大容量飞轮储能永磁电机控制策略研究_胡金明.pdf

大容量飞轮储能永磁电机控制策略研究2023.3大容量飞轮储能永磁电机控制策略研究胡金明，孙玉田，李桂芬，张春莉，胡刚(水力发电设备全国重点实验室(哈尔滨大电机研究所)，哈尔滨 150040)摘要本文研究了飞轮储能系统在两种常用场景下的拓扑结构和控制策略，在电网调频、新能源电站并网的场景下，永磁电机输出交流电压经整流后输出直流电压，再通过逆变器连接电网将电能馈给电网。在轨道交通、大功率不间断电源等场景下，永磁电机输出交流电压经整流后输出直流电压连接直流负载。本文重点研究了飞轮储能系统在连接电网和连接直流负载两种应用场景下的充电和放电控制策略，为了实现飞轮储能大功率长时间放电，本文对一台 1MW 飞轮储能用永磁同步电机进行了研究，以满足永磁电机恒功率1MW 放电 3min 的技术需求。最后搭建了两种应用场景下的暂态仿真模型，分别仿真了连接电网应用场景下充电和放电过程，连接直流负载应用场景下放电过程。验证了大容量飞轮储能用永磁同步发电电动机控制策略研究成果的正确性。关键词飞轮储能;永磁同步电机;充电控制;放电控制 中图分类号TM351 文献标志码A 文章编号1000-3983(2023)03-0020-08esearch on the Control Strategy of Large Capacity FlywheelEnergy Storage Permanent Magnet MotorHU Jinming，SUN Yutian，LI Guifen，ZHANG Chunli，HU Gang(State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(Harbin Institute of Large Electrical Machinery)，Harbin 150040，China)Abstract:In this paper，the topology and control strategy of flywheel energy storage systems arestudied in two common scenarios In the scenarios of grid frequency regulation and grid connection ofnew energy power plants，the output AC voltage of the permanent magnet motor is rectified and thenthe DC voltage is output，and then the power is fed to the grid through the inverter In scenarios suchas rail transit and high-power uninterruptible power supply，the output AC voltage of the PM motor isrectified and then output DC voltage is connected to the DC load This paper focuses on the chargingand discharging control strategies for flywheel energy storage systems in two application scenarios:connecting to the grid and connecting to a DC load In order to realise the high-power long-timedischarge of flywheel energy storage，a 1MW permanent magnet synchronous motor for flywheel energystorage is investigated in this paper to meet the technical requirement of a permanent magnet motorwith constant power of 1MW discharging for 3min Finally，transient simulation models are built fortwo application scenarios，and the charging and discharging processes are simulated for the gridconnection application scenario and the discharging process for the DC load connection applicationscenario，respectively The correctness of the research results of the control strategy of the permanentmagnet synchronous power generation motor for large capacity flywheel energy storage is verifiedKey words:flywheel energy storage;permanent magnet synchronous motor;charge control;dischargecontrol基金项目:黑龙江省自然科学基金(TD2021E002)0前言飞轮储能作为一种全新的机械储能方式，利用电能驱动飞轮高速旋转，将电能转换为机械能，在需要的时候通过飞轮惯性拖动电机发电，将储存的机械能变为电能输出1-2。飞轮储能具有储能密度大、储能效率高、寿命长、运行安全等优点，主要应用在电网调频、新能源电站并网、轨道交通、大功率不间断电022023.3大 电 机 技 术源等领域3-4。飞轮储能系统的工作状态包含升速储能、减速释能以及能量保持三种。升速储能控制时，连接电网应用场景下，飞轮储能系统电机作为电动机运行，输入电能。储能系统工作在升速储能状态时，能量经网侧变流器流向直流母线，为机侧变流器提供直流电压，基于充电控制策略，直流电压经过网侧变流器逆变成使电机升速的交流电供电给电机。连接直流负载应用场景下，靠原动机推动升速储能。减速释能状态时，飞轮储能系统电机作为发电机运行，应用整流技术对电机发出的交流电进行整流，使输出电压维持在稳定水平，此时输出的直流电可供给直流负载也可逆变回馈电网。当逆变回馈电网时，飞轮储能系统主电路拓扑结构如图 1 所示，常用于配套清洁能源的微电网，起到电网调频功能。当供给直流负载时，飞轮储能系统主电路拓扑结构如图 2 所示，常用于轨道交通、大功率不间断电源等领域5-8。能量保持状态时，电网或原动机提供少部分能量维持飞轮储能系统额定转速运行。图 1连接到电网飞轮储能拓扑简图图 2连接到直流负载飞轮储能拓扑简图国内外学者在飞轮储能电机领域做了大量研究工作，取得了丰富的研究成果。文献 9 提出了一种新型的脉宽调制方法，用该方法控制开关管的通断所得到的输出电压与调制波相位延时较小，减缓了实际输出波形与调制波形不符问题。文献 10 设计、制造并测试了使用高温超导轴承悬挂阻尼系统的5kW h/100kW飞轮储能系统。文献 11介绍了一种使用开关磁阻机驱动飞轮的新型功率平滑控制系统。文献 12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。文献 13在分析双馈电机驱动飞轮储能系统的启动和运行控制策略的基础上，设计一套额定容量为 10kV 的 AFPC 励磁控制系统。文献 14 提出一种基于调制比的异步电机闭环发电控制方法。文献 15 研究了一种基于遗传粒子群综合算法的飞轮储能用的单绕组磁悬浮开关磁阻电机多目标优化设计方案。综合上述文献可以发现，在飞轮储能中，电机常见有永磁电机、磁阻电机、异步电机以及感应子电机等。其中永磁电机具有功率密度高、重量轻、结构简单等优点，较为常用。对于表贴式永磁同步电机而言，常采用 id=0 控制策略16-17，属于最大转矩电流比控制的一种，即在同等的负载转矩下实现定子电流最小，使永磁电机达到高功率密度和高运行效率的目的。本文在飞轮储能系统充放电过程中均采用此控制方法。本文对一台 1MW 飞轮储能用永磁同步电机进行了研究，以满足永磁电机恒功率 1MW 放电 3min 的技术需求。利用所搭建的两种应用场景下的暂态仿真模型，分别仿真了连接电网应用场景下充电和放电过程，连接直流负载应用场景下放电过程。验证了大容量飞轮储能用永磁同步发电电动机控制策略研究成果的正确性。为永磁同步发电电动机应用于飞轮储能方向提供了技术支持和参考。1飞轮储能系统控制策略1.1永磁同步电机的数学模型永磁同步电机在三相静止坐标系统中的数学模型具有多变量且互耦性特点，在矢量控制中，常将其进行 Park 坐标变化18，转换到两相同步旋转坐标系中。电压方程如下:ud=sid sLqiq+Lddiddtuq=siq+s(Ldid+f)+Lqdiqdt(1)电机的电磁转矩方程如下:Te=32p fiq+idiq(Ld Lq)(2)电机的机械方程如下:Te TL Dm=Jdmdt(3)电机的机械功率方程如下:Pm=Ten9.55(4)式中，ud、uq为 d 轴和 q 轴电压;id、iq为 d 轴和12大容量飞轮储能永磁电机控制策略研究2023.3q 轴电流;f为永磁体磁链;s为定子电阻;Ld、Lq为 d 轴和 q 轴电感;p 为电机极对数;TL为负载转矩;J 为电机的转动惯量;D 为电机的摩擦系数;s为电机的同步角速度;m为电机的机械角速度;n 为电机转速。1.2连接电网时充电和放电控制策略网侧控制器采用传统 PI(比例积分)控制技术，外环设计为母线电压环，内环设计为电流环，采用电网电压矢量定位方法，含有 PI 调制参数的控制方程如式(5)所示。irefdg=(Kpug+Kiugs)(urefbus ubus)irefqg=0urefdf=(Kpdg+Kidgs)(irefdg idg)+udg gLfiqgurefqf=(Kpqg+Kiqgs)(irefqg iqg)+uqg+gLfidg(5)式中，urefbus、ubus分别为母线电压的参考值和实际值;Kpug、Kiug分别为母线电压外环的比例和积分系数;irefdg、idg分别为网侧变流器 d 轴电流的参考值和实际值;irefqg、iqg分别为网侧变流器 q 轴电流的参考值和实际值;Kpdg、Kidg分别为网侧变流器 d 轴电流内环的比例和积分系数;Kpqg、Kiqg分别为网侧变流器 q 轴电流内环的比例和积分系数;urefdf、urefqf为网侧变流器输出 d 轴和 q 轴电压参考值;udg、uqg为网侧输出 d 轴和 q 轴电压;Lf为滤波电感;g为网侧角频率;s 为积分变量。网侧变流器控制框图如图 3 所示。充电时，机侧采用传统 PI 控制技术，外环设计为转速环，内环设计为电流环，采用电网磁链矢量定位方法，含有 PI 调制参数的方程如式(6)所示。irefd=0irefq=Kp+Ki()s(refm m)urefd=Kpd+Kid()s(irefd id)sLqiqurefq=Kpq+Kiq()s(irefq iq)+s(Ldid+f)(6)式中，refm、m分别机械角速度的参考值和实际值;Kp、Ki分别为转速外环的比例和积分系数;Kpd、Kid分别为 d 轴电流内环的比例和积分系数;Kpq、Kiq分别为 q 轴电流内环的比例和积分系数;urefd、urefq为机侧变流器输出 d 轴和 q 轴电压参考值;irefd、irefq为机侧变流器输出 d 轴和 q 轴电流参考值