飞轮储能高速异步电机储能发电模拟实验研究

陈小玲，彭 文，仇志坚

(1.上海大学，上海 200072；2.上海科油石油仪器制造有限公司，上海 200072)

飞轮储能高速异步电机储能发电模拟实验研究

陈小玲1，彭 文2，仇志坚1

(1.上海大学，上海 200072；2.上海科油石油仪器制造有限公司，上海 200072)

针对飞轮储能用高速异步电机升速储能和降速发电的控制展开研究，搭建了一套高速异步电机对拖实验平台，以模拟飞轮储能系统升速储能和降速发电的实验过程，并结合实验结果分析了频率差和调制度对升速储能和降速发电实验的影响，从而验证了该数学模型的正确性，为进一步的变频率差控制和电压闭环控制打下基础。

飞轮储能；异步电动机/发电机；V/f控制；能量回馈

Simulation Experimental Research on Energy Storage and Power Generation of

0 引 言

近年来，随着太阳能、风能等新能源的开发应用，为了更加有效地利用这些新能源，飞轮储能技术越来越备受关注[1-2]。用于飞轮储能的电机主要有永磁同步电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机和鼠笼异步电机等，而异步电机技术成熟，制造工艺简单，使用广泛，具有价格低廉，控制简单等优点[3-4]，在飞轮储能系统中得到了广泛的应用。

飞轮储能电机的控制方式主要有V/f控制、矢量控制和直接转矩控制等[5-8]。其中，文献[5]介绍了用于微电网的飞轮储能系统控制策略，充放电均采用V/f控制方式，进行了充放电的MATLAB仿真，但没有对V/f控制过程中的参数影响进行分析；文献[6]介绍了采用异步电机的飞轮储能系统直接转矩控制和磁场定向控制两种控制方式，并进行了两种控制方式在不同功率飞轮储能系统上的充放电MATLAB仿真和实验，指出直接转矩控制相对于磁场定向控制在效率等方面存在优势；文献[7]介绍了用于船舶动力系统的飞轮储能系统，采用磁场定向控制方式，进行了充放电的MATLAB仿真；文献[8]详细介绍了飞轮储能系统的充放电控制策略，充电采用矢量控制方式，放电采用V/f控制方式，并进行了充放电的MATLAB仿真，但也没有对V/f控制过程中的参数影响进行分析。

本文从实验着手，针对升速储能和降速发电过程均采用V/f控制方式的超导飞轮储能系统，搭建了模拟对拖实验平台，进行了飞轮储能系统升速储能和降速发电过程的模拟实验，结合实验数据对比分析了调制度对升速储能的影响，以及频率差和调制度分别对降速发电的影响。

1 系统结构及原理

超导飞轮储能系统主要包括电动/发电集成电机、径向和轴向超导悬浮系统、飞轮和能量转换系统，其结构示意图如图1所示。

飞轮储能系统的基本工作原理主要包括升速储能、降速发电两个部分。升速储能是通过能量转换系统对飞轮电机进行升速，带动飞轮高速运转，将电能储存为机械能；而降速发电相反，是通过能量转换系统将高速运转的飞轮机械能通过飞轮电机转化为电能，实现发电。

图1 超导飞轮储能结构示意图

1.1 模拟系统结构和原理

为了更好地实现对飞轮储能系统的控制，并了解和掌握飞轮储能系统升速储能和降速发电过程中的电机运行规律和参数调试方法，有必要对飞轮储能用高速异步电机进行升速储能和降速发电的控制实验，以模拟实际飞轮的运行过程。

本文用以模拟飞轮储能系统实验平台的示意图如图2所示，包括两台用联轴器相连的高速异步电机M1和M2、通用变频器、逆变器、控制器和负载直流灯泡，其中电机M1和M2的作用分别是模拟飞轮和飞轮电机的运行情况。

图2 模拟飞轮储能系统实验平台示意图

升速储能时通用变频器不工作，采用V/f控制方式使控制器输出PWM信号，用来控制逆变器的开关管状态，使电机M2工作于电动机状态，并使电机M2升速到设定转速，从而实现飞轮升速储能的模拟过程；降速发电时，依然采用V/f控制方式，通过控制通用变频器设定电机M1的同步频率fM1，使电机M1的转速到达飞轮转速n，电机M1旋转带动电机M2，再通过控制器设定电机M2的同步频率fM2，使得M2的同步转速小于转速n，电机M2处于回馈制动发电状态。由于实际飞轮在降速发电过程中转速是不断降低的，因此可以在保持2个电机同步频率差恒定的情况下，以相同斜率同步降频，来模拟实际飞轮发电过程。

1.2 升速储能控制原理

对飞轮储能的过程也就是集成电机的升速过程，对于异步电机来说常用的控制方式主要有V/f控制、直接转矩控制和矢量控制3种。

本文所研究的超导飞轮储能装置结构复杂，内部不便安装测速传感器，并且电机转速比较高，不适合安装光码盘等机械传感器，因此该装置控制上不能采用直接转矩控制和矢量控制，再考虑到无速度传感器方法的复杂性，并且飞轮储能时对转速精度的要求不高，所以本文选择了V/f控制方式。

V/f控制原理框图如图3所示。给定频率f*，通过V/f曲线计算出载波比N和调制度M，进而算出开通时间Ton，生成SPWM波，控制逆变器的开通和关断，从而达到变频调速的目的。

图3 V/f控制原理框图

1.3 降速发电原理

异步电机的机械特性曲线如图5所示，其中曲线1,2分别表示不同频率f1和f2下的机械特性，且f2

图4 异步电机机械特性曲线

1.4 发电控制的数学模型

在发电过程中，调制度M和2台电机的频率差对发电性能的影响较大，所以需要建立调制度和频率差与直流母线电压的数学模型：

根据异步电机一字型简化等效电路有：

式中:ωs为定子电压角频率;P2为输出机械功率。

若不计附加损耗和机械损耗，且不计变换器损耗，电机电磁功率、机械功率和负载消耗的功率应在任何瞬间都平衡，即：

式中:ωr为电机转子角频率;rL为负载电阻。

将式(1)代入式(2)，然后再代入式(3)整理化简得到：

式中:ψm为气隙磁链，Δωr为转差角速度。从式中可以看出当负载rL恒定，转差角速度(转差频率)Δωr固定，采用V/f控制气隙磁链ψm恒定，直流母线电压Udc随电机转速ωr的下降而降低。

由于不计变换器损耗，负载消耗的功率应时刻等于输入机械功率。可得机械功率：

PWM变频器直流母线电压Udc，逆变电压U1和调制比M三者存在如下关系[12]：

将式(7)代入式(6)化简可得：

由式(8)可以看出假定负载恒定，Idc约等于常值，转差频率恒定时，直流母线电压Udc随调制度M的增大而减小；若调制度M恒定时，直流母线电压Udc随转差频率的增大而增大。

2 储能和发电实验

本文搭建了一套两台1.5 kW，18 000 r/min的高速异步电机对拖实验平台，进行了模拟飞轮储能系统的升速储能和降速发电的实验。模拟飞轮储能系统实验平台实物图如图5所示。

图5 模拟飞轮储能系统实验平台实物图

2.1 升速储能实验

升速储能实验是电机M2采用V/f控制方式升速到设定转速11 747 r/min(200 Hz)，在低频段若不对电压补偿，实验中直接加调压器时电机起动电流会很大，且电机转速升不上去；而补偿电压大小不同时电机相电流大小也会不同，实验结果如图6所示。

(a) M=0.3

(b) M=0.2

图6中，图6(a)为补偿调制度M=0.3下的相电压Ua和相电流Ia；图6(b)为补偿调制度M=0.2下的相电压Ua和相电流Ia。

从图6中可以看出，补偿调制度M越大,相电流Ia会越大，原因是定子频率一定时，补偿调制度越大,定子补偿电压越大，而定子电阻一定，相应的定子相电流也就越大；补偿调制度M越大，相电压Ua与频率f的斜率越小。

2.2 降速发电实验

2.2.1 频率差和调制度实验

固定频率差开环同步降速发电实验，首先要找出频率差和调制度分别对负载电压和相电流的影响。为此，本文做了低转速范围内频率差和调制度分别对负载电压Udc和相电流Ia的影响的实验，负载为直流15 W灯泡，实验结果如图7和图8所示。 从图7可以看出：当频率fM1和fM2差值一定时，直流母线电压Udc随调制度M的增大而减小，而相电流Ia随调制度M的增大而增大；从图8可以看出：当调制度M和频率fM2一定时，负载灯泡电压Udc随频率fM1的增大而增大，也即随固定频率差的增大而增大，相电流Ia也是随fM1的增大而增大。

图7 频率差为5 Hz，不同调制度下的负载电压和相电流

图8 调制度为0.5，不同频率差下的负载电压和相电流

图7和图8均与式(8)的分析相一致，验证了理论的正确性。

2.2.2 定频率差同步降速实验

电机M1模拟飞轮降速，变频器初始频率163.3 Hz，对应的初始转速为9 677 r/min，降频斜率1 Hz/s(60 r/s)；电机M2初始定子给定频率为160 Hz，降频斜率也为1 Hz/s，固定频率差为3.3 Hz/s，此时直流母线电压为230 V，然后同时降速，实验结果如图9所示。

图9 不同转速下的负载电压Udc

从图9中可以看出,电机转速在6 000～8 000 r/min之间，直流母线电压相对比较稳定，在230 V左右；转速在8 000 r/min以上时直流母线电压波动范围较大，原因可能在于拖动电机M1的变频器在降速的过程中，降速不恒定而导致电压忽高忽低；6 000 r/min以下转速范围内随着转速和定子频率的同步降低,直流母线电压在连续降低，与式(5)的分析一致。在降速发电过程中低转速阶段固定频率差为3.3 Hz时，电机M2发出的能量不足以使直流母线电压稳定在230 V附近，为了维持230 V稳定,可以考虑变频率差控制或者电压闭环控制。

3 结 语

本文搭建了模拟飞轮储能系统的高速异步电机对拖实验平台，进行了模拟飞轮储能系统升速储能和降速发电的实验。

升速储能实验结果表明，调制度M越大，相电流Ia越大，而相电压Ua与频率f的斜率越小；降速发电实验结果表明，(1)调制度M和fM2一定时，负载灯泡电压Udc和相电流Ia随fM1的增大而增大;(2)转速在8 000 r/min以上时直流母线电压波动范围较大，转速在6 000～8 000 r/min之间时，直流母线电压基本稳定在230 V左右，转速在6 000 r/min以下时，直流母线电压随转速和定子频率的同步降低而降低。

实验结果达到了预期的效果，对进一步的变频率差控制和电压闭环控制起到了重要作用。

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High-Speed Asynchronous Machine for Flywheel Energy Storage Systems

CHENXiao-ling1,PENGWen2,QIUZhi-jian1

(1.Shanghai University,Shanghai 200072，China;2.Shanghai China Petroleum Instrument Co.,Ltd., Shanghai 200072，China)

The control of high-speed asynchronous motors accelerating energy storage and decelerating power generation for flywheel energy storage systems was studied, and an experimental platform was built with two high-speed asynchronous motors, for simulating experimental process of accelerating energy storage and decelerating power generation in the flywheel energy storage systems. Based on the experimental data, analyzing the influence of the frequency difference and the modulation depth on the accelerating energy storage and decelerating power generation experiments, accordingly verifying the validity of the mathematical model. A solid foundation was made by the experimental results for further study of the variable frequency difference control and the voltage closed-loop control.

flywheel energy storage; asynchronous motor/generator;V/fcontrol; energy feedback

2016-05-11

TM343

A

1004-7018(2017)03-0042-04

陈小玲(1989-),女,硕士研究生,研究方向为电机与电器。