陳小玲，彭 文，仇志堅(jiān)

(1.上海大學(xué)，上海 200072；2.上?？朴褪蛢x器制造有限公司，上海 200072)

飛輪儲能高速異步電機(jī)儲能發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)研究

陳小玲1，彭 文2，仇志堅(jiān)1

(1.上海大學(xué)，上海 200072；2.上海科油石油儀器制造有限公司，上海 200072)

針對飛輪儲能用高速異步電機(jī)升速儲能和降速發(fā)電的控制展開研究，搭建了一套高速異步電機(jī)對拖實(shí)驗(yàn)平臺，以模擬飛輪儲能系統(tǒng)升速儲能和降速發(fā)電的實(shí)驗(yàn)過程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了頻率差和調(diào)制度對升速儲能和降速發(fā)電實(shí)驗(yàn)的影響，從而驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型的正確性，為進(jìn)一步的變頻率差控制和電壓閉環(huán)控制打下基礎(chǔ)。

飛輪儲能；異步電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)；V/f控制；能量回饋

Simulation Experimental Research on Energy Storage and Power Generation of

0 引 言

近年來，隨著太陽能、風(fēng)能等新能源的開發(fā)應(yīng)用，為了更加有效地利用這些新能源，飛輪儲能技術(shù)越來越備受關(guān)注[1-2]。用于飛輪儲能的電機(jī)主要有永磁同步電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和鼠籠異步電機(jī)等，而異步電機(jī)技術(shù)成熟，制造工藝簡單，使用廣泛，具有價(jià)格低廉，控制簡單等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，在飛輪儲能系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

飛輪儲能電機(jī)的控制方式主要有V/f控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等[5-8]。其中，文獻(xiàn)[5]介紹了用于微電網(wǎng)的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略，充放電均采用V/f控制方式，進(jìn)行了充放電的MATLAB仿真，但沒有對V/f控制過程中的參數(shù)影響進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[6]介紹了采用異步電機(jī)的飛輪儲能系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場定向控制兩種控制方式，并進(jìn)行了兩種控制方式在不同功率飛輪儲能系統(tǒng)上的充放電MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)，指出直接轉(zhuǎn)矩控制相對于磁場定向控制在效率等方面存在優(yōu)勢；文獻(xiàn)[7]介紹了用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)的飛輪儲能系統(tǒng)，采用磁場定向控制方式，進(jìn)行了充放電的MATLAB仿真；文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了飛輪儲能系統(tǒng)的充放電控制策略，充電采用矢量控制方式，放電采用V/f控制方式，并進(jìn)行了充放電的MATLAB仿真，但也沒有對V/f控制過程中的參數(shù)影響進(jìn)行分析。

本文從實(shí)驗(yàn)著手，針對升速儲能和降速發(fā)電過程均采用V/f控制方式的超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)，搭建了模擬對拖實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了飛輪儲能系統(tǒng)升速儲能和降速發(fā)電過程的模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析了調(diào)制度對升速儲能的影響，以及頻率差和調(diào)制度分別對降速發(fā)電的影響。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)主要包括電動(dòng)/發(fā)電集成電機(jī)、徑向和軸向超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)、飛輪和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

飛輪儲能系統(tǒng)的基本工作原理主要包括升速儲能、降速發(fā)電兩個(gè)部分。升速儲能是通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對飛輪電機(jī)進(jìn)行升速，帶動(dòng)飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，將電能儲存為機(jī)械能；而降速發(fā)電相反，是通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將高速運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪機(jī)械能通過飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

圖1 超導(dǎo)飛輪儲能結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

為了更好地實(shí)現(xiàn)對飛輪儲能系統(tǒng)的控制，并了解和掌握飛輪儲能系統(tǒng)升速儲能和降速發(fā)電過程中的電機(jī)運(yùn)行規(guī)律和參數(shù)調(diào)試方法，有必要對飛輪儲能用高速異步電機(jī)進(jìn)行升速儲能和降速發(fā)電的控制實(shí)驗(yàn)，以模擬實(shí)際飛輪的運(yùn)行過程。

本文用以模擬飛輪儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的示意圖如圖2所示，包括兩臺用聯(lián)軸器相連的高速異步電機(jī)M1和M2、通用變頻器、逆變器、控制器和負(fù)載直流燈泡，其中電機(jī)M1和M2的作用分別是模擬飛輪和飛輪電機(jī)的運(yùn)行情況。

圖2 模擬飛輪儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

升速儲能時(shí)通用變頻器不工作，采用V/f控制方式使控制器輸出PWM信號，用來控制逆變器的開關(guān)管狀態(tài)，使電機(jī)M2工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，并使電機(jī)M2升速到設(shè)定轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)飛輪升速儲能的模擬過程；降速發(fā)電時(shí)，依然采用V/f控制方式，通過控制通用變頻器設(shè)定電機(jī)M1的同步頻率fM1，使電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速到達(dá)飛輪轉(zhuǎn)速n，電機(jī)M1旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)電機(jī)M2，再通過控制器設(shè)定電機(jī)M2的同步頻率fM2，使得M2的同步轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)速n，電機(jī)M2處于回饋制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)。由于實(shí)際飛輪在降速發(fā)電過程中轉(zhuǎn)速是不斷降低的，因此可以在保持2個(gè)電機(jī)同步頻率差恒定的情況下，以相同斜率同步降頻，來模擬實(shí)際飛輪發(fā)電過程。

1.2 升速儲能控制原理

對飛輪儲能的過程也就是集成電機(jī)的升速過程，對于異步電機(jī)來說常用的控制方式主要有V/f控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制3種。

本文所研究的超導(dǎo)飛輪儲能裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部不便安裝測速傳感器，并且電機(jī)轉(zhuǎn)速比較高，不適合安裝光碼盤等機(jī)械傳感器，因此該裝置控制上不能采用直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制，再考慮到無速度傳感器方法的復(fù)雜性，并且飛輪儲能時(shí)對轉(zhuǎn)速精度的要求不高，所以本文選擇了V/f控制方式。

V/f控制原理框圖如圖3所示。給定頻率f*，通過V/f曲線計(jì)算出載波比N和調(diào)制度M，進(jìn)而算出開通時(shí)間Ton，生成SPWM波，控制逆變器的開通和關(guān)斷，從而達(dá)到變頻調(diào)速的目的。

圖3 V/f控制原理框圖

1.3 降速發(fā)電原理

異步電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖5所示，其中曲線1,2分別表示不同頻率f1和f2下的機(jī)械特性，且f2

圖4 異步電機(jī)機(jī)械特性曲線

1.4 發(fā)電控制的數(shù)學(xué)模型

在發(fā)電過程中，調(diào)制度M和2臺電機(jī)的頻率差對發(fā)電性能的影響較大，所以需要建立調(diào)制度和頻率差與直流母線電壓的數(shù)學(xué)模型：

根據(jù)異步電機(jī)一字型簡化等效電路有：

式中:ωs為定子電壓角頻率;P2為輸出機(jī)械功率。

若不計(jì)附加損耗和機(jī)械損耗，且不計(jì)變換器損耗，電機(jī)電磁功率、機(jī)械功率和負(fù)載消耗的功率應(yīng)在任何瞬間都平衡，即：

式中:ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率;rL為負(fù)載電阻。

將式(1)代入式(2)，然后再代入式(3)整理化簡得到：

式中:ψm為氣隙磁鏈，Δωr為轉(zhuǎn)差角速度。從式中可以看出當(dāng)負(fù)載rL恒定，轉(zhuǎn)差角速度(轉(zhuǎn)差頻率)Δωr固定，采用V/f控制氣隙磁鏈ψm恒定，直流母線電壓Udc隨電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr的下降而降低。

由于不計(jì)變換器損耗，負(fù)載消耗的功率應(yīng)時(shí)刻等于輸入機(jī)械功率。可得機(jī)械功率：

PWM變頻器直流母線電壓Udc，逆變電壓U1和調(diào)制比M三者存在如下關(guān)系[12]：

將式(7)代入式(6)化簡可得：

由式(8)可以看出假定負(fù)載恒定，Idc約等于常值，轉(zhuǎn)差頻率恒定時(shí)，直流母線電壓Udc隨調(diào)制度M的增大而減?。蝗粽{(diào)制度M恒定時(shí)，直流母線電壓Udc隨轉(zhuǎn)差頻率的增大而增大。

2 儲能和發(fā)電實(shí)驗(yàn)

本文搭建了一套兩臺1.5 kW，18 000 r/min的高速異步電機(jī)對拖實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了模擬飛輪儲能系統(tǒng)的升速儲能和降速發(fā)電的實(shí)驗(yàn)。模擬飛輪儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 模擬飛輪儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖

2.1 升速儲能實(shí)驗(yàn)

升速儲能實(shí)驗(yàn)是電機(jī)M2采用V/f控制方式升速到設(shè)定轉(zhuǎn)速11 747 r/min(200 Hz)，在低頻段若不對電壓補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)中直接加調(diào)壓器時(shí)電機(jī)起動(dòng)電流會(huì)很大，且電機(jī)轉(zhuǎn)速升不上去；而補(bǔ)償電壓大小不同時(shí)電機(jī)相電流大小也會(huì)不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(a) M=0.3

(b) M=0.2

圖6中，圖6(a)為補(bǔ)償調(diào)制度M=0.3下的相電壓Ua和相電流Ia；圖6(b)為補(bǔ)償調(diào)制度M=0.2下的相電壓Ua和相電流Ia。

從圖6中可以看出，補(bǔ)償調(diào)制度M越大,相電流Ia會(huì)越大，原因是定子頻率一定時(shí)，補(bǔ)償調(diào)制度越大,定子補(bǔ)償電壓越大，而定子電阻一定，相應(yīng)的定子相電流也就越大；補(bǔ)償調(diào)制度M越大，相電壓Ua與頻率f的斜率越小。

2.2 降速發(fā)電實(shí)驗(yàn)

2.2.1 頻率差和調(diào)制度實(shí)驗(yàn)

固定頻率差開環(huán)同步降速發(fā)電實(shí)驗(yàn)，首先要找出頻率差和調(diào)制度分別對負(fù)載電壓和相電流的影響。為此，本文做了低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)頻率差和調(diào)制度分別對負(fù)載電壓Udc和相電流Ia的影響的實(shí)驗(yàn)，負(fù)載為直流15 W燈泡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。 從圖7可以看出：當(dāng)頻率fM1和fM2差值一定時(shí)，直流母線電壓Udc隨調(diào)制度M的增大而減小，而相電流Ia隨調(diào)制度M的增大而增大；從圖8可以看出：當(dāng)調(diào)制度M和頻率fM2一定時(shí)，負(fù)載燈泡電壓Udc隨頻率fM1的增大而增大，也即隨固定頻率差的增大而增大，相電流Ia也是隨fM1的增大而增大。

圖7 頻率差為5 Hz，不同調(diào)制度下的負(fù)載電壓和相電流

圖8 調(diào)制度為0.5，不同頻率差下的負(fù)載電壓和相電流

圖7和圖8均與式(8)的分析相一致，驗(yàn)證了理論的正確性。

2.2.2 定頻率差同步降速實(shí)驗(yàn)

電機(jī)M1模擬飛輪降速，變頻器初始頻率163.3 Hz，對應(yīng)的初始轉(zhuǎn)速為9 677 r/min，降頻斜率1 Hz/s(60 r/s)；電機(jī)M2初始定子給定頻率為160 Hz，降頻斜率也為1 Hz/s，固定頻率差為3.3 Hz/s，此時(shí)直流母線電壓為230 V，然后同時(shí)降速，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)載電壓Udc

從圖9中可以看出,電機(jī)轉(zhuǎn)速在6 000～8 000 r/min之間，直流母線電壓相對比較穩(wěn)定，在230 V左右；轉(zhuǎn)速在8 000 r/min以上時(shí)直流母線電壓波動(dòng)范圍較大，原因可能在于拖動(dòng)電機(jī)M1的變頻器在降速的過程中，降速不恒定而導(dǎo)致電壓忽高忽低；6 000 r/min以下轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速和定子頻率的同步降低,直流母線電壓在連續(xù)降低，與式(5)的分析一致。在降速發(fā)電過程中低轉(zhuǎn)速階段固定頻率差為3.3 Hz時(shí)，電機(jī)M2發(fā)出的能量不足以使直流母線電壓穩(wěn)定在230 V附近，為了維持230 V穩(wěn)定,可以考慮變頻率差控制或者電壓閉環(huán)控制。

3 結(jié) 語

本文搭建了模擬飛輪儲能系統(tǒng)的高速異步電機(jī)對拖實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了模擬飛輪儲能系統(tǒng)升速儲能和降速發(fā)電的實(shí)驗(yàn)。

升速儲能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)制度M越大，相電流Ia越大，而相電壓Ua與頻率f的斜率越小；降速發(fā)電實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，(1)調(diào)制度M和fM2一定時(shí)，負(fù)載燈泡電壓Udc和相電流Ia隨fM1的增大而增大;(2)轉(zhuǎn)速在8 000 r/min以上時(shí)直流母線電壓波動(dòng)范圍較大，轉(zhuǎn)速在6 000～8 000 r/min之間時(shí)，直流母線電壓基本穩(wěn)定在230 V左右，轉(zhuǎn)速在6 000 r/min以下時(shí)，直流母線電壓隨轉(zhuǎn)速和定子頻率的同步降低而降低。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果，對進(jìn)一步的變頻率差控制和電壓閉環(huán)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

陳小玲(1989-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。