电气工程学报, 2016, 11(3): 28-33 doi: 11.11985/2016.03.004

基于开关磁阻电机的飞轮电池直流充放电控制

方永旺1, 方红伟2, 刘乙彤3

1. 杭州古北电子科技有限公司 杭州 310053

2. 天津大学电气与自动化工程学院 天津 300072

DC Current Charging and Discharging Control of a Flywheel Battery Driven by Switched Reluctance Machine

Fang Yongwang1, Fang Hongwei2, Liu Yitong3

1. Hangzhou Gubei Electronics Technology Co.Ltd Hangzhou 310053 China

2. Tianjin University Tianjin 300072 China

收稿日期: 2015-06-17   网络出版日期: 2016-03-25

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51107088
国家自然科学基金项目.  51577124
天津市自然科学基金应用基础与前沿技术研究计划项目.  11JCYBJC07900
天津市自然科学基金应用基础与前沿技术研究计划项目.  15JCZDJC32100
天津大学大学生创新创业项目.  201510056456

Received: 2015-06-17   Online: 2016-03-25

作者简介 About authors

方永旺 男 1984年生,学士,助理工程师,主要研究方向为无线通信、储能控制等。

方红伟 男 1977年生,博士,副教授,主要研究方向为电机系统及其控制。

摘要

设计了一种飞轮电池系统,主要由五部分组成：电源端功率变换器、励磁电容、电机端功率变换器、集成飞轮的开关磁阻电机以及控制系统。为了增强系统的适用性,所设计的电源端功率变换器,在实现能量双向流动功能的同时,还可在两个方向均实现升降压功能,而且变换器中的一个电容充当电机的励磁电源功能,简化了系统的结构。充电时,使用电流斩波与角度位置两者结合的控制方式,实现了对飞轮电池输出功率的快速控制;放电时,使用角度位置与电压斩波相结合的控制方法,实现对输出电压和输出功率的控制。建立了相应的Matlab仿真模型,验证了所提出的飞轮电池储能/释能控制策略的有效性,及其在光伏发电站中用于功率平滑的可行性。

关键词： 飞轮电池 ; 开关磁阻电机 ; 双向DC-DC变换器 ; 充放电控制 ; 功率平滑

Abstract

A flywheel battery system is designed which is mainly composed of five parts: power converter in power side, excitation capacitor, power converter in machine side, switched reluctance machine integrated with a flywheel and the control system. In order to enhance the suitability of the system, a new DC-DC converter is used which can realize bi-directional power flow and boost-buck function in both directions at the same time. Meanwhile, a capacitance in the converter acts as the excitation power of SRM, so that the structure of the system is simplified. In the charging stage, current chopping method and angle position control is used to achieve control of the flywheel battery output power. In the Discharging stage, angle position control method combined with voltage chopper control method is used to realize control of output voltage and output power. A simulation model is set up by Matlab to verify the effectiveness of the energy storage/release control strategy and its feasibility of power smoothing in the photovoltaic power station by using the flywheel battery.

Keywords： Flywheel battery ; switched reluctance machine ; bidirectional DC-DC converter ; charging and discharging control ; power smoothing

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本文引用格式

方永旺, 方红伟, 刘乙彤. 基于开关磁阻电机的飞轮电池直流充放电控制. 电气工程学报[J], 2016, 11(3): 28-33 doi:11.11985/2016.03.004

Fang Yongwang. DC Current Charging and Discharging Control of a Flywheel Battery Driven by Switched Reluctance Machine. Journal of Electrical Engineering[J], 2016, 11(3): 28-33 doi:11.11985/2016.03.004

1 引言

常用的储能形式有化学储能、电磁储能、机械储能和相变储能等,其中飞轮电池是机械储能形式的典型代表,凭借其高能量密度、快速的充放电性能、环境适应性强、清洁环保和易测量放电深度等优点在许多领域具有良好的应用前景[1,2]。在新能源发电中,由于大部分利用可再生能源发电的系统都具有间歇性的特点,并网易造成电网波动,严重时会带来巨大的经济损失,将飞轮电池应用其中以稳定功率输出是一种理想的解决方案[3,4,5,6]。

开关磁阻电机（SRM）凭借其结构简单、坚固以及调速范围宽等优点非常适用于飞轮的驱动[7,8]。但SRM飞轮电池是非线性、多变量及强耦合的复杂机电一体化系统,为使得系统对充、放电参考功率有较快的动态跟踪速度、较小的稳态波动及误差,充电时本文使用电流斩波与角度位置控制相结合的控制方式,放电时采用角度位置控制与电压斩波控制相结合的方法,以实现对输出电压和功率的控制。

一般的双向功率变换器只是在一个方向上实现降压变换,而在另一方向上实现升压变换[9,10]。本文设计的DC-DC变换器能同时在两个方向实现升、降压功能。同时变换器的电容还充当电机的励磁电源功能,简化了系统的结构。另外,DC-DC变换器的引入使得输入输出电压可以具备多个等级,增强了系统的适用性。在光伏发电系统中飞轮电池一般接到直流母线上,而且系统直流母线环节均需实现稳压控制[11,12,13]。

2 直流飞轮电池系统主电路拓扑结构

本文设计的直流飞轮电池系统主要由五部分组成：电机端功率变换器、励磁电容、DC-DC变换器、集成飞轮的开关磁阻电机以及控制系统。飞轮电池的拓扑结构及其在光伏发电中的应用如图1所示。

图1

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图1   飞轮电池结构及在光伏电站中应用示意

Fig.1   Structure of flywheel battery and its application in photovoltaic power station


DC-DC变换器的拓扑结构如图2所示,其电容C2可以兼具图1中电机励磁电容功能,进一步简化了系统结构。通过控制4个功率开关可以实现：①电压转换功能。即充电时将输入的直流低压升高为电机的额定电压,降低电机绕组电流,减少电机发热和损耗,输入直流高压时则可以通过降压功能使得电机输入电压在额定电压附近,避免绝缘的损坏,放电时根据外部负载要求通过斩波控制输出不同等级的电压。②功率控制功能。通过快速、准确地控制飞轮储能系统的充放电功率,使得飞轮电池系统可以用于电力调峰以及分布式发电系统的有关功率平滑场合。而且在该飞轮电池扩展应用于交流场合时,它可以充当逆变器中的调压器功能。

图2

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图2   DC-DC变换器拓扑结构图

Fig.2   Topology structure of the DC-DC converter


为了保证控制的灵活性以及电机调速范围的宽广性,电源端功率变换器采用如图3所示的结构,其主要作用有：①使电机通电或者与电源断开。②为绕组提供续流回路。③通过功率电子器件的开通或关断控制绕组中电流的大小。

图3

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图3   SRM功率变换器拓扑结构

Fig.3   Topology structure of the SRM power converter


系统的工作方式为：充电时,控制系统通过控制DC-DC变换器的功率以及电机功率变换器开关使得直流电源能量注入到电机,电机加速旋转,将电能转化为飞轮的动能储存起来;放电时,控制系统将会控制电机减速,并通过DC-DC变换器的调压功能输出稳定的电压,供外部负载使用。

3 飞轮电池储能控制策略

对飞轮电池的控制从根本上说即为对驱动电机的控制,是通过改变DC-DC变换器以及电机端功率变换器的开关状态来实现的[14,15,16]。

SRM在起动和低速运行时,由于电机反电动势小,绕组的电流将很快上升到较大值,为保护功率开关元件和电机,需考虑限流措施。应用电流滞环控制可将电机的绕组电流限制在安全范围内。

3.1 直流充电控制策略

在DC-DC变换器稳定机端功率变换器输入电压的前提下,检测DC-DC变换器的输入电流与参考电流进行比较,应用PI调节器对机端功率变换器的功率开关进行PWM控制,即通过电流斩波实现直接功率控制。为了加快功率的响应速度,减小稳态响应波动及误差,本文同时采用固定关断角θoff,改变开通角θon角度位置的控制策略。

具体的飞轮电池充电控制策略如图4所示。

图4

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图4   飞轮电池充电控制方式

Fig.4   Flywheel battery charging control method


当电池输入电压高于电机额定电压时,图2中的功率开关VT2保持开通状态,VT3、VT4始终保持关闭状态,通过PI调节器以及PWM控制器对VT1的开关状态进行控制,完成降压斩波控制;当输入电压低于额定电压时,图2中的功率开关VT1保持开通状态,VT2、VT3始终保持关闭状态,通过PI调节器和PWM控制器对VT4的开关状态进行控制,完成升压斩波控制。通过滞环控制器完成对电机低速运行时的电流斩波控制。通过参考功率计算参考电流,采用PWM控制完成电流斩波控制（CCC）,进而实现对功率的控制;同时,采用PI控制器调节开通角θon,实现角度位置控制（APC）,APC与CCC结合控制可以加快电池对参考功率的响应速度,并有更平稳的稳态输入、输出功率。

3.2 直流放电控制策略

飞轮电池放电控制框图如图5所示。通过电压滞环控制维持励磁电容电压的基本恒定。使用角度位置控制与电压PWM斩波控制相结合的方法控制输出电压的幅值。同时,将电机绕组电流i与参考电流i*进行比较,通过滞环控制器完成对电机低速运行时的电流斩波控制。具体来说,若要求输出电压高于电机额定电压,图2中的功率开关VT2保持开通状态,VT1、VT4始终保持关闭状态,通过PI调节器和PWM控制器对VT3的开关状态进行控制,完成输出电压控制;当需要输出电压低于电机额定电压时,图2中的功率开关VT1保持开通状态,VT3、VT4始终保持关闭状态,通过PI调节器以及PWM控制器对VT2的开关状态进行控制,完成降压斩波控制;同时采用PI控制器调节开通角θon,通过角度位置控制完成输出功率控制。

图5

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图5   飞轮电池放电控制方式

Fig.5   Flywheel battery discharging control method


4 仿真分析

在Matlab中,建立了基于三相6/4极SRM的飞轮电池系统仿真模型,电机额定电压为240V,电流滞环的参考值为210A,滞环宽度为±10A,飞轮转动惯量J = 0.1kg·m2,DC-DC变换器主要参数C1 = 1mF,C2 = 5mF,C2兼具电机励磁电源功能,L = 1mL。

充电仿真实验：固定关断角 = 75°,设在0~3s内飞轮运行在储能阶段,充电电压为400V,拟输入功率4.8kW;在3~4s内飞轮电池处于待机状态;在4~7s内飞轮电池再次运行在储能阶段,充电电压为120V,拟输入功率2.4kW。系统仿真结果如图6所示。

图6

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图6   飞轮电池充电仿真结果

Fig.6   Simulation results of charging flywheel battery


由图6可知,输入直流电压在小于电机额定电压以及大于电机额定电压的情况下,电机端输入电压维持在（240±10）V区间内,飞轮电池都能保证良好的运行,转速上升平稳。在1~3s和5~7s内,电池输入功率基本达到稳态,距参考输入功率误差均小于5%。

放电仿真实验：设在0~5s内飞轮电池运行于储能阶段,固定关断角为75°,充电电压为400V,输入功率7.2kW;在5~6s内飞轮电池处于待机状态;在6~9s内飞轮电池放电,输出电压300V,带电阻型负载30Ω;在9~10s内再次进入待机;在10~15s内飞轮再次放电,固定关断角40°,输出电压100V,负载为3Ω电阻。仿真结果如图7所示。

图7

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图7   飞轮电池放电仿真结果

Fig.7   Simulation results of discharging flywheel battery


由图7可知,在6~9s内,电池输出电压基本稳定在300V,稳定后最大偏差在3%以内;在10~15s内,电池输出电压平均值为100V,稳态偏差在5%以内,基本符合工程实践要求;电机端口电压维持在(240±10)V间,励磁电压基本稳定;飞轮转速在1~5s内平稳上升,在5~6s以及9~10s内,转速维持恒定,在6~9s及10~15s内,转速下降,与仿真条件相符合。

图8

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图8   光伏系统输出功率及飞轮转速

Fig.8   Output power and flywheel speed in PV system


飞轮电池应用于光伏发电仿真实验：由于正常一天的光照强度近似呈反抛物线形状,这里用如图8a中的曲线1近似模拟一天中光伏发电站输出的有功功率,设0s时为光伏电站开始发电的时刻,50s为日照低到系统停止发电的时刻,光伏系统最大发电功率为10kW,飞轮电池接到直流母线上,设直流母线电压为300V。仿真参数如下：飞轮初始转速为8 000r/min,飞轮转子转动惯量为10kg·m2,计划通过飞轮电池引入使得光伏-飞轮电池联合系统输出有功功率较为平稳,维持在6kW左右。仿真结果如图8所示：图8a中曲线2为光伏-飞轮电池联合发电系统输出总的有功功率;曲线3为飞轮电池充放电功率,其为正时表示飞轮电池放电,为负时表示电池处于充电状态;图8b为飞轮转子的转速。

由图8可知,在0~7.35s内,光伏发电系统输出功率小于6kW,飞轮电池释放能量,电机迫使飞轮减速;在7.35~32.75s内,光伏发电系统输出功率大于6kW,飞轮电池吸收能量,电机驱动飞轮加速运行。在无飞轮电池装置的情况下,光伏发电站输出的有功功率在0~10kW范围内波动,采用飞轮电池后,有功功率输出围绕着6kW波动,但是波动幅度对比无飞轮电池情况显著减小,起到了功率平滑的作用。

5 结论

本文设计了一种双向自动升降压DC-DC变换器,用于基于SRM的飞轮电池系统,它在完成能量双向流动功能的同时,使得电池输入输出电压可以有较多的选择等级,增强了飞轮电池的适用场合。且变换器当中的一个电容元件同时充当SRM的励磁电源功能,简化了系统的结构并降低了电池成本。同时,为提高系统的动态响应和稳态精度,充电时,本文使用了电流斩波方式及角度位置控制两者结合的控制方式;放电时使用了角度位置控制结合电压斩波控制的方法。通过仿真,验证了本文所述飞轮电池充放电控制策略的有效性以及应用于光伏发电系统的可行性,为下一步实际应用奠定了基础。

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This paper considers the implementation of a current control method for switched reluctance motors (SRMs) and presents a novel approach to the accurate on-line modeling of an SRM drive. A simple autotuning technique for the SRM drives using a PWM controller is considered. Furthermore, conventional PI control and Internal Model Control (IMC) are considered to validate this method and present corresponding robust control analysis for the process. The control structures are comparatively analyzed using standard robustness measures for stability and performance. The proposed PWM controller is simulated and a hardware prototype is then implemented using digital signal processor control to evaluate the method using a 12/8, three-phase SRM. The experimental results of the SRM drive model validates the performance of the current loop.

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