1引言
飞轮储能作为新兴的机械储能技术，它的核心部分是电力变换器，其主要作用就是对飞轮电机进行控制以及实现能量的转换，因此对电力变换器的研究是飞轮储能研究的重中之重，这涉及到下列章节对电力变换器的电路拓扑和控制方法的研究［2］。
2飞轮电池电力变换器的拓扑结构和工作原理分析
目前，国内的飞轮储能系统的电机采用的是方波驱动的永磁无刷直流电动机，根据变频调速的基本原理和逆变器的结构组成来设计出本文的电力变换器电路拓扑图，主要包括两大部分：电机驱动的交/直/交变换器和保证电能稳定输出的交/直/交变换器部分[3-5]。
2.1飞轮电池电力变换器的拓扑结构
如图1所示为飞轮储能系统电力变换器拓扑结构图，整个电路由整流、滤波、逆变三大部分构成。为了方便检测母线电流和调节母线电压，在逆变电路部分采用功率场效应管搭建三相桥式逆变电路。
2.2飞轮电池电力变换器的工作原理分析
2.2.1储能部分电力变换器电路分析如图2所示为充电部分电力变换器主电路图，该充电部分电路主要用于飞轮系统充电模式下的控制，其工作过程可看作一个三级的变换环节（AC-DC、DC-DC、DC-AC）。第一部分为整流环节，由三相不可控整流桥和稳压电容C1将输入的交流电整流成稳定的直流电；第二级是斩波环节，采用Buck电路降压斩波电路，目的是实现母线电压的调整以适合第三级所需要的直流电压；第三环节为逆变环节，采用三相桥式PWM型逆变电路将上一环节提供的直流电压，转换成方波驱动电压以驱动电机加速运行。2.2.2放电部分电力变换器电路分析如图3所示为放电部分电力变换器主电路，该部分同样也由三级组成（AC-DC、DC-DC、DC-AC）。当飞轮系统处于放电状态时，驱动无刷直流电机工作并发电，输出的电压为整流稳压环节的输入部分，该环节主要由与S1-S6反并联的超快回复二极管D1-D6和稳压电容C2组成；随着能量的持续输出，飞轮的转速不断下降，导致该整流稳压环节输出的直流电压也不断下降，因此需要升压稳压环节作用，以得到稳定的直流输出电压，为逆变输出环节做准备；逆变输出环节将中间升压稳压环节得到的直流电压逆变成负载所需交流电供其使用，在这里仅选取单相交流输出电压作为研究，单相逆变桥由S7-S10（包括D7-D10）组成。然而当需要输出为三相交流电或者其他形式的交流电时，逆变部分需要采用三相逆变器或其他形式的逆变器。
3飞轮电机的控制
飞轮储能系统的工作方式分为三种：充电、放电、保持，因此对飞轮电机的控制也分为三个阶段［6－7］。
3．1充电模式的控制
该阶段需要电力变换器来驱动飞轮电机高速旋转运行，将电能转换为飞轮转子的机械能存储起来。在该阶段中采用恒定功率与恒定转矩相混合的方式。如图4（a）所示为在混合控制方式下电机的输出特性曲线图，图4（b）为电机升速曲线和绕组电流曲线图。电机的最大输入功率为Pmax，最高转速为ωmax，承受的最大转矩为Tmax。令电机最高转速的一半值作为基速，电机启动时由静止开始加速，经过两个阶段升到最高转速：当转速小于基速时，采用恒转矩的方法运行；当转速高于基速时，采用恒功率的方法运行。
3．2放电模式控制
放电过程是将飞轮存储的机械能转化为电能，是减速释能的过程，由电网侧变流器变换后馈送到电网上。在放电过程中,电机处于制动状态，电机侧变流器根据控制器的功率指令，控制电机输出能量。由于要将能量传送给电网侧直流母线，需要电机侧变流器输出的电压必须稍高于母线侧的电压，因此用到一个BOOST升压电路来提高其输出电压的值。
3．3保持模式
控制保持模式就是将飞轮系统现有的机械能储存起来，没有能量的流动，此时储能系统处于待机状态，损耗最小。综合上述三种不同的工作模式，也就决定了电力变换器必须要实现的功能，如图5所示为飞轮系统与电力变换器间工作模式的关系图，图6为电力变换器总体方案结构框图。
4电力变换器主电路部分仿真
4.1储能部分
在Matlab仿真平台上搭建该电力变换器仿真模型图，其输入电源为三相交流电压220V，频率50Hz，得到如图7（a）所示整流稳压环节电压波形图，幅值为535V，如图7（b）所示为母线调压环节电压波形图，经斩波电路降压后稳定在310V-320V之间。如图8（a）、（b）所示分别为电机的电动势Uab、Uac、Ubc的电压波形和电机A相绕组的电流Ia波形图。
4.2释能部分（即放电部分）
本研究采用尽可能采取符合飞轮储能系统放电过程的方法，设定永磁的初始速度为6000r/min,电机的具体参数与充电模型中的参数相同。如如图9（a）为放电过程中电机转速变化曲线，图9（b）为放电过程中采取升压环节作用下的电压输出波形。由图9（a）和9（b）可知，随着飞轮速度的逐渐下降，单电机的转速降低到40%左右时，放电深度达到70%左右。经过BOOST的升压作用下，输出单相逆变器输出的直流电压稳定在250V，且电压的纹波较小，仿真结果显示良好。
5实验
为了验证所设计的飞轮电池的电力变换器的性能，在实验室作如下实验，实验装置采用一个永磁方波直流无刷电机与磁悬浮飞轮装置组装进行实验，分别完成降速和升速实验。如图10所示为搭建的磁悬浮飞轮实验平台，主要测试飞轮储能系统中电力变换器的性能和飞轮系统在储存及释放能量时母线电压的变化情况。图11为本实验采用的飞轮储能控制驱动器及飞轮电机，其中包括TMS320LF2407ADSP控制系统和电力变换器。由于实验室内条件有限，没有真空实验装置，仅做了静态平衡和动态平衡，并未设真空实验装置。
5.1驱动电机的升速实验
实验所用的飞轮电机为一个12极36槽的无铁芯永磁方波直流电机，P=2.2kW，r=6000rpm，U=300V，I=9.2A，扭力F=3.5N•m，防护等级IP54。飞轮转子直径D=0.6m，飞轮惯量为0.03415kg•m2。飞轮的升速过程大约持续80s，飞轮转子加速上升至6000rpm。如图12所示为飞轮加速过程中采集到的Sr以及上、下桥臂S1、S4的PWM控制信号。其中图12（a）为Sr的控制信号图，占空比D=70%。图12（b）为S1、S4的控制信号图。可以看出，飞轮在加速时，基本实现了PWM的控制以及调压功能。飞轮加速20s内采集到的飞轮转速的波形和母线电压波形如图13所示。图13（a）为飞轮加速上升时的波形，每格（200mV）表示有1000转，即飞轮的转速在此段时间内由2200转上升至3350转；图13（b）为母线电压的上升波形曲线，可以看出此时呈直线稳定增加。总之，电机加速的曲线和母线电压上升的曲线都相对稳定，并与仿真结果相照应，实验正常进行。如图14为飞轮升速时采集的母线电流和电机相电流的波形比较图。其中图14（a）为采样几个周期内母线电流及电机相电流波形；图14（b）为采集20s内母线电流和相电流的波形。可以看出母线电流和相电流幅值都比较稳定，表示飞轮升速过程较稳定，达到了预期效果。
5.2放电实验
设定飞轮系统达到6000rpm就开始放电实验，逆变输出单相正弦波的峰-峰值为120V。实验的输出端设置为一只功率30W大功率灯泡作为实验负载。将飞轮加速至6000rpm时，切换到放电模式；当飞轮转速降至2500rpm时，停止放电实验，放电时间约为150s。试验中采集到的BOOST升压电路的输出电压波形如图15所示，可见输出电压120V保持在。图16所示为单相逆变器输出的电压波形。图中上部分为单相逆变桥输出波形，单峰值为60V，频率50Hz的脉冲序列；图中下部分为滤波后输出的正弦电压波形，峰-峰值约120V、频率50Hz的电压，达到预期目标。
6结论
本文分析了飞轮电池的三种工作模式以及各种模式和电力变换器的关系，设计出电力变换器的总电路拓扑，并提出了该变换器的控制方案。通过Simulink仿真得到的电力变换器在加速储能和减速释能时的部分波形图和实验得出的波形数据证明本文设计的电力变换电路及控制方法不仅可以实现飞轮储能系统平稳升速储能，还能稳定输出电能，体现了本设计的实用价值。
作者：徐春雷 李晶晶 潘梅 单位：国网阿克苏供电公司 国网青海省电力公司电力科学研究院
