趙中玉，孫曉靜，劉文莉

(1.蘭州理工大學技術工程學院，甘肅 蘭州 730050;2.蘭州電源車輛研究所有限公司，甘肅 蘭州 730050;3.蘭州工業(yè)學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

目前應急備用電站發(fā)電技術已經(jīng)相當成熟，并已廣泛應用，但由于其實現(xiàn)市電到應急備用電站切換過程中不間斷供電的是使用化學電池，造成充電時間長、占據(jù)空間大、使用壽命短、對環(huán)境造成污染等問題。而飛輪電池克服了這些問題，已經(jīng)成為目前研究的熱點［1-4］。

飛輪電池是一種機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其能量的轉(zhuǎn)換主要是通過雙向電動機/發(fā)電機、整流/逆變電力電子控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。其中雙向電機可供選擇的有五種［5］:即感應電機、開關磁阻電機、“寫極”電機、永磁無刷直流電機和永磁同步電機。目前，國內(nèi)外對飛輪電池的應用研究主要是針對感應電機和永磁無刷直流電機及其控制系統(tǒng)的研究［6-8］，但由于前者轉(zhuǎn)速不能太高;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差損耗大;而后者工作磁場是步進式旋轉(zhuǎn)磁場，很容易產(chǎn)生脈動，同時伴有較大噪聲。因此本文將采用轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低，即具有交流電機的結構簡單、運行可靠，又具有直流電機的運行效率高、無勵磁損耗的永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM)來作為飛輪電池的驅(qū)動電機。電力電子裝置采用電路簡單，能實現(xiàn)能量雙向流動的雙PWM變流器方式。

由于PMSM是一個多變量、強耦合、非線性系統(tǒng)，在實際應用中，受外界干擾及內(nèi)部攝動等不確定因素影響，傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器很難滿足高性能控制要求［9-10］。因此提出了一種基于滑模變結構的快速充電控制策略，并通過MATLAB/Simulink仿真試驗，驗證了該控制策略的正確性。

1 系統(tǒng)結構

基于飛輪電池的應急備用電站主要由市電電網(wǎng)、應急備用電站、飛輪電池及整流/逆變裝置組成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

圖中ATS的作用是保證電網(wǎng)在任何情況下只有一路交流電輸出;靜態(tài)開關的作用是由電網(wǎng)供電旁路切換至飛輪電池供電。由于靜態(tài)開關選用的是快速晶閘管，其接通時間只有微秒級，因此依靠這種技術，可以對負載實現(xiàn)由市電到應急備用電站轉(zhuǎn)換時的不間斷供電。

2 充電模式下電網(wǎng)側(cè)PWM變流器控制

圖2為連接在電網(wǎng)側(cè)的三相電壓型橋式PWM變流器結構圖。其控制方式采用的是直接電流控制，以實現(xiàn)PWM整流電路工作時功率因數(shù)近似為1的控制;控制方法為滯環(huán)電流控制，其控制框圖如圖3所示。

圖2 電網(wǎng)側(cè)PWM變流器結構圖

圖3 控制系統(tǒng)結構框圖

圖3 中的控制系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，其外環(huán)為直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為交流電流控制環(huán)。由于分別是和各自的電源電壓同相位、其幅值和反映負載電流大小的直流信號iD成正比，因此可實現(xiàn)PWM1變流器的單位功率因數(shù)運行。

3 充電模式下飛輪電池側(cè)PWM變流器控制

圖4為連接在飛輪電池(永磁電機)側(cè)的三相橋式PWM變流器。

圖4 飛輪電池側(cè)PWM變流器結構圖

3.1 永磁同步電機數(shù)學模型

永磁電機在dq軸的數(shù)學模型主要由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。引入回轉(zhuǎn)器理論，其在dq軸下的簡化等效電路如圖 5 所示［11］。圖中 pnψfωm= ωrψf。

電路的電壓、磁鏈及轉(zhuǎn)矩方程如式(1)、(2)、(3):

圖5 飛輪電池充電時的等效電路圖

這里ud，uq，id和iq表示永磁同步電機在q軸、d軸的電壓和電流;L=Ld=Lq表示定子線圈在d、q軸的電感;p是微分算子;Rs是定子電阻;ωr、ωm是電磁和機械旋轉(zhuǎn)速度;Te是電磁轉(zhuǎn)矩;pn是極對數(shù);ψf是磁通;J是飛輪轉(zhuǎn)動慣量;RΩ是磨擦因數(shù)。

3.2 磁場定向矢量控制策略研究

飛輪電機側(cè)PWM變流器采用的是磁場定向矢量控制方式［12］，即id=0，如圖6。此方式無電樞反應的去磁作用，輸出力矩與定子電流成正比，控制最為簡單。

圖6 飛輪電機側(cè)PWM變流器控制策略

根據(jù)轉(zhuǎn)子速度與給定速度比較后經(jīng)由滑模控制器輸出控制轉(zhuǎn)矩的電流信號iq，id、iq經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器及電流內(nèi)環(huán)的解耦電路(采用式⑴)得到電壓給定，經(jīng)反Park變換產(chǎn)生SVPWM的控制電壓Uα和Uβ。

3.3滑模變結構控制器設計

(1)控制器設計

取PMSM系統(tǒng)的狀態(tài)變量為:

結合式(2)和(3)得:

設計系統(tǒng)的滑模面s為:

對s求偏導有:

由指數(shù)趨近律法，得:

式中 ε ＞0、k＞0。

最后由式(10)得:

由式(11)可以看出，求解較為簡單，易于軟件編程實現(xiàn)。

(2)穩(wěn)定性分析

利用Lyapunov穩(wěn)定性理論分析。選擇Lyapunov函數(shù)為:

對其求導得:

系統(tǒng)一旦進入滑模面(s=0)，即進入滑?？刂茽顟B(tài)?？傻没？刂葡碌倪\動微分方程:

解此方程得:

式中c為常數(shù)。當t→∞時，x1沿指數(shù)趨于零，即能無超調(diào)的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤。此時，系統(tǒng)的品質(zhì)完全由開關面的參數(shù)c決定，而與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關，其穩(wěn)定時間也只與c有關，因而具有很好的魯棒性和快速性。

4 飛輪充電系統(tǒng)仿真

應用MATLAB仿真軟件，在Simulink中建立了系統(tǒng)的仿真模型，并對其進行了仿真驗證。

4.1 電網(wǎng)側(cè)PWM變流器控制系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)采用圖3所示的控制方案。圖 7為直流側(cè)電壓仿真波形。圖8為電網(wǎng)側(cè) 電 壓/電流仿真波形。

圖7中顯示仿真開始后直流側(cè)電壓迅速上升到給定值，在1 s發(fā)生負載擾動時，由于電壓閉環(huán)的作用，直流電壓經(jīng)過短暫下降后迅速恢復到給定值。圖8為電網(wǎng)側(cè)PWM變流器輸入電壓和電流仿真波形，可看出網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流基本保持在同一相位，系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。負載增大時，電流的幅值迅速增大，系統(tǒng)的動態(tài)響應好。

圖7 直流側(cè)電壓仿真波形

圖8 交流側(cè)電壓/電流仿真波形

4.2 飛輪電池側(cè)PWM變流器控制系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)采用如圖6所示的控制方案。速度調(diào)節(jié)器采用滑模變結構控制器或PI控制器。圖9和圖10分別為PI控制和滑模變結構控制下的飛輪電池起動時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和三相電流響應波形，給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

從仿真波形中可以看出，在 PI作用下，系統(tǒng)起動存在超調(diào)，并有一定的調(diào)節(jié)時間，而在滑模變結構控制下，系統(tǒng)能夠很快的抑制超調(diào)量，并達到轉(zhuǎn)速給定，具有較強的快速性和魯棒性。

圖9 PI控制

圖10 滑模變結構控制

5 結束語

本文針對飛輪電池在應急備用電站中要求快速充電的特點，采用直接電流控制實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)PWM變流器的單位功率因數(shù)運行;同時設計了一種簡單易行的變參數(shù)趨近律滑模速度控制器，并將其與傳統(tǒng)PI控制器進行了仿真比較。研究結果表明，所設計的滑模變結構控制器算法簡單，易于軟件實現(xiàn);系統(tǒng)響應快，對轉(zhuǎn)速超調(diào)有明顯的抑制;對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動、外部干擾等不確定性具有較強的穩(wěn)定魯棒性和抗干擾性，滿足飛輪電池快速充電的要求。

［1］GEORGE N PRODROMIDIS，F(xiàn)RANK A，COUTELIERIS.Simulations of economical and technical feasibility of battery and flywheel hybrid energy storage systems in autonomous projects［J］.Renewable Energy，2011，39(1):149-153.

［2］ARGHANDEH R，PIPATTANASOMPORN M，RAHMAN S.Flywheel energy storage systems for ride-through.applications in a facility microgrid［C］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(4):1955-1962.

［3］BITTERLY J G.Flywheel technology past，present，and 21stcentury projections［J］.IEEE AES Systems Magazine，1998，13(8):13-16.

［4 ］CHEN JUNLING，JIANG XINJIAN，ZHU DONGQI，et al.A novel uninterruptible power supply using flywheel energy storage unit［C］.Power Electronics and Motion Control Conference，2004，3(8):1180-1184.

［5］湯雙清.飛輪儲能技術及應用［M］.武漢:華中科技大學出版社，2007.

［6］陳峻嶺，姜新建，朱東起，等.基于飛輪儲能技術的新型UPS的研究［J］.清華大學學報，2004，44(10):1321-1324.

［7］王健，康龍云，曹秉剛，等.新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的控制策略［J］.太陽能學報，2006，27(7):704-708.

［8］KAIROUS D，WAMKEUE R.DFIG-based fuzzy sliding-mode control of WECS with a flywheel energy storage［J］.Electric Power Systems Research，2012，93:16-23.

［9］方斯琛，周波，黃佳佳，等.滑模控制永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)［J］.電工技術學報，2008，23(8):29-35.

［10］汪海波，周波，方斯琛.永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的滑?？刂疲跩］.電工技術學報，2009，24(9):71-76.

［11］AKAGIANDH H.SATO:Advanced high-speed flywheel energy storage systems for pulsed power application［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，17(1):109-116.

［12］韓金剛，陳昆明，湯天浩.半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)建模與電流解耦控制研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(10):110-115.