基于磁懸浮飛輪儲(chǔ)能的脈沖功率電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江衛(wèi)良，陳 燁

（1.沈陽(yáng)微控新能源技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110027；2.微控物理儲(chǔ)能研究開(kāi)發(fā)（深圳）有限公司，廣東 深圳 518052）

0 引言

脈沖功率電源是能夠產(chǎn)生各種強(qiáng)電脈沖功率輸出的電源，具有非常廣泛的用途，其基本工作原理是： 通過(guò)儲(chǔ)能獲取足夠的能量，形成脈沖功率輸出給脈沖負(fù)載供電。在脈沖功率電源系統(tǒng)中，能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)是最基礎(chǔ)也是最重要的一環(huán)，目前常用的儲(chǔ)能方式包括電容器儲(chǔ)能、飛輪脈沖發(fā)電機(jī)等。基于電容器儲(chǔ)能的脈沖功率電源可以在短時(shí)間內(nèi)快速放電，但是存在儲(chǔ)能密度不高、放電時(shí)間短、設(shè)備體積大、充放電壽命較短等問(wèn)題[1-2]?；陲w輪脈沖發(fā)電機(jī)的脈沖功率電源系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)存儲(chǔ)能量，然后通過(guò)發(fā)電機(jī)將飛輪儲(chǔ)存的能量對(duì)外快速釋能，單套機(jī)組可以輸出數(shù)十兆瓦甚至百兆瓦級(jí)的脈沖功率，但是存在設(shè)備體積大、建造周期長(zhǎng)、運(yùn)維成本高等問(wèn)題[3-4]。

近年來(lái)，磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展很快，在地鐵再生制動(dòng)能量回收、不間斷電源保障、電力調(diào)頻、微電網(wǎng)、新能源并網(wǎng)等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5-8]。磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置具有安全可靠性高、功率密度高、充放電響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、建設(shè)周期短、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、全生命周期綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合作為脈沖功率電源的能量存儲(chǔ)介質(zhì)。脈沖功率電源的發(fā)展趨勢(shì)是朝著體積小型化、高儲(chǔ)能密度、長(zhǎng)使用壽命的方向發(fā)展，因此，充分利用磁懸浮飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)設(shè)計(jì)基于磁懸浮飛輪儲(chǔ)能的脈沖功率電源系統(tǒng)，能夠顯著提高脈沖功率電源系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性，具有廣闊的應(yīng)用前景[9-10]。

1 磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)介

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種綠色環(huán)保的物理儲(chǔ)能技術(shù)，利用高速旋轉(zhuǎn)飛輪的動(dòng)能來(lái)存儲(chǔ)能量，實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能的循環(huán)轉(zhuǎn)換。飛輪儲(chǔ)能裝置所存儲(chǔ)能量的大小由飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其轉(zhuǎn)速?zèng)Q定?，F(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科融合的綜合性技術(shù)，涉及到材料學(xué)、電機(jī)學(xué)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、磁懸浮軸承技術(shù)、電力電子技術(shù)、測(cè)量及控制技術(shù)等。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，隨著磁懸浮軸承技術(shù)、高性能飛輪材料技術(shù)、高速電機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的突破，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，朝著不斷提高能量密度、提高功率密度、降低自身?yè)p耗的方向發(fā)展。

磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是指采用磁懸浮軸承體系來(lái)支撐飛輪轉(zhuǎn)子的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。常用的磁懸浮軸承體系包括磁力卸載機(jī)械軸承和完全磁懸浮軸承。磁力卸載機(jī)械軸承通常采用永磁軸承和滾動(dòng)軸承相結(jié)合的混合軸承，在飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中永磁軸承能夠承擔(dān)部分軸系重量，仍然需要滾動(dòng)軸承來(lái)提供部分軸向或徑向的載荷。文獻(xiàn)[11]對(duì)一種1 MW/60 MJ 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)采用永磁軸承和滾子軸承組成的混合軸承支撐體系，永磁軸承承擔(dān)97%的軸系重量，最高工作轉(zhuǎn)速為2 700 r/min。文獻(xiàn)[12]描述了一種450 kW/6.25 MJ 磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置，該裝置采用五軸主動(dòng)磁懸浮軸承作為工作軸承，同時(shí)采用滾動(dòng)軸承作為保護(hù)軸承，正常運(yùn)行時(shí)飛輪轉(zhuǎn)子處于完全磁懸浮狀態(tài)，與滾動(dòng)軸承沒(méi)有任何接觸，最高工作轉(zhuǎn)速為36 750 r/min，整個(gè)軸承系統(tǒng)免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)達(dá)20 年。

基于完全磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，磁懸浮軸承和飛輪轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有直接接觸，因此也無(wú)需潤(rùn)滑介質(zhì)，省略了傳統(tǒng)潤(rùn)滑系統(tǒng)所需要的泵、管道、過(guò)濾器和密封件等，減小了系統(tǒng)維護(hù)工作量，并能在高溫或極低溫等特殊環(huán)境下工作，具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性[13-17]。

2 基于磁懸浮飛輪儲(chǔ)能的脈沖功率電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于磁懸浮飛輪儲(chǔ)能的脈沖功率電源系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能部分、充電部分、放電部分及監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 脈沖功率電源系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

儲(chǔ)能部分采用磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置。磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)外充放電接口為直流，對(duì)外提供通信接口，既可接受外部充放電指令，直接控制功率大小和方向，也可以根據(jù)直流電壓采取相應(yīng)的充放電控制策略。磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置可以單臺(tái)裝置進(jìn)行充放電，也可以多臺(tái)裝置在直流側(cè)并聯(lián)，組成飛輪陣列進(jìn)行充放電。

充電部分包括充電電源和充電機(jī)。充電電源可以為市電或發(fā)電機(jī)組，提供小功率的交流電源，為飛輪儲(chǔ)能裝置提供能量輸入。充電機(jī)的作用是將交流電變換為直流電，根據(jù)控制系統(tǒng)的指令為飛輪儲(chǔ)能裝置充電，實(shí)現(xiàn)從電能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。

放電部分包括逆變器、變壓器及其他配套設(shè)備。逆變器的作用是將直流電變換為交流電，根據(jù)負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率變化和監(jiān)控系統(tǒng)的指令，控制飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)外放電，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換。

由一組飛輪儲(chǔ)能裝置及配套的充電部分和放電部分組成一個(gè)基本的脈沖功率電源單元。可以將多個(gè)脈沖功率單元在充電交流母線側(cè)和放電交流母線側(cè)進(jìn)行并聯(lián)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制，組成一個(gè)更大規(guī)模的脈沖功率電源系統(tǒng)，以提高整個(gè)電源系統(tǒng)的放電功率。

監(jiān)控系統(tǒng)包括服務(wù)器、顯示器及其他通信相關(guān)設(shè)備，監(jiān)控系統(tǒng)和其他設(shè)備間可組成高速光纖通信網(wǎng)，毫秒級(jí)通信延時(shí)。監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖功率電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、監(jiān)視和控制。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整套系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)整體健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常工況及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及控制過(guò)程

監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景脈沖負(fù)荷的要求對(duì)脈沖功率電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)包括靜止?fàn)顟B(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)、充電狀態(tài)、放電狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)和停機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及控制流程見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及控制流程

在靜止?fàn)顟B(tài)下，系統(tǒng)中所有設(shè)備均已上電開(kāi)機(jī)并可正常運(yùn)行，系統(tǒng)通信正常，飛輪儲(chǔ)能裝置尚未儲(chǔ)能，飛輪靜止，隨時(shí)可以進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。在啟動(dòng)狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)控制充電機(jī)給飛輪儲(chǔ)能裝置充電，將飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)牧慵铀俚阶畹凸ぷ鬓D(zhuǎn)速，啟動(dòng)完畢后，系統(tǒng)隨時(shí)可進(jìn)入充電狀態(tài)。在充電狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)控制各充電機(jī)給飛輪儲(chǔ)能裝置充電，飛輪的轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速不超過(guò)最高工作轉(zhuǎn)速。充電結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，可隨時(shí)進(jìn)入放電狀態(tài)。在放電狀態(tài)下，監(jiān)控系統(tǒng)控制各逆變器和飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)外放電，飛輪的轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速不低于最低工作轉(zhuǎn)速。在沒(méi)有充電或放電任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，可隨時(shí)進(jìn)入充電狀態(tài)或放電狀態(tài)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦檢測(cè)到異常需要保護(hù)停機(jī)或者監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，系統(tǒng)就進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，飛輪轉(zhuǎn)速自然下降，直至處于靜止?fàn)顟B(tài)。

系統(tǒng)充電過(guò)程： 充電機(jī)處于工作狀態(tài)，逆變器停止工作。通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)控制各個(gè)脈沖功率電源單元的充電機(jī)給相應(yīng)儲(chǔ)能裝置充電，包括兩種時(shí)序控制方式。一種方式是同時(shí)給所有脈沖功率電源單元充電，另一種方式是依次給各個(gè)脈沖功率電源單元充電，以降低對(duì)充電電源容量的需求?？赏ㄟ^(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)脈沖功率電源單元的充電功率進(jìn)行設(shè)置，限制總的充電功率大小在充電電源允許范圍內(nèi)。

系統(tǒng)放電過(guò)程： 逆變器處于工作狀態(tài)，充電機(jī)停止工作。系統(tǒng)內(nèi)各逆變器在交流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，處于孤網(wǎng)運(yùn)行模式，建立并維持交流側(cè)的電壓和頻率。在該模式下，逆變器按設(shè)定的下垂曲線特性運(yùn)行，在脈沖負(fù)荷啟動(dòng)的情況下，根據(jù)下垂曲線自動(dòng)調(diào)整輸出功率給脈沖負(fù)荷供電，保持孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在逆變器啟動(dòng)輸出功率的同時(shí)，其直流側(cè)母線電壓會(huì)下降。飛輪儲(chǔ)能裝置根據(jù)直流側(cè)母線電壓變化來(lái)輸出功率，以維持直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值為控制目標(biāo)。系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、放電響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

基于以上設(shè)計(jì)原理搭建簡(jiǎn)化的物理模擬測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試系統(tǒng)主要設(shè)備包括1 臺(tái)飛輪儲(chǔ)能裝置、1 臺(tái)充電機(jī)、1 臺(tái)逆變器、1 臺(tái)水泵電機(jī)、市電供電電源、控制系統(tǒng)及其他配套設(shè)備，系統(tǒng)主接線如圖3 所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)主接線

測(cè)試系統(tǒng)中所使用的VDC XXT 型磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置額定功率為450 kW，充電機(jī)額定功率為40 kW，逆變器額定功率為500 kW，水泵電機(jī)功率為200 kW。

VDC XXT 型磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置的主要技術(shù)參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

一次完整的測(cè)試過(guò)程如下：

（1）充電過(guò)程。將開(kāi)關(guān)K2和K3斷開(kāi)，K1閉合，對(duì)飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電。由市電通過(guò)充電機(jī)給飛輪儲(chǔ)能裝置充電，飛輪轉(zhuǎn)速不斷升高，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到最高工作轉(zhuǎn)速36 750 r/min 時(shí)停止充電，斷開(kāi)K1。

（2）預(yù)充過(guò)程。將開(kāi)關(guān)K3閉合，對(duì)逆變器直流母線電容進(jìn)行預(yù)充電，直至預(yù)充電完成。

（3）放電過(guò)程。將開(kāi)關(guān)K2閉合，K3斷開(kāi)，啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行脈沖功率放電。電機(jī)0.3 s 帶載啟動(dòng)，2 s 后自由停車。

放電測(cè)試曲線如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電機(jī)帶載啟動(dòng)時(shí)，飛輪儲(chǔ)能裝置和逆變器之間的直流母線電壓瞬間被拉低，飛輪儲(chǔ)能裝置能夠在3 ms 內(nèi)快速響應(yīng)，輸出脈沖功率，并且根據(jù)負(fù)載功率變化自動(dòng)調(diào)整輸出功率大小，使直流母線電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。當(dāng)電機(jī)停車后，飛輪儲(chǔ)能裝置自動(dòng)停止放電。本次放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，飛輪儲(chǔ)能裝置的脈沖功率輸出持續(xù)時(shí)間約為2 s，最大輸出電流為717 A，最大輸出功率為356 kW，飛輪轉(zhuǎn)速僅下降約1 000 r/min，還剩余足夠的存儲(chǔ)能量，一次充滿電后可連續(xù)進(jìn)行多次放電實(shí)驗(yàn)。

圖4 放電測(cè)試曲線

5 結(jié)語(yǔ)

基于磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建了脈沖功率電源系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)的架構(gòu)與運(yùn)行控制策略。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 系統(tǒng)能夠在3 ms 內(nèi)快速響應(yīng)輸出脈沖功率，形成秒級(jí)的脈沖平頂波，在一次充滿電后可連續(xù)多次輸出。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，容量配置靈活，響應(yīng)速度快，使用壽命長(zhǎng)，建設(shè)周期短，運(yùn)維簡(jiǎn)單，可滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景下的脈沖功率電源需求。