基于电流前馈的储能飞轮充放电功率控制

孟庆博，王志强

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

0 引 言

对电力系统来说，电能的频率稳定性是衡量其性能的重要指标[1-2]。但随着国家的快速发展以及人民生活水平的不断提高，居民及工业用电量不断增大，再加上新能源发电的接入，电网的频率稳定性受到了严重冲击[3-4]。火电等传统发电形式的调频响应慢、灵活性差、调节效率低，对自动增益控制指令的响应速度远不能达到要求[5]。储能技术凭借响应迅速、调节精度高、易于变换调节方向等优点，已成为电网调频的理想方案。

飞轮储能是一种物理储能技术，相比化学储能，具有环保、无燃爆，可充放电次数高，功率密度高，维护成本低等优势。应用于电网调频时，飞轮储能在提高电网对新能源的接纳能力、提高电网安全稳定水平及经济性等方面具有明显优势。

根据调频的使用场景，要求飞轮能在指定频率下平稳地充电和放电，本文采取了“储能变流器+充放电变流器+储能飞轮系统”的双PWM变流器结构，通过功率/转速外环+电流内环的双闭环复合控制策略，实现对飞轮充放电功率的精确控制。针对功率指令切换瞬间输出功率波动较大的问题，提出基于电流前馈的功率环控制方法。通过实验验证，飞轮系统能快速跟踪充放电功率指令，稳态时的功率输出稳定。

1 储能飞轮工作原理与系统建模

磁悬浮储能飞轮内部结构如图1所示，由壳体、磁轴承、备用轴承、电机定子以及电机转子构成。磁轴承由径向及轴向磁轴承以及位移传感器组成[6]，可确保转子处于悬浮状态。飞轮工作时，利用真空泵将壳体内抽成真空状态。

图1 磁悬浮储能飞轮示意图

飞轮采用永磁同步电机驱动，其结构简单、无励磁损耗，且拥有较大的功率密度，广泛应用于飞轮储能。双向能量变换器采用储能变流器与充放电变流器结合的方式，由IGBT构成三相桥式电路。

飞轮储能系统有三种工作模式[7]：充电模式，飞轮电机由外部供电，带动飞轮转子升速，将能量以动能的形式存储起来；稳速模式，飞轮转速达到指令值后不再升速，由小功率维持转速不变；放电模式，飞轮减速运行，将机械能转化为电能，向外释放能量。

在d，q坐标系下，建立永磁同步电机的数学模型，定子电压方程[8]：

(1)

式中：ud，uq分别为d，q轴的定子电压；id，iq为定子电流；ψd，ψq为定子磁链；ω为电机电角速度；Ld，Lq分别是电动机的直轴电感和交轴电感，表贴式永磁同步电机的Ld与Lq相等；ψf是转子上永磁体的磁链。

d，q坐标系下，永磁同步电机的转矩方程：

(2)

式中：Te是电磁转矩。

由式(2)可知，永磁同步电机控制可通过以下几种方式[9]：矢量控制，单位功率因数控制，弱磁控制以及最大转矩电流比控制。本文的储能飞轮采用的是表贴式电机，其交直轴电感相等，故采用矢量控制，并设置参考id为零。

储能飞轮电气系统框图如图2所示，飞轮电流Iflywheel和变流器电流iinv都是以飞轮在充电状态下的电流方向为正方向，当飞轮放电时，电流方向与之相反[10]。

图2 储能飞轮电气系统框图

2 飞轮充放电功率控制方法

本文中的飞轮储能系统采用背靠背双PWM变流器的拓扑结构[11]，由网侧储能变流器(以下简称PCS)和飞轮侧充放电变流器实现能量交换，系统工作时，储能变流器会提供恒定的直流母线电压，通过对母线电流的调节可实现飞轮充放电功率控制。储能飞轮系统拓扑结构如图3所示。在充电模式下，飞轮接收功率指令以恒功率充电；在放电模式下，飞轮实时跟踪功率指令以指定功率输出电能从而实现调频。

图3 飞轮储能系统拓扑结构

2.1 飞轮充放电控制策略

飞轮充放电采用双闭环复合控制策略[12]，控制系统可以根据功率以及转速指令自行选择外环控制方式。在充电模式下，当飞轮电机起动后，进入功率环进行充电，当电机转速接近指令转速时，切换至转速环，并进入稳速模式；在放电模式下，飞轮系统工作在功率环进行放电。

该控制策略可实现飞轮储能系统以指定功率进行充放电，并且通过调整功率指令，可以调节飞轮电机升降速的快慢，提高飞轮充放电效率及深度。飞轮充放电复合控制方法示意图如图4所示。

图4 飞轮充放电复合控制方法

2.2 飞轮充放电控制系统设计

图5 储能飞轮充放电控制系统框图

飞轮在充电时，采用“速度+功率外环与电流内环”的控制方式。电机转子实时位置信息可通过旋转变压器及解码电路进行采集。

3 电流前馈控制器设计

PI控制器结构简单、易于实现，但其单独作用有以下缺点：在进行控制调整之前，系统必须等待一个误差信号，PI增益越大，控制系统对误差的响应越快。然而，过大的增益会导致系统噪声增多造成系统稳定性下降。本文在PI控制的基础上加入电流前馈，减小对PI控制器的依赖性。

3.1 前馈数学模型的建立

飞轮系统中，逆变器功率可由逆变器电流iinv和直流母线电压Vdc的乘积表示，本文忽略逆变器损耗，则逆变器功率Pinv与飞轮电机功率Pelec相等：

Pelec=Pinv=iinvVdc

(3)

飞轮电机机械功率Pmech等于电机转矩Te与机械转速ωr的乘积：

Pmech=Teωr

(4)

储能飞轮转子在工作中处于真空状态，且由磁悬浮轴承系统保证转子悬浮，消除了机械损耗、摩擦等影响，飞轮电机功率近似等于电机机械功率，故逆变器电流可以由电机转矩、机械转速和直流母线电压表示：

(5)

(6)

3.2 基于电流前馈的外环控制器

图6 加入前馈控制后的功率外环

在充电模式下，飞轮起动后以功率模式充电。充电控制算法调节飞轮电机的加速度，使母线电流保持在指令设定值。当转速接近目标转速时，切换至转速环，为防止出现转速超调现象，在转速环加入积分清零判断，当实际转速与指令转速的差值小于设定误差时，将转速环积分清零，使控制器及时切换至转速环。

图7 转速环加入积分清零

飞轮进入放电模式时，将功率指令设定为负值，则功率环输出电流为负，控制器接入功率外环，飞轮以指令功率进行放电。

4 实验验证

4.1 实验系统搭建

控制系统示意图如图8所示，控制器采用TMS320F28335，电机转子位置信息通过旋转变压器采集，电流、电压、IGBT温度等信息经过传感器和采样电路后送入DSP芯片。通过CAN总线与上位机进行通讯。

图8 飞轮储能控制系统结构框图

本实验采用“储能变流器+充放电变流器+飞轮”的组合方式，实验图如图9～图11所示。储能变流器接入电网，将母线电压Vdc稳定在600 V。飞轮系统由储能飞轮本体、磁轴承控制板、真空泵等组成。控制调制界面如图12所示。

图9 储能变流器图10 充放电变流器

图11 飞轮系统

图12 控制调试界面

飞轮电机参数如表1所示。

表1 飞轮电机参数

4.2 测试实验

图13为直流母线电压波形图，电压值稳定在600 V左右。

图13 母线电压波形

图14、图15为飞轮从放电模式切换至充电模式时的功率及电流波形。图中箭头所指时刻，功率指令由-100 kW变为100 kW，即飞轮由充电转为放电。从波形图可以看出，充放电状态切换时间达到毫秒级，能快速跟踪功率指令；稳态时，充放电功率较平稳，功率波动在1%以下，可实现充放电模式的平滑切换。电流能快速跟踪指令变化，稳态波动较小，确保飞轮电机能稳定进行升/降速。

图14 充放电模式切换功率波形

图15 充放电模式切换电流波形

图16、图17为飞轮在放电模式时进行放电功率切换时的功率及电流波形。图中箭头所指时刻，将功率指令由100 kW切换为80 kW。可以看出，飞轮在放电时可以实现功率的毫秒级切换，切换过程无超调产生，输出功率平稳。

图16 改变放电功率指令时的功率波形

图17 改变放电功率指令时的电流波形

通过实验验证，飞轮储能系统可以实现充放电模式的平滑切换；放电时可以快速进行功率切换，系统输出功率稳定，在不同状态下的切换时间皆达到毫秒级，且在功率切换过程中未产生超调现象。

5 结 语

本文对储能飞轮充放电功率控制展开研究，采用“储能变流器+充放电变流器+储能飞轮系统”的双PWM变流器结构，基于永磁同步电机矢量控制提出“功率/转速外环+电流内环”的双闭环复合控制策略，并针对输出频率波动、响应速度慢的问题，在功率环中加入电流前馈控制。通过实验验证，飞轮储能系统能及时跟踪充放电功率指令，响应时间达到毫秒级，且稳态时功率输出波动在1%以下。该方法为储能飞轮功率控制的进一步研究打下了基础。