孫 鵬，張善科，馬正軍，賀 星

(1.中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430032)

0 引言

隨著世界科學(xué)研究進(jìn)程的飛速發(fā)展，艦船朝著高智能化、高集成化、高模塊化發(fā)展，艦船綜合電力中壓直流系統(tǒng)勢必成為未來重點(diǎn)攻克目標(biāo)[1-2]。采用中壓直流配電不僅具有高壓交流配電的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以減少安裝空間、降低傳輸損壞、提高電網(wǎng)容量及效率等特點(diǎn)。目前國內(nèi)外對中壓直流電力系統(tǒng)的研究尚處于試驗(yàn)階段，仍有許多核心問題亟待解決[3]。艦船綜合電力中壓直流電網(wǎng)與大容量陸地電網(wǎng)相比，屬于孤立電網(wǎng)，其容量較小，具有供電距離短、電網(wǎng)間耦合性強(qiáng)、工作環(huán)境惡劣、且終端負(fù)載的切換易引起電網(wǎng)穩(wěn)定性惡化等特點(diǎn)，易引發(fā)電壓凹陷、畸變、電流涌浪、尖峰等不良現(xiàn)象。因此為提高艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，滿足負(fù)載頻繁變化并改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，各國先后對綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行多方面深入研究，如改進(jìn)電網(wǎng)控制策略、配電網(wǎng)分層保護(hù)、輸電布局改進(jìn)設(shè)計(jì)、電制電壓等級設(shè)計(jì)，采用新型電力電子設(shè)備或裝載先進(jìn)儲能系統(tǒng)等以提高綜合電力系統(tǒng)整體運(yùn)行性能。美國艦船綜合電力系統(tǒng)已明確將大容量集成化的飛輪儲能設(shè)備應(yīng)用于對大功率重要負(fù)載供電，用以抑制電壓波動[4]。結(jié)合國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，采用具有儲能密度高、瞬時(shí)功率大、充電時(shí)間短、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)的飛輪儲能系統(tǒng)（Flywheel energy storage system，F(xiàn)ESS）作為不間斷UPS電源能夠增強(qiáng)綜合電力中壓直流系統(tǒng)在各種工況過渡下的穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠降低電網(wǎng)功率突變對燃?xì)廨啓C(jī)造成的沖擊影響。

本文為探究飛輪儲能充放電模式切換的動態(tài)特性以及對直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，對大功率飛輪儲能充放電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。采用飛輪永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的充電模式和直流電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的放電模式的雙閉環(huán)控制策略；最后通過仿真驗(yàn)證了飛輪儲能充放電模式切換的動態(tài)特性以及中壓直流母線電壓的變化特性。

圖1 艦船中壓直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of DC power distribution system in ships

1 中壓直流電網(wǎng)

圖1為艦船中壓直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方案。原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)AC/DC變換器轉(zhuǎn)變成中壓直流電網(wǎng)，在近用電終端再通過高功率DC/DC變換器或DC/AC變換器將直流電轉(zhuǎn)變成所需的電壓等級供給設(shè)備使用[5]。系統(tǒng)不僅引入了大量阻感性電力電子設(shè)備，同時(shí)還包含了各種典型組成部分，這造成中壓直流配電系統(tǒng)會出現(xiàn)不同于交流配電網(wǎng)絡(luò)的一些特性：

1）艦船負(fù)載多屬于動態(tài)特性差別較大的感性負(fù)載，同時(shí)艦船常運(yùn)行在多種運(yùn)行工況，使得直流母線電壓幅值會出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，因此直流配電系統(tǒng)對穩(wěn)定控制的時(shí)間常數(shù)要求極高，動態(tài)響應(yīng)速度嚴(yán)格，系統(tǒng)存在較強(qiáng)的剛性非線性問題。

2）直流配電系統(tǒng)存在大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電力電子裝置與多級電力電子設(shè)備裝置的級聯(lián)問題，輸入輸出阻抗不匹配極易造成系統(tǒng)失穩(wěn)。

3）直流配電系統(tǒng)短路電流較大且不存在自然過零點(diǎn)，傳統(tǒng)斷路器分?jǐn)嗬щy，給直流配電保護(hù)技術(shù)提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。

4）直流配電系統(tǒng)故障類型及數(shù)量較多，目前監(jiān)測技術(shù)尚不成熟，導(dǎo)致對于高功率變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制、接地方式、負(fù)載模型等均處于研究階段，系統(tǒng)具體特性深入分析仍需完善。

針對中壓直流配電系統(tǒng)容易出現(xiàn)的電壓凹陷問題，若通過復(fù)雜且技術(shù)難度大的系統(tǒng)穩(wěn)定性保護(hù)控制來解決，成本較高。于是可通過潛力大的飛輪儲能技術(shù)對中壓直流母線電壓進(jìn)行補(bǔ)償，抑制電壓凹陷程度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 飛輪儲能系統(tǒng)充放電控制

PMSM基于dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型表達(dá)如下[6-7]：

忽略損耗，有

式中：ifd，ifq，ufd，ufq為飛輪電機(jī)dq軸分量；Rfs為電機(jī)定子電阻；ψfd，ψfq為永磁體dq軸分量；Lfd，Lfq為定子電感dq軸分量；ωf為電機(jī)同步角速度；ψf為氣隙磁通；p為微分算子；pn為極對數(shù)；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；W為飛輪儲存能量。

飛輪運(yùn)行在3種工作模式：一是從電網(wǎng)吸收能量增加轉(zhuǎn)速的充電過程；二是消耗較小能量保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的保持過程；三是降低轉(zhuǎn)速向電網(wǎng)輸入能量的放電過程。放電時(shí)，由于飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致發(fā)出的交流測電壓的頻率與幅值均隨之降低，且由式（3）、式（5）知要使飛輪恒功率放電，必然要增加制動轉(zhuǎn)矩即主要增大電磁分量參考值值很小可忽略），同時(shí)根據(jù)能量守恒定律，飛輪放出的能量可表述為；

式中：Pε(t)為飛輪電機(jī)電磁功率；Pi(t)轉(zhuǎn)換到交流側(cè)的平均功率；C為直流側(cè)電容；RL為直流側(cè)電阻；ωf(0)，ωf(t)分別表示電機(jī)減速開始及減速后角速度。

將式（3）進(jìn)一步分解，可得

穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流側(cè)電容總吸收能量為零，故而飛輪所發(fā)出的能量將最終都輸送進(jìn)電網(wǎng)，圖2為飛輪充放電并網(wǎng)控制框圖。但在飛輪放電過程中存在一個(gè)問題，在保持恒電壓放電時(shí)，增大放電功率會導(dǎo)致直流電壓下降或劇烈波動，不能保持恒定，進(jìn)而會影響直流電網(wǎng)的供電品質(zhì)，故而采用文獻(xiàn)[8]所提出的綜合優(yōu)化弱磁控制策略以實(shí)現(xiàn)大功率放電下的電壓恒定。

3 飛輪充放電模式切換仿真分析

為探究飛輪充放電模式切換特性響應(yīng)，按圖2建立飛輪儲能充放電仿真模型，仿真參數(shù)如下：

圖2 飛輪充放電并網(wǎng)控制框圖Fig.2 Diagram of flywheel charging and discharging grid

f= 50 Hz，Udc=3 500 V；

飛輪參數(shù)：額定功率pn=600kW；

恒定放電功率為pf=700kW；

電機(jī)定子電阻Rs=2.192?；

電感Ld=3.9e-3H,Lq=3.708e-3H；

永磁體磁鏈ψff=0.4475Wb；

極對數(shù)p=2；

運(yùn)行轉(zhuǎn)速n=18 000 r/min；

Jfm=1.4kg·m2。

控制模塊中共有4個(gè)PI控制器，外環(huán)轉(zhuǎn)速PI1與電壓PI2采用典Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)以增加抗擾性能，內(nèi)環(huán)電流PI3與PI4采用典Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以提高電流的快速無誤差跟蹤性能，具有參數(shù)如表1所示，其充放電模式切換過程仿真波形如圖3所示。充放電過程飛轉(zhuǎn)功率曲線如圖4所示，電機(jī)q軸電流曲線如圖5所示，電機(jī)d軸電流曲線如圖6所示。

表1 控制系統(tǒng)各PI設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The design parameters of each PI in the control system

圖3 充放電過程飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 Speed curve of flywheel motor in charge discharge process

可知，10 s前對飛輪進(jìn)行充電，在15 s時(shí)進(jìn)行恒功率減速釋能，控制輸出直流電壓，同時(shí)為了尋找飛輪儲能放電下的最低臨界轉(zhuǎn)速，暫令電機(jī)轉(zhuǎn)速降低至零時(shí)，迅速由“電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)”切換成“轉(zhuǎn)速外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)”控制，將轉(zhuǎn)速控制為零以保證電機(jī)不反轉(zhuǎn)，以保證電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)仿真波形再最終確定最低臨界轉(zhuǎn)速。由圖4電機(jī)功率曲線可知，飛輪裝置能夠按照指令以恒定700 kW功率進(jìn)行放電，在21.9 s時(shí)放電功率開始迅速降低，不能保持恒定放電，此時(shí)轉(zhuǎn)速降低至約1 750 r/min，因此，可把1 750 r/min作為飛輪裝置能夠恒定700 kW放電下的最低轉(zhuǎn)速值，小于該轉(zhuǎn)速時(shí)放電功率將降低。同時(shí)放電模式下的直流母線電壓如圖7所示，能夠快速跟隨給定穩(wěn)定在4 000 V，在21.5 s時(shí)直流電壓不能跟隨給定值而開始降低，電壓控制環(huán)失效，由于直流側(cè)儲能電容的存在，直流電壓得以維持在2 700 V左右，此時(shí)轉(zhuǎn)速約為1 900 r/min，則此時(shí)可認(rèn)為此轉(zhuǎn)速是維持輸出直流電壓恒定的最低轉(zhuǎn)速值。綜上，將飛輪放電最低轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 900 r/min，能夠?qū)崿F(xiàn)放電過程中輸出直流電壓恒定與功率恒定。放電過程中電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反以降低轉(zhuǎn)速進(jìn)行放電，其變化趨勢與iq一致，電流在放電過程中id存在較大波動但最終仍穩(wěn)定在零參考值（見圖8），滿足控制要求，放電狀態(tài)下電機(jī)定子三相電流仍保持正弦狀態(tài)，電能品質(zhì)較高。

圖4 充放電過程飛輪功率曲線Fig.4 Flywheel power curve in charge discharge process

圖5 充放電過程電機(jī)q軸電流曲線Fig.5 q axis current curve of motor in charge and discharge process

圖6 充放電過程電機(jī)d軸電流曲線Fig.6 d axis current curve of motor in charge and discharge process

圖7 充放電過程直流電壓曲線Fig.7 DC voltage curve in charge discharge process

圖8 飛輪充放電過程定子電流曲線Fig.8 Stator current curve of flywheel charging and discharging process

4 結(jié)論

本文建立了匹配中壓直流電網(wǎng)用以增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的大功率飛輪儲能系統(tǒng)并網(wǎng)仿真模型，探究飛輪儲能充放電模式切換的重要參數(shù)特性以及對直流母線電壓穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果。仿真分析結(jié)果表明：所建立的模型是正確的，飛輪充放電模式切換能夠快速跟隨指令，運(yùn)行穩(wěn)定、效率品質(zhì)高，飛輪儲能系統(tǒng)放電能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行功率補(bǔ)償，可減緩直流母線電壓的跌落程度，增強(qiáng)直流電網(wǎng)穩(wěn)定性，為進(jìn)一步全面實(shí)現(xiàn)綜合電力推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。