飞轮储能系统用电动/发电机的研究

张广明，张 龙，梅 磊，季文娟

(南京工业大学，江苏南京211816)

0引 言

飞轮储能技术是一种新型的纯机电储能技术。相对于传统的储能方式，它具有以下突出的优点:储能密度高;瞬时功率大;充电时间较短;使用寿命长;无过充、过放问题;对环境友好等。这些优点使它能够在电网调峰、电动汽车、不间断供电备用电源(UPS)、航空航天等方面都获得了成功的应用。进入21世纪后，环保节能的呼声越来越高，新型飞轮储能技术势必得到快速发展。

轴系摩擦、风损、飞轮边缘转速和能量转换控制等问题一直困扰着飞轮储能系统的研究者。随着现代电力电子技术、电动/发电机技术、磁悬浮技术和新材料技术的发展，飞轮储能技术取得了突破性的进展。作为飞轮储能系统能量转换的核心，飞轮储能电机的正确选择对提高飞轮储能系统的性能具有非常重要的意义。

1飞轮储能装置及对电机的性能要求

飞轮储能系统主要包括三部分:储能的转子系统，支撑转子的轴承系统以及转换能量和功率的电动/发电机系统。此外，还需要电力电子装置调节飞轮转速，有些还包含了真空室、控制系统、外壳等，飞轮储能装置基本结构如图1所示。

图1 飞轮储能装置基本结构示意图

图中，飞轮直接与电动/发电机同轴相连，其工作原理为:当系统处于储能工作状态时，由电网提供的电能驱动电机运行，电机拖动飞轮转动，电能以机械能的形式储存在高速飞轮中，此时电机处于电动状态。当系统处于释能工作状态时，高速飞轮给电机施加转矩，经电力电子装置给负载供电，从而完成机械能到电能的转换过程，此时电机作为发电机运行。

从电机本身来看，有刷直流电机、永磁无刷电机、异步电机、三级式电励磁同步电机、开关磁阻电机和双凸极电机均可用作飞轮储能电机。但是，在飞轮储能系统中，作为电能与机械能之间的能量转换核心部件，电机的选择直接决定了整个飞轮储能系统性能的优劣。飞轮储能电机要满足以下的性能要求［1］:(1)既可运行于电动状态又可于发电状态;(2)高速运行;(3)速度变化范围大且调速性能好;(4)稳定使用寿命长;(5)空载损耗低、运行效率高;(6)输出转矩和输出功率大;(7)造价低、结构简单、运行可靠、维护简单。

根据上述性能要求，用作飞轮储能电动/发电机主要有三种:异步电机、开关磁阻电机和永磁无刷直流电机。

2常用的飞轮储能电机

2．1 异步电机

异步电机，又称感应电机，与传统的直流电机相比，它具有高效率、高能量密度、结构简单、运行可靠、成本低、易于维护等优点，常被用作电动/发电机，目前使用广泛的是三相笼型异步电机。

异步电机起动时，要求起动时间不可太长，起动电流不可太大。文献［2］在异步电机直接转矩控制技术的基础上，提出了两种起动方法:磁链优先法和斜坡函数法。通过比较结果表明:磁链优先法适合于起动过程快速的场合，斜坡函数法适用于起动电流小和起动过程平稳的场合。文献［3］针对起动电流大和起动转矩小的问题，采取了一种新型预励磁复合控制方案，保证了起动过程无尖峰电流出现且输出转矩响应快。

当作为发电机运行时，感应发电机需要在定子处并联电容器。在空载情况下，用高速飞轮带动转子旋转，使转子的剩磁磁场“切割”定子绕组产生剩磁电动势，并联电容电流在定子绕组中产生与剩磁方向一致的增磁性定子磁场，增强了气隙磁场，最终输出足够高的有功功率。文献［4］介绍了异步起动/发电系统中的三个关键技术:发电状态下瞬时转矩控制技术、宽转速范围内恒压电功率技术和起动/发电状态下综合控制技术。但是，转速不高、电机重量和转子转差损耗大都是异步电机的缺点，也是选择异步电机作为飞轮储能电机时需要考虑的问题。

2．2开关磁阻电机

英国Leeds大学P．J．Lawrenson等人在20世纪90年代发表了题为《变速开关型磁阻电动机》的论文，至此开关磁阻电机逐渐成为研究的热点也越来越受到电动汽车、航空系统等领域的青睐。

双凸极结构开关磁阻电机的定、转子的凸极均由普通硅钢片或其它导磁材料叠压而成。定子有集中绕组，转子无绕组但装有位置传感器。三相以下的开关磁阻电机无自起动能力，所以一般都使用三相及以上结构的电机，并且其定、转子的极数也有多种不同的搭配，目前比较常见有四相8/6结构、三相6/4结构以及三相12/8结构。文献［5］比较了相数不同的开关磁阻电机的起动性能，得出了相数越大，电机的最小起动转矩会有所提高，负载能力会增大而波动会降低。图2为三相6/4结构的开关磁阻电机的结构原理图。

图2 三相6/4结构开关磁阻电机结构原理图

开关磁阻电机的工作原理是:当定子某相绕组单独通电时，相绕组产生作用于转子的磁场，磁通沿着磁阻最小的路径是闭合的，产生的转子切向磁拉力迫使转子极与临近定子极轴线重合，从而使转子转动。由于开关磁阻电机的转动方向总是与磁场轴线移动方向相反，控制定子绕组的导通顺序就可以产生连续转矩来维持电机顺时针或逆时针运转［6］。

当由电动状态变为发电状态时，需要励磁，最终获得足够高的电动势，输出足够高的有功功率。如图2所示，即当主开关器件S1、S2导通时，绕组从直流电源E吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管D1、D2继续流通，并回馈给电源E。

相比较于其他电机，开关磁阻电机具有如下几方面的优点:功率电路简单可靠;容错性好、可靠性高;可控参数多、调整性能好;起动转矩高和起动电流低;在宽的转速和转矩范围内能保持很高的效率和较小的功耗;可以方便地实现四象限运行。

2．3永磁无刷直流电机

在目前大量的一体化电动/发电机中，效率高、体积小、重量轻、起动调速性能良好、改造方便、功率密度高的永磁无刷直流电机受到众多飞轮储能系统设计者的关注和研究。在永磁无刷直流电机结构中，电枢绕组安放于定子铁心中，永磁体固定在转子上，常见的转子结构类型有三种:表面粘贴式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。与有刷直流电机相比，永磁无刷直流电机用转子位置传感器来检测永磁磁极的位置。

飞轮储能系统储能时，电机相当于永磁无刷直流电动机，主要控制方式为“二相导通星形三相六状态”(即120°导通控制)，图3是无刷直流电动机运行原理图，3个绕组呈星形连接［7］。可见，通过转子位置传感器获得信号，转子位置每变化60°的电角度换相一次，每一功率管导通120°电角度，各功率 管 导 通 顺 序 是:T1T6—T6T2—T2T4—T4T3—T3T5—T5T1—T1T6……，这样可以使定子磁场和转子永磁磁场始终保持90°左右的空间角。

图3 永磁无刷直流电动机运行原理图

当通过控制线路的切换进入释能状态时，电机相当于永磁同步发电机，根据电机的转子位置信号，将功率主电路上半桥的功率开关管全部关闭，而下半桥的功率开关管分别按一定规律进行PWM控制。文献［8］针对发电过程中发出的电压随飞轮转速的下降而降低，提出了电机能量回馈升压控制方案对输出电压进行有效控制。

无刷直流电机的反电动势波形一般为梯形波，但在实际应用中，由于各种不同的因素，电机的反电动势波形更接近正弦波。文献［9］针对具有正弦波反电势或平顶宽度小于一定数值的梯形波反电势的无刷直流电机，通过三相Hall转子位置传感器采样六个离散位置，进行SVPWM方法自同步控制。该方法可有效减小电机的转矩脉动、降低电机的运行噪声。目前，国内外许多学者都选择永磁无刷直流电动机作为飞轮储能电机而进行研究。

2．4 其他电机

双凸极电机是由开关磁阻电机衍生而来的一种新型电机，其结构与开关磁阻电机相似。该电机利用永磁体或励磁绕组产生励磁磁场，在电机旋转过程中，定子凸极齿上相绕组的磁链发生变化感应出电势，其控制方式和输出特性都类似于无刷直流电动机。根据励磁方式的不同，可以划分为电励磁、自励磁和混合励磁。

除了常见的电机之外，一些特殊结构的电机也能用于飞轮储能电机的研究，例如转子没有绕组而定子装有主绕组和励磁绕组或永久磁铁的单极电机［10］、将径向与切向阵列结合在一起的Halbach电机［11］、采用永久磁钢激磁的盘式电机(轴向磁场电机)［12］等。此外，还有 Halbach阵列及盘式无铁心结构的永磁类电机、盘式结构的单极电机、专为飞轮储能系统设计的印刷电路电机等。

3飞轮储能电机的比较

通过分析这些电机的实际特性，得到了表1所示的结果。

表1 不同飞轮储能电机特性的比较

由表1可知，无刷直流电机、开关磁阻电机和双凸极电机结构简单，易于循环控制，无刷直流电机的功率密度和输出转矩比较高。开关磁阻电机和双凸极电机的运转速度非常快，但转矩波动和噪声、运行速度范围都是其要解决的问题。在发电模式下，异步电机、开关磁阻电机和双凸极电机需要剩磁或增加激磁电路，增加了系统的复杂性。空载运行方面，异步电机和无刷直流电机的性能都优于其他两种［13］。

4展望和结语

随着飞轮储能技术的广泛应用，飞轮储能电机的研究也越来越多。未来飞轮储能电机的研究方向及热点有以下几点:

(1)目前，对电机的效率和损耗的研究还不深入。采用无齿槽、外转子、Halbach磁场转子或无铁心等结构的电机，其性能会达到人们期望的目标。通过电机本体结构的研究来提高效率和降低损耗将是未来的发展方向之一。

(2)随着电机结构的日渐完善，更多的研究集中在控制技术上。结合目前电机控制方面先进控制方法与思想，提出新的控制方案并进行全数字化控制将是以后的研究热点。

(3)电机转速越高，飞轮储能储存密度越高，但安全和噪声等方面问题也随之产生，运行可靠、噪声低和维护方便将是以后研究需要考虑的问题。

本文介绍了几种常用的飞轮储能电机，并进行了详细比较，为今后的飞轮储能电机的选择提供了有价值的参考。

［1］ 尹建阁，汤双清，曾东．飞轮储能系统用集成式电动/发电机分析研究［J］．装备制造技术，2009(1):36-38．

［2］ 武德祥，张爱玲，徐连丙，等．异步电机直接转矩控制系统起动方法的研究［J］．太原理工大学学报，2010，41(4):433-435．

［3］ 耿士广，胡 安，马伟明，等．矢量控制感应电机起动机理及直流预励磁研究［J］．电工技术学报，2011，26(3):29-35．

［4］ 胡育文，黄文新，张兰红．异步电机起动/发电系统的研究［J］．电工技术学报，2006，21(5):9-11．

［5］ 刘强，全力，苏宝平，等．汽车起动/发电系统用开关磁阻电机起动性能分析［J］．微电机，2005，38(2):16-18．

［6］ 王素杰，杨岳峰，张奕黄．开关磁阻牵引电机的起动控制［J］．电机与控制应用，2007，34(10):51-54．

［7］ 李悦溪，王萌，祝长生．飞轮储能系统用无刷直流电机驱动系统的设计［J］．机电工程，2010，27(10):68-71．

［8］ 刘丽影，李雪松，张建成．飞轮储能系统发电运行控制技术的研究［J］．华北电力技术，2007(9):8-10．

［9］ 马瑞卿，邓钧君．基于Hall位置传感器的BLDCM正弦波驱动性能研究［J］．微电机，2011，44(7):59-61．

［10］ Tsao P，Senesky M，Sanders S．A Synchronous homopolar machine for high-speed applications［C］//37th IAS annual meeting，Conference Record of the 2002 IEEE．2002:406-416．

［11］ Zhu Z Q，Howe D．Halbach permanent magnet machines and applications:a review［J］．IEE Proceedings Electric Power Application，2001，148(4):299-308．

［12］ Nagaya S，Kashima N，Kawashima H，et al．Development of the axial gap type motor/generator for the flywheel with superconducting magnetic bearings［J］．Physica C，2003，392:764-768．

［13］ 李百华，王时龙，李雪冰．一体式起动发电机系统电机的应用比较［J］．机械研究与应用，2009(3):56-58．