)d、q軸電流仿真波形，二者分別反向增加至-158 A和-802 A，其中負(fù)號表示此時同步電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電流矢量反向。

圖5　負(fù)載有功功率仿真波形Fig.5　Simulation of load active power

圖6　同步電機(jī)d、q軸電流仿真波形Fig.6　Simulation of d-，q-axis current in ESM

圖7為直流母線電壓參考值、實際值和同步電機(jī)轉(zhuǎn)速波形。同步電機(jī)轉(zhuǎn)速由1 500 r/min降至1 246 r/min，直流母線電壓由680 V降至約600 V。直流母線電壓略有跌落的主要原因是負(fù)載功率變化劇烈，而控制系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)需要一定的響應(yīng)時間，再加上數(shù)字控制的固有延遲，使同步電機(jī)輸出功率略滯后于負(fù)載需求，但輸出負(fù)載功率整體上升平穩(wěn)。

圖7　直流母線電壓、同步電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形Fig.7　Simulation of DC-link voltage and ESM speed

圖8　同步電機(jī)勵磁電壓及勵磁電流仿真波形Fig.8　Simulation of field voltage and current in ESM

在相同負(fù)載情況下，分別采用本文提出的新型單位功率因數(shù)控制方法及傳統(tǒng)isd=0控制方法，仿真得到同步電機(jī)a相電壓及電流波形如圖9所示，圖中電流波形顯示時均取反。

圖9　兩種控制方法下同步電機(jī)a相電壓及電流仿真波形Fig.9　Simulation of phase a voltage and current in ESM under two control schemes

圖9a中，電壓、電流相位基本相同，電機(jī)以單位功率因數(shù)運(yùn)行；圖9b中，二者之間存在一定的相位差。

根據(jù)圖9a和圖9b，分別計算出同步電機(jī)的有功功率、視在功率和功率因數(shù)，結(jié)果如表2所示?？梢姡捎帽疚奶岢龅姆椒?，同步電機(jī)功率因數(shù)顯著提高，視在功率有效減少。

表2　有功功率、視在功率和功率因數(shù)對比計算結(jié)果Tab.2　Calculated active，apparent power and power factor

3.2實驗結(jié)果

圖10為負(fù)載有功功率實驗波形，其峰值達(dá)到400 kW左右。

圖11為同步電機(jī)直流饋電過程d、q軸電流isd、isq及轉(zhuǎn)速nr的實驗波形。隨著負(fù)載功率逐漸增加，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速從1 500 r/min降至1 200 r/min左右；直軸電流isd增至-210 A左右，交軸電流isq增至-800 A左右。

圖10　負(fù)載有功功率實驗波形Fig.10　Experimental result of load active power

圖11　同步電機(jī)d、q軸電流及轉(zhuǎn)速實驗波形Fig.11　Experimental results of d-，q-axis current and speed in ESM

圖12為同步電機(jī)勵磁電壓uf與勵磁電流if實驗波形。與仿真中所述情況相同，當(dāng)同步電機(jī)d軸電流isd＞40 A時投入單位功率因數(shù)控制。

圖12　同步電機(jī)勵磁電壓與勵磁電流實驗波形Fig.12　Experimental results of field voltage and current in ESM

圖13為直流母線電壓udc與同步電機(jī)a相電流isa實驗波形。與仿真情況類似，由于負(fù)載有功功率變化劇烈，實驗中直流母線電壓略有跌落。

圖13　直流母線電壓與同步電機(jī)a相電流實驗波形Fig.13　Experimental results of DC-link voltage and phase a current in ESM

在相同的負(fù)載情況下，分別采用本文提出的新型單位功率因數(shù)控制及傳統(tǒng)isd=0控制進(jìn)行對比實驗，得到同步電機(jī)a相電壓及電流波形如圖14所示，圖中電流波形顯示時均取反。

圖14　兩種控制方法下同步電機(jī)a相電壓、電流試驗波形Fig.14　Experimental results of phase a voltage and current in ESM under two control schemes

圖14a中，相電壓、電流相位基本相同；圖14b中二者相位相差約2.7 ms，電流與電壓周期約為22 ms，即isa超前usa約44°，此時功率因數(shù)為0.72。因為isa顯示取反，所以實際上usa超前isa約136°，這表示此時同步電機(jī)向直流側(cè)負(fù)載傳輸有功及感性無功功率。

表3為采用兩種控制方法測得的實驗數(shù)據(jù)比較?？梢钥闯?，相比于isd=0控制方法，本文提出的新型單位功率因數(shù)控制方法將同步電機(jī)功率因數(shù)提高至0.97，系統(tǒng)視在功率減少28%。

表3　有功功率、視在功率和功率因數(shù)實驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果Tab.3　Experimental results of calculated active，apparent power and power factor

4　結(jié)論

本文提出了一種適合大功率電勵磁同步電機(jī)慣性儲能直流饋電系統(tǒng)的新型單位功率因數(shù)控制方法。對直流母線電壓及功率因數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制，降低了系統(tǒng)控制自由度。在轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系下實施控制，將電壓型PWM整流器的電流控制與同步電機(jī)控制相結(jié)合，即通過三相電流閉環(huán)控制，實現(xiàn)了同步電機(jī)單位功率因數(shù)運(yùn)行。與傳統(tǒng)isd=0控制方法對比結(jié)果表明，采用本文提出的新方法，同步電機(jī)的視在功率大幅降低，系統(tǒng)無功功率得到有效減少。

［1］戴興建，鄧占峰，劉剛，等.大容量先進(jìn)飛輪儲能電源技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（7）:133-140. DaiXingjian，DengZhanfeng，LiuGang，etal. Review on advanced flywheel energy storage system with large scale［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26（7）:133-140.

［2］張維煜，朱誯秋.飛輪儲能關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（7）:141-146. Zhang Weiyu，Zhu Huangqiu.Key technologies and development status of flywheel energy storage system［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26（7）:141-146.

［3］沈建新，繆冬敏.變速永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（3）:1-8. Shen Jianxin，Miao Dongmin.Variable speed permanent magnetsynchronousgeneratorsystemsandcontrol strategies［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（3）:1-8.

［4］戴興建，于涵，李奕良.飛輪儲能系統(tǒng)充放電效率實驗研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（3）:20-24. Dai Xingjian，Yu Han，Li Yiliang.Efficient test on the charging and discharging of the flywheel energy storage system［J］.TransactionsofChinaElectrotechnical Society，2009，24（3）:20-24.

［5］Swett D W，Blanche J.Hi-voltage flywheel charging module forcapacitorbanksusedinpulsedpower applications［C］//14th IEEE International Pulsed Power Conference，Dallas，TX，2003，2:1441-1444.

［6］黃宇淇，方賓義，孫錦楓.飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于微網(wǎng)的仿真研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（9）:83-87，113. Huang Yuqi，F(xiàn)angBinyi，SunJinfeng.Simulation research on the microgrid with flywheel energy storage system［J］.Power System Protection and Control，2011，39（9）:83-87，113.

［7］余濤，梁海華，周斌.基于R（λ）學(xué)習(xí)的孤島微電網(wǎng)智能發(fā)電控制［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（13）:7-13. YuTao，LiangHaihua，ZhouBin.Smartpower generation control for microgrids islanded operation based on R（λ）learning［J］.Power System Protection and Control，2012，40（13）:7-13.

［8］周林，黃勇，郭珂，等.微電網(wǎng)儲能技術(shù)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（7）:147-152. Zhou Lin，Huang Yong，Guo Ke，et al.A survey of energy storage technology for micro grid［J］.Power System Protection and Control，2011，39（7）:147-152.

［9］劉世林，孫海順，顧明磊，等.一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與飛輪儲能聯(lián)合系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2012，27（4）:248-254. Liu Shilin，Sun Haishun，Gu Minglei，et al.Novel structure and operation control of a flywheel energy storage system associated to wind generator connected to power grid［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（4）:248-254.

［10］ 胡雪松，孫才新，劉刃，等.采用飛輪儲能的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有功平滑控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（13）:79-83. Hu Xuesong，Sun Caixin，Liu Ren，et al.An active power smoothing strategy for direct-driven permanent magnet synchronous generator based wind turbine using flywheelenergystorage［J］.AutomationofElectric Power Systems，2010，34（13）:79-83.

［11］ 傅捷，劉剛.磁懸浮飛輪儲能發(fā)電運(yùn)行前饋-反饋控制器設(shè)計［J］.航空精密制造技術(shù)，2012，48（1）:30-33. Fu Jie，LiuGang.Designoffeedforward-feedback controller for discharging system of magnetic suspended flywheelenergystorage［J］.AviationPrecision Manufacturing Technology，2012，48（1）:30-33.

［12］ 劉學(xué)，姜新建，張超平，等.大容量飛輪儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（3）:76-82. LiuXue，JiangXinjian，ZhangChaoping，etal. Optimization control strategies of large capacity flywheel energystoragesystem［J］.TransactionsofChina Electrotechnical Society，2014，29（3）:76-82.

［13］ 杜玉亮，鄭瓊林，郭希錚，等.飛輪儲能系統(tǒng)反向制動發(fā)電問題研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（7）:157-162，176. Du Yuliang，Trillion Q，Guo Xizheng，et al.Research on problem of regenerative braking process of flywheel energystoragesystem［J］.TransactionsofChina Electrotechnical Society，2013，28（7）:157-162，176.

［14］ 杜玉亮，鄭瓊林，郭希錚，等.飛輪儲能系統(tǒng)弱磁控制研究［J］.電力電子技術(shù)，2013，47（9）:60-62. Du Yuliang，Trillion Q，Guo Xizheng，et al.Researchon flux-weakening control of flywheel energy storage system［J］.Power Electronics，2013，47（9）:60-62.

［15］郭偉，王躍，李寧.永磁同步電機(jī)飛輪儲能系統(tǒng)充放電控制策略［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2014，48（10）:60-65. Guo Wei，Wang Yue，Li Ning.Control strategy for flywheel energy storage system with permanent magnet synchronous machine［J］.Journal of Xi’an Jiaotong University，2014，48（10）:60-65.

［16］姚駿，廖勇，李輝，等.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)單位功率因數(shù)控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2010，14（6）:13-20. Yao Jun，Liao Yong，Li Hui，et al.Unity power factor control of a direct-driven permanent magnet synchronous wind-power generator［J］.Electric Machines and Control，2010，14（6）:13-20.

［17］Szabo C，Imecs M，Incze I I.Double-field orientation of unity power factor synchronous motor drive［C］//14th InternationalConferenceonIntelligentEngineering Systems（INES），Las Palmas，Spain，2010:237-242.

［18］Szabo C，Imecs M，Incze I I.Vector control of the synchronous motor operating at unity power factor［C］// 11th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment，Brasov，2008:15-20.

［19］ 李崇堅.交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

A Novel Unity Power Factor Control of Electrically Excited Synchronous Motor in an Inertia Wheel Energy Storage System

Liu Yang1，2Shi Liming1Zhao Lu1Li Yaohua1
（1.Key Laboratory of Power Electronics and Electric DriveInstitute of Electrical Engineering Chinese Academy of ScienceBeijing100190China 2.University of Chinese Academy of ScienceBeijing100190China）

In the electrically excited synchronous motor（ESM）based inertia wheel energy storage DC supply system，there are three degrees of freedom from the control consideration，i.e.the stator flux，the power factor，and the DC-link voltage.To reduce the system reactive power and increase the efficiency，the DC-link voltage should be stabilized and the power factor should be increased.In this paper，a novel unity power factor control scheme for ESM is proposed，in which we degrade the control freedom and perform the close-loop control on power factor and DC-link voltage in a rotor-oriented reference frame.Simulation and experiment carried out in an inertia wheel energy storage system show that，compared with the traditional isd=0 scheme，the proposed scheme increases the power factor to 0.97，and realizes a 28%down of the apparent power，which effectively reduces the system reactive power.

Synchronous motor，flywheel inertia wheel energy storage，electrically excited，field-oriented control，unity power factor

TM315

“十二五”國家科技支撐計劃重大項目資助（2013BAG19B00-04-01）。

2015-01-14改稿日期 2015-11-10

劉洋男，1983年生，博士研究生，研究方向為同步電機(jī)驅(qū)動、慣性儲能系統(tǒng)及控制。

E-mail:13810345862@139.com

史黎明男，1964年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為特種電機(jī)和驅(qū)動控制、新型軌道交通牽引供電、電能無線傳輸技術(shù)。

E-mail:limings@mail.iee.ac.cn（通信作者）