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(qū)動試驗，將飛輪驅(qū)動至額定轉(zhuǎn)速，整個啟動過程平穩(wěn)，驗證了控制算法的有效性和可行性。

關(guān)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(shù)，能量存儲在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中。其能量轉(zhuǎn)換裝置是電機，充電時，電機驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)子升速，能量由電能轉(zhuǎn)化為動能進行存儲，放電時，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，飛輪轉(zhuǎn)子降速，能量由動能轉(zhuǎn)化為電能。相比傳統(tǒng)電化學儲能方式，飛輪儲能具有綠色環(huán)保、能量密度高、壽命長、易維護等優(yōu)點，可以廣泛地應(yīng)用于不間斷電源（UPS）、城市軌道交通、風電一次調(diào)頻、電力調(diào)峰等領(lǐng)域[1-3]。

飛輪儲能技術(shù)門檻較高，其設(shè)計、生產(chǎn)、應(yīng)用等需要解決若干關(guān)鍵技術(shù)問題，主要包含高壓大功率高速電機設(shè)計、軸承設(shè)計、真空設(shè)計、散熱設(shè)計及大功率雙向變流器設(shè)計等，難度比較大。目前，國內(nèi)市場上比較大的飛輪廠家主要有北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)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(chǎn)品轉(zhuǎn)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(shù)路線。飛輪儲能變流器作為飛輪的驅(qū)動裝置，用于實現(xiàn)飛輪機械能與電能的轉(zhuǎn)換控制，其運行的穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。由于飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大、轉(zhuǎn)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(tǒng)介紹

飛輪儲能最小系統(tǒng)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(yè)理化工程研究院自主開發(fā)，采用被動磁懸浮軸承技術(shù)；上下兩組電機為飛輪的驅(qū)動裝置，電機為永磁同步電機（PMSM），電機的轉(zhuǎn)子與飛輪轉(zhuǎn)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(xiàn)飛輪的驅(qū)動控制及頻繁充放電控制，因此，核工業(yè)理化工程研究院進行了儲能變流器的自主研發(fā)，專門用于飛輪的驅(qū)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(yù)充電回路、DC/AC逆變器和輸出電抗器等構(gòu)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(yù)充電回路主要是為了防止電網(wǎng)電壓經(jīng)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(guān)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(tǒng)對兩路逆變器進行控制，驅(qū)動飛輪上下雙電機，從而進行飛輪充放電控制，實現(xiàn)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(fā)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(shè)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(qū)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(zhuǎn)速時開環(huán)啟動，電機中高轉(zhuǎn)速時采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，即首先轉(zhuǎn)速開環(huán)（I/F）啟動，當轉(zhuǎn)速達到某一設(shè)定閾值后，經(jīng)過切換算法，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)中高速階段電機驅(qū)動控制[4-6]。

2）雙閉環(huán)直接啟動，即電機從零速或極低轉(zhuǎn)速開始直接按照轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)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(qū)動裝置采用上下雙電機方式，由于電機及飛輪結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(xiàn)儲能飛輪的雙電機啟動控制，電機的驅(qū)動控制仍然采用基于FOC的SVPWM控制，但轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向的確定：首先按照I/F啟動方式驅(qū)動電機1，觀察電機1轉(zhuǎn)向，如果電機1轉(zhuǎn)向為反向（順時針方向），調(diào)整電機1三相輸出線任意兩根，否則不進行調(diào)整。按照同樣方法進行電機2的正轉(zhuǎn)向確認。

2）雙電機轉(zhuǎn)子初始位置的校準：由于雙電機轉(zhuǎn)子在同一個軸上，僅安裝一個旋轉(zhuǎn)變壓器，為得到兩個電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至電角度0°位置，記錄下此時旋轉(zhuǎn)變壓器得到的電機1轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至電角度0°位置，記錄下此時旋轉(zhuǎn)變壓器得到的電機1轉(zhuǎn)子位置θ2*。將θ1*和θ2*取均值，即為電機1轉(zhuǎn)子對應(yīng)的電角度0°角度偏差δ1。永磁同步電機控制中電機1轉(zhuǎn)子的實際位置θ1為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)啟動控制，其中轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為q軸電流環(huán)的輸入?yún)⒖贾?，d軸電流環(huán)的輸入?yún)⒖贾翟O(shè)定為0，電流環(huán)的輸出為電機端電壓，經(jīng)過SVPWM算法，分別控制兩組三相逆變橋驅(qū)動兩個電機運行。

3" " 試驗驗證

本文以核工業(yè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了更加安全地進行飛輪驅(qū)動，整個試驗裝置的輸入電壓需要通過調(diào)壓器，將三相電網(wǎng)電壓調(diào)整為試驗所需的電壓（低電壓），首先進行飛輪轉(zhuǎn)子位置的校準，當飛輪轉(zhuǎn)子的角度校準完畢后，再通過調(diào)壓器將電壓調(diào)整為驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)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(wěn)，電流隨著電機轉(zhuǎn)速的增加，頻率也在緩慢增加，最后達到飛輪的額定轉(zhuǎn)速。整個啟動過程中，飛輪運行狀態(tài)平穩(wěn)，驗證了啟動控制策略的可行性。

4" " 結(jié)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(qū)動問題。最后搭建了試驗裝置，并進行了儲能飛輪的驅(qū)動試驗，將飛輪驅(qū)動至額定轉(zhuǎn)速，整個啟動過程平穩(wěn)，驗證了啟動算法的有效性和可行性。

[參考文獻]

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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。