基于调制比控制的飞轮储能用异步电机闭环发电
来源：未知
发布日期：2019-09-26 17:11【大 中 小】
飞轮储能系统具有功率密度大、能量转换效率 高、对环境友好、使用寿命长和充放电次数无限制 等优点，在航空航天、不间断电源、新能源汽车、电 网调峰、电能质量调节等领域具有广泛的应用前 景。
飞轮储能系统用电动/发电机主要有异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。永磁同步电 机效率高，但永磁体材料强度差，且制作成本高； 开关磁阻电机结构简单，但效率低；异步电机具有 结构简单，制作技术成熟，价格低廉，可靠性高，调 速范围宽且易于高速运行的优点。故常用异步电 机作为飞轮储能系统电动/发电机。其控制主要有 充电和发电控制，在异步电机开环发电控制中，通 常采用恒压频比控制，计算载波比和调制比进而 控制能量转换电路实现发电。但其调制比是通过v/f 曲线直接计算得到，无法反映出负载扰动的影响， 因此难以实现对直流母线发电电压的稳定控制[3] 。 而闭环发电控制方法目前主要有定子磁场定向控 制、转子磁场定向控制，直接转矩控制以及转差频 率控制。
综上所述，以上方法存在着鲁棒性差、需要估 算磁链、需要测量转速和电流、对电机参数敏感、计 算复杂等缺点。本文针对飞轮储能系统发电控制， 提出一种新型的基于调制比控制的异步电机电压 闭环控制方法，即以调制比作为主控制量，根据输 出侧直流母线电压的变化，构造电压闭环调节调制 比值的大小，进而通过 SPWM 控制开关管，获得稳 定的输出电压。
1 飞轮储能系统工作原理
飞轮储能系统结构如图 1 所示。飞轮储能系 统在充电模式时，由异步电动机带动飞轮旋转，将 电能转化为机械能储存在飞轮转子内；飞轮系统处 于发电模式时，由飞轮转子带动异步发电机旋转， 一般通过控制异步发电机初始定子频率，使电机同 步转速低于飞轮转速，电机工作于机械特性第二象 限的发电状态。随着飞轮带动电机的速度不断降 低，动能转化为电能输出，经脉宽调制PWM（pulsewidth modulation）整流输出直流母线电压给负载。 在飞轮转速到达同步转速点之前，不断降低 定子侧频率，并始终保持定子侧频率与转子转速 有相同的下降斜率，则可实现飞轮储能系统持续 发电。
2 基于调制比的闭环发电控制原理
：①随着调制比的增加，发电电压 减小；②保持调制比不变，可以通过增大定子角频 率，提高发电电压；③调制比与发电电压存在拐点 值，在同一负载和同一频率下，当发电电压逐渐上 升时，所需要的调制比逐渐下降，当到达拐点值后， 再通过调节调制比已无法控制发电电压，必须通过 升高定子角频率来提高输出电压；④调制比的下限 值越低，发出的电压越高，相应的可持续发电范围 也越宽。首先由直流母线电压闭环调节经限幅模块得 到调制比的给定值，同时给定飞轮电机开始降速发 电的初始定子频率 f0 ，经过降频曲线获得当前定 子频率 f * 去计算载波比（该降频曲线需根据不同 负载大小情况下的实验调试确定，关于负载大小连 续变化和降频斜率的关系将在后续展开研究），然 后利用调制比和载波比计算开关管的开通时间，生 成SPWM 波，控制变换器功率模块的开通和关断，进而控制由飞轮拖动的高速异步电机定子频率，使 其始终低于飞轮转速，从而将飞轮储存的机械能不 断转化为电能，实现稳定发电。
本控制系统具有结构简单，计算简便，不需要 转速传感器检测转速来反映负载大小，且不用估算 磁链，控制方法不受电机参数影响的特点。
3 实验结果与分析
本文搭建了一套 2 台高速异步电机对拖实验 平台，对飞轮降速发电过程进行了模拟实验2台异步电机 M1 、M2 由联轴器相连，灯 泡为负载。通过设置通用变频器的降频曲线，控制 电机 M1 的定子频率 fM1 来模拟飞轮均匀降速。在 M1 降速过程中，控制器按照变频器的降频曲线控制 电机 M2 的定子频率 fM2 ，使得 M2 的同步转速始终低 于电机转速，实现基于调制比的闭环发电控制。 本文对上面提出的调制比电压闭环控制方法 进行了实验验证，包括闭环状态下动态实验、发电 转速范围实验和调制比限幅实验。 实验结果中的励磁时刻指在实验开始前先通 过调压器给直流母线加电以提供发电机初始励磁 电压，然后再断开调压器，进行发电实验。实验波 形中的电压及调制比波形是通过硬件 D/A 电路转 化并放大获得的。
4 结 语
本文分析了传统飞轮系统异步电机发电方法 的不足，提出了一种基于调制比的异步电机闭环发 电控制策略。该控制方法不受电机参数影响，不用 估算磁链，且不需要测量电流和转速，推导了调制 比和发电电压的数学模型，分析了调制比与发电电 压的关系，在此基础上构建了飞轮储能用异步电机闭环发电控制系统，并在模拟实验平台上进行了闭 环发电实验，实验结果验证了调制比闭环控制方法 的有效性和正确性。
