飞轮储能系统电机及其控制器概述

邢向上，姜新建

（清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084）

飞轮储能是一种以物理形式进行电能和机械能（动能）相互转换的储能装置。它由高速旋转的飞轮本体、飞轮电机、电机控制器、轴承和真空室等辅助装置组成。飞轮储能主要有：储能、待机和释能三种工作状态。飞轮储能时，电源通过飞轮控制器来驱动电机旋转，带动飞轮本体加速至指定转速，将电能转换为飞轮动能储存起来；飞轮待机时，维持飞轮指定转速；飞轮释能时，飞轮降速，电机处于发电状态，通过飞轮控制器输出电能，从而将飞轮动能转换为电能释放。

面对能源和环境危机，各国纷纷大力发展对环境友好的可再生能源（风能、太阳能等），以此来减少对化石能源的依赖。但风能与太阳能等新能源受季节和天气的影响很大，具有随机性和间歇性的特点，导致其发电输出功率具有波动性，会对电网的安全性和稳定性造成冲击[1]。为了提高新能源发电的电能品质和供电的可靠性，需要在发电系统中接入储能系统，它不仅可用于电力调峰，而且还可用于电力系统调频控制。与传统的化学电池相比，飞轮储能具有功率密度高、充放电速度快、放电深度易测、对环境友好、适应温度范围广、寿命长等优点[2]，在许多传统蓄电池的应用领域，如UPS、混合动力汽车、航天等，飞轮储能系统是蓄电池的替代品之一。近年来，飞轮储能技术已成为国内外能源领域的一个研究热点，其发展涉及电气、机械、材料等多门学科。高强度复合材料、低损耗轴承、高速电机和电力电子等方面新技术的迅猛发展，为高速飞轮储能的发展注入了新的活力[3-4]。

飞轮电机及其控制器是飞轮储能装置的重要组成部分，飞轮储能系统通过它来实现电能的吸收及释放，采用不同的飞轮电机及其控制技术得到的飞轮储能系统的性能也不同。飞轮储能系统对电机及其控制器的要求有：工作在电动或发电工况、高速性能好、效率高、空载损耗极低、体积小、噪声低、结构简单、易维护等[5]。目前在飞轮储能装置中应用的电机主要有永磁无刷直流电机[6-7]、永磁同步电机、异步电机和开关磁阻电机[8]，各种电机都有自己的结构特点，其相对应的电机控制技术也不同，它们在飞轮储能系统中具有各自的优势和不足，本文重点讨论这些飞轮电机及其控制技术。

1 永磁无刷直流电机及其控制技术

1.1 永磁无刷直流电机的结构及其性能特点

永磁无刷直流电机（permanent magnet brushless DC motor，PMBDCM）结构不同于传统的直流电机，它在转子上放置永磁体、在定子上安置电枢绕组，利用电力电子电路代替电刷滑环进行电枢电流的换向。永磁无刷直流电机具有和直流电机类似的性能优点：易起动、调速范围宽、控制简单、易实现功率的双向流动；又克服了传统直流电机由于机械换向器所造成的电刷滑环易磨损、维护工作量大、转速受限的缺点。其不足是：由于永磁体的引入使得电机制造成本较高，高温下永磁体易退磁和消磁，其结构也没有磁阻电机和感应电机坚固，而且电机必须依靠位置传感器进行电流的换向，定子电流方波也使得其谐波成分高、转矩脉动大。

1.2 永磁无刷直流电机的控制技术

永磁无刷直流电机的特性与传统的直流电机类似，只是用电力电子器件组成的变换电路取代电刷滑环组成的机械换向器实现电流换向，这也就使得永磁无刷直流电机和传统直流电机一样，它的端电压和电机转速符合关系式(1)

式中，U为定子平均输入相电压；I为定子绕组相电流；R为定子相绕组电阻；E为每相绕组的反电势；ce为反电动势常数，仅与电机结构有关；φ为每极磁通总量，由转子上的永磁体决定；n为转速。

由式(1)可得电机转速满足的关系为

由于R、ce、φ均不易改变，所以永磁无刷直流电机一般通过改变定子平均输入电压U来调节转速。

永磁直流电机在飞轮储能系统中的应用有不同的控制器拓扑结构。文献[9]采用了如图1所示的带有双向buck-boost环节的飞轮电机控制器，三相全桥电路按照转子位置传感器的信号进行换向，虚线框中的部分作为一个整体等效为一台直流电机，电机的转速与定子平均电压符合关系式(2)，通过调节输入电压就可以实现对电机转速的控制，也就实现了对飞轮储能系统的控制；虚线框外的双向buck-boost电路通过直流斩波控制实现对定子平均相电压的调节。在储能时，开关管V2不工作，V1、VD2、L、C2组成buck-boost电路，V1导通时，电感L、开关管V1与直流电源组成回路，随着电感电流的增加，储存在电感中的能量增加，开关管V1关断时，电感通过VD2续流为电容C2充电，通过控制V1的开通和关断时间的占空比，实现对直流电压的调节，根据式(2)实现对电机转速的调节；释能时，三相桥式电路不工作，依靠反并联的续流二极管进行不控整流，此时，由于飞轮转速下降，飞轮电机发出的交流电的幅值降低，整流得到的直流电压不断下降，不能满足直流母线电压不变的要求，直流侧的直流升压环节开始发挥作用，电力电子开关V1不工作，V2、VD1、L、C1组成buck-boost电路，调节直流电压，使直流母线电压保持恒定。

图1 带有双向buck-boost的永磁无刷直流电机控制器Fig.1 Controller of PMBLDCM with bidirectional buck-boost

这种控制方式的两部分分工明确，便于理解和控制，但是所用的开关管较多，使得控制器的制造成本较高。对此，文献[10]在飞轮电机的控制中利用电机自身电感和三相全桥电路组成boost电路，采用的控制器框图如图2所示。此时，三相全桥电路兼顾电流换向和直流电压的调节，以反电势ea-eb>0为例，当开关管V2导通时，电流按照虚线所示回路流通，电感中储存能量；当V2关断时，电流按照实线所示的回路流通，向电容中储能。所以电机自身电感、V2、VD1和直流母线电容组成boost电路，电动势为其它关系时，工作过程与之类似。

图2 飞轮电机控制器Fig.2 Controller of motor for flywheel energy storage

与带有双向buck-boost环节的控制器相比，这种结构的控制器所用的开关管的数量减少，降低了控制器的制造成本，但这种控制器的工作开关频率较高，控制难度大。两种控制器结构各有优势与不足，在对控制器进行设计时要对控制器的制造成本与控制难度进行综合考虑，采用合适的控制器结构。文献[11]采用功率为100 kW永磁无刷直流电机研制了容量为10 kW·h的飞轮储能系统，转子质量为164 kg，转速达到15000 r/min

2 永磁同步电机及其控制技术

2.1 永磁同步电机的结构和性能特点

永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）与永磁无刷直流电机都属于永磁电机，只是反电势的波形不同，其反电势为正弦波。永磁同步电机和普通电励磁同步电机原理相同，只是转子用永磁体励磁取代了电励磁结构；永磁同步电机取消了励磁设备，从而也就去除了损耗高、故障率高的电刷和滑环等装置，因而运行可靠。永磁同步电机的优点是：调速范围宽、功率密度高、效率高、功率因数高。但是，由于永磁同步电机需要在转子上安装永磁体，因而造价较高，使用不当容易造成永磁体退磁消磁，同时，也造成转子结构不如鼠笼型感应电机和磁阻电机坚固耐用。永磁同步电机在飞轮储能系统中也很常用，尤其是在高速飞轮储能系统当中。

2.2 永磁同步电机的控制技术

图3 基于永磁同步电机飞轮储能控制器Fig.3 Controller of flywheel driven by permanent magnet synchronous motor

永磁同步电机控制器是由全控器件组成的，三相桥式电路如图3所示。它可以作为双向PWM变流器运行，从而满足飞轮控制器要实现能量双 向流动的功能要求。在储能阶段，飞轮控制器运行于逆变状态，将直流电变换为变压变频的交流电来驱动永磁同步电机加速旋转；在释能阶段，飞轮控制器运行在PWM整流状态，将永磁同步电机发出的变压变频的交流电整流成电压恒定的直流电输出。

永磁同步电机常用的控制策略有直接转矩控制和矢量控制。直接转矩控制是在定子静止坐标系中对电机定子磁链和电机转矩实施独立控制，它通过查询电压矢量表，从而在适当的时刻选择合适的电压空间矢量来实现磁链和转矩近似解耦的控制效果；矢量控制技术是通过坐标变换，将定子三相静止坐标系下的三相交流电流变换成按照转子磁场定向的与转子磁场同步旋转坐标系下的两个直流分量——励磁电流分量和转矩电流分量，分别控制大小，使得同步电机的磁链和转矩实现解耦控制，根据不同的控制目标，变换组合，达到需要的电磁转矩。目前常用的矢量控制策略有以下几种：定子电流励磁分量为零控制、定子电流最小控制、单位功率因数控制、恒磁链控制、复合控制等。直接转矩控制具有动态反应迅速的优点，但是存在较大的脉动；矢量控制技术较为成熟，稳态、动态性能佳，应用更为广泛，在永磁同步电机驱动的飞轮储能系统中多采用矢量控制。

文献[12]采用的永磁同步电机为400 kW，工作转速为1800~3600 r/min，储能5 kW·h。在飞轮储能阶段，采用恒转矩和恒功率的复合控制方式；在释能阶段，采用综合弱磁控制方式。基于矢量控制的飞轮储能系统控制框图如图4、图5所示，在飞轮储能（充电）过程中，采用转速外环、电流内环的双闭环控制（图4）；在飞轮释能（放电）过程中，采用直流电压外环、电流内环的双闭环控制（图5）。

图4 飞轮储能系统充电控制框图Fig.4 Charging control block diagram of flywheel energy storage system

图5 飞轮储能系统放电控制框图Fig.5 Discharging control block diagram of flywheel energy storage system

3 异步电机及其控制技术

3.1 异步电机的性能特点

异步电机（也称感应电机）应用广泛、制造技术成熟、坚固耐用、维护工作量小、制造成本低，但是电机效率低、功率因数低、发电时需要从外界吸收无功功率。因此，异步电机一般应用于低速大容量的飞轮储能系统中。

3.2 异步电机的控制技术

异步电机通常采用矢量控制技术，通过它实现飞轮储能系统的充放电控制。飞轮控制器的结构框图如图6所示，是由两个背靠背的三相全桥电路组成的控制器。网侧全桥电路通过电感与电网相连，对无功功率进行控制；机侧全桥电路与感应电机相连，实现对异步电机的矢量控制。异步电机矢量控制技术是通过坐标变换，将定子三相静止坐标系下的三相交流电流变换成按转子磁场、气隙磁场或定子磁场定向的同步旋转坐标系下的两个直流分量——励磁电流分量和转矩电流分量，分别控制大小使得电机的磁链和转矩实现解耦控制，获得需要的电磁转矩。文献[13]中的飞轮储能系统，鼠笼式异步电机的额定功率为45 kW，飞轮转子的 转动惯量为60 kg·m2，容量为12 MJ，工作转速为3000~5000 r/min。

图6 异步电机控制器Fig.6 Controller of induction machine

4 开关磁阻电机及其控制技术

4.1 开关磁阻电机的工作原理及性能特点

开关磁阻电机的基本原理是：磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，由磁场扭曲而产生旋转力矩。基本结构如图7所示，当定子DD’磁极励磁时，所产生的磁力力图使转子的极轴线11’旋转到与定子极轴线DD’相重合的位置。若以图7中定转子所处的相对位置为起始位置，依次给D、A、B、C相定子绕组通电、断电，转子就会以逆时针方向旋转；反之，若依次给C、B、A、D相通电、断电，则电机就会沿顺时针方向旋转。

图7 开关磁阻电机结构Fig.7 Structure of switched reluctance motor

开关磁阻电机具有结构简单、坚固、耐高温、成本低、工作可靠及效率高等优点，且其定子仅有集中绕组，转子由硅钢片叠成，无线圈和永磁体，适合于高速及超高速运行[14]。但开关磁阻电机这种特殊的结构也带来了一些缺点，如转矩脉动、噪声大，且运行必须依靠传感器获得转子位置信号，增加了系统的复杂性。

4.2 开关磁阻电机的控制技术

开关磁阻电机可控制的参数有定子电压、开通角和关断角。根据改变控制参数的方式，开关磁阻电机有三种控制模式，即角度位置控制（APC）、电流斩波控制（CCC）与电压控制（VC）。其中，APC是电压保持不变，通过改变开关角与关断角调节电机转速，适用于高速区，但对于每一个由转速和转矩确定的运行点，开通角与关断角有多种组合，每一种组合对应不同的性能，具体操作很复杂，且很难得到满意的性能；CCC实际上是调节电压的有效利用值，与APC相似，它也可以随转速、负载要求调节开关角；VC是在固定的开关角的条件下，通过调节绕组电压控制电机转速[15]。

文献[14]就开关磁阻电机在飞轮储能系统当中的运用进行了探索，其采用如图8所示的不对称型半桥功率变换器作为开关磁阻电机控制器。其控制策略是：在飞轮储能阶段，当电机低速运行时，采用电流斩波控制（CCC）方式，实现恒转矩控制；当电机高速运行时，采用角度位置控制（APC）方式，通过固定关断角、控制导通角来间接控制电流脉动的大小和相对位置，控制各相绕组的导通位置和导通期长短实现恒功率控制。在飞轮释能阶段，将关断角固定在一个优化值上，通过调节开通角来控制输出功率和稳定输出电压，实现飞轮储能系统发电状态下的恒压输出。

图8 开关磁阻电机控制器Fig.8 Controller of the switched reluctance machine

文献[14]对所提出的采用开关磁阻电机的飞轮储能系统进行了仿真和实验验证。实验所采用的系统容量只有4 kW，转速达到2500 r/min，而且也没有对飞轮储能系统的性能进行进一步测试，因此还需要更深入的研究。

5 常用飞轮储能电机的特性比较

通过对常用的4种飞轮储能电机性能的对比研究可以得到如表1所示的结果。由表1可知永磁同步电机和永磁无刷直流电机由于采用永磁体励磁，效率和功率密度高，但转子结构不如异步电机和开关磁阻电机坚固，而且成本较高。永磁无刷直流电机与永磁同步电机相比，永磁无刷直流电机控制性能接近于直流电机，控制简单，但由于永磁无刷直流电机的反电势为梯形波，换向时产生转矩脉动，所以永磁无刷直流电机不如永磁同步电机运行平稳。开关磁阻电机转子上既没有绕组又没有永磁体，在高速运行条件下受离心力影响较小。异步电机制造技术成熟，鼠笼型的转子结构坚固，而且容量较大，但转差功率的存在造成其效率比较低，所以一般用在低速大容量飞轮储能系统当中。在发电状态下，异步电机和开关磁阻电机都需要外界提供励磁，增加了系统的复杂性[16]。

表1 常用飞轮储能电机性能比较Table 1 The comparison of the performance of the motors used in FESS

6 结 语

飞轮储能系统中电机及其控制器是系统的重要组成部分，能量的储存和释放都要飞轮电机在控制器的控制下实现，飞轮电机及其控制器对飞轮储能系统的性能具有直接影响。目前所采用的感应电机、永磁无刷直流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机都各有优缺点。永磁同步电机和永磁无刷直流电机效率高、控制方便，但制造成本较高，转子结构不如感应电机和开关磁阻电机坚固耐用，感应电机和开关磁阻电机都具有转子结构坚固耐用的优点，但感应电机效率较低，通常用于低速飞轮，开关磁阻电机目前的应用还不是很多，还需要进一步研究。因此，需要结合飞轮储能系统要求的高转速、高效率、高功率密度等特点，研究和改进相应的飞轮电机及其控制器性能，为大规模工业应用奠定基础。

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