張廣明，張 龍，梅 磊，季文娟

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

0引 言

飛輪儲能技術(shù)是一種新型的純機(jī)電儲能技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的儲能方式，它具有以下突出的優(yōu)點(diǎn):儲能密度高;瞬時(shí)功率大;充電時(shí)間較短;使用壽命長;無過充、過放問題;對環(huán)境友好等。這些優(yōu)點(diǎn)使它能夠在電網(wǎng)調(diào)峰、電動汽車、不間斷供電備用電源(UPS)、航空航天等方面都獲得了成功的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，環(huán)保節(jié)能的呼聲越來越高，新型飛輪儲能技術(shù)勢必得到快速發(fā)展。

軸系摩擦、風(fēng)損、飛輪邊緣轉(zhuǎn)速和能量轉(zhuǎn)換控制等問題一直困擾著飛輪儲能系統(tǒng)的研究者。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、電動/發(fā)電機(jī)技術(shù)、磁懸浮技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲能技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。作為飛輪儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的核心，飛輪儲能電機(jī)的正確選擇對提高飛輪儲能系統(tǒng)的性能具有非常重要的意義。

1飛輪儲能裝置及對電機(jī)的性能要求

飛輪儲能系統(tǒng)主要包括三部分:儲能的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)換能量和功率的電動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。此外，還需要電力電子裝置調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)速，有些還包含了真空室、控制系統(tǒng)、外殼等，飛輪儲能裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛輪儲能裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖中，飛輪直接與電動/發(fā)電機(jī)同軸相連，其工作原理為:當(dāng)系統(tǒng)處于儲能工作狀態(tài)時(shí)，由電網(wǎng)提供的電能驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)拖動飛輪轉(zhuǎn)動，電能以機(jī)械能的形式儲存在高速飛輪中，此時(shí)電機(jī)處于電動狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于釋能工作狀態(tài)時(shí)，高速飛輪給電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩，經(jīng)電力電子裝置給負(fù)載供電，從而完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換過程，此時(shí)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

從電機(jī)本身來看，有刷直流電機(jī)、永磁無刷電機(jī)、異步電機(jī)、三級式電勵(lì)磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和雙凸極電機(jī)均可用作飛輪儲能電機(jī)。但是，在飛輪儲能系統(tǒng)中，作為電能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換核心部件，電機(jī)的選擇直接決定了整個(gè)飛輪儲能系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。飛輪儲能電機(jī)要滿足以下的性能要求［1］:(1)既可運(yùn)行于電動狀態(tài)又可于發(fā)電狀態(tài);(2)高速運(yùn)行;(3)速度變化范圍大且調(diào)速性能好;(4)穩(wěn)定使用壽命長;(5)空載損耗低、運(yùn)行效率高;(6)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率大;(7)造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單。

根據(jù)上述性能要求，用作飛輪儲能電動/發(fā)電機(jī)主要有三種:異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁無刷直流電機(jī)。

2常用的飛輪儲能電機(jī)

2．1 異步電機(jī)

異步電機(jī)，又稱感應(yīng)電機(jī)，與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，它具有高效率、高能量密度、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、成本低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，常被用作電動/發(fā)電機(jī)，目前使用廣泛的是三相籠型異步電機(jī)。

異步電機(jī)起動時(shí)，要求起動時(shí)間不可太長，起動電流不可太大。文獻(xiàn)［2］在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了兩種起動方法:磁鏈優(yōu)先法和斜坡函數(shù)法。通過比較結(jié)果表明:磁鏈優(yōu)先法適合于起動過程快速的場合，斜坡函數(shù)法適用于起動電流小和起動過程平穩(wěn)的場合。文獻(xiàn)［3］針對起動電流大和起動轉(zhuǎn)矩小的問題，采取了一種新型預(yù)勵(lì)磁復(fù)合控制方案，保證了起動過程無尖峰電流出現(xiàn)且輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。

當(dāng)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要在定子處并聯(lián)電容器。在空載情況下，用高速飛輪帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子的剩磁磁場“切割”定子繞組產(chǎn)生剩磁電動勢，并聯(lián)電容電流在定子繞組中產(chǎn)生與剩磁方向一致的增磁性定子磁場，增強(qiáng)了氣隙磁場，最終輸出足夠高的有功功率。文獻(xiàn)［4］介紹了異步起動/發(fā)電系統(tǒng)中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù):發(fā)電狀態(tài)下瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒壓電功率技術(shù)和起動/發(fā)電狀態(tài)下綜合控制技術(shù)。但是，轉(zhuǎn)速不高、電機(jī)重量和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差損耗大都是異步電機(jī)的缺點(diǎn)，也是選擇異步電機(jī)作為飛輪儲能電機(jī)時(shí)需要考慮的問題。

2．2開關(guān)磁阻電機(jī)

英國Leeds大學(xué)P．J．Lawrenson等人在20世紀(jì)90年代發(fā)表了題為《變速開關(guān)型磁阻電動機(jī)》的論文，至此開關(guān)磁阻電機(jī)逐漸成為研究的熱點(diǎn)也越來越受到電動汽車、航空系統(tǒng)等領(lǐng)域的青睞。

雙凸極結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片或其它導(dǎo)磁材料疊壓而成。定子有集中繞組，轉(zhuǎn)子無繞組但裝有位置傳感器。三相以下的開關(guān)磁阻電機(jī)無自起動能力，所以一般都使用三相及以上結(jié)構(gòu)的電機(jī)，并且其定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)也有多種不同的搭配，目前比較常見有四相8/6結(jié)構(gòu)、三相6/4結(jié)構(gòu)以及三相12/8結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［5］比較了相數(shù)不同的開關(guān)磁阻電機(jī)的起動性能，得出了相數(shù)越大，電機(jī)的最小起動轉(zhuǎn)矩會有所提高，負(fù)載能力會增大而波動會降低。圖2為三相6/4結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2 三相6/4結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理是:當(dāng)定子某相繞組單獨(dú)通電時(shí)，相繞組產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子的磁場，磁通沿著磁阻最小的路徑是閉合的，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子切向磁拉力迫使轉(zhuǎn)子極與臨近定子極軸線重合，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向總是與磁場軸線移動方向相反，控制定子繞組的導(dǎo)通順序就可以產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩來維持電機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)［6］。

當(dāng)由電動狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)時(shí)，需要勵(lì)磁，最終獲得足夠高的電動勢，輸出足夠高的有功功率。如圖2所示，即當(dāng)主開關(guān)器件S1、S2導(dǎo)通時(shí)，繞組從直流電源E吸收電能，而當(dāng)S1、S2關(guān)斷時(shí)，繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管D1、D2繼續(xù)流通，并回饋給電源E。

相比較于其他電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn):功率電路簡單可靠;容錯(cuò)性好、可靠性高;可控參數(shù)多、調(diào)整性能好;起動轉(zhuǎn)矩高和起動電流低;在寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)能保持很高的效率和較小的功耗;可以方便地實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

2．3永磁無刷直流電機(jī)

在目前大量的一體化電動/發(fā)電機(jī)中，效率高、體積小、重量輕、起動調(diào)速性能良好、改造方便、功率密度高的永磁無刷直流電機(jī)受到眾多飛輪儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的關(guān)注和研究。在永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)中，電樞繞組安放于定子鐵心中，永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類型有三種:表面粘貼式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。與有刷直流電機(jī)相比，永磁無刷直流電機(jī)用轉(zhuǎn)子位置傳感器來檢測永磁磁極的位置。

飛輪儲能系統(tǒng)儲能時(shí)，電機(jī)相當(dāng)于永磁無刷直流電動機(jī)，主要控制方式為“二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”(即120°導(dǎo)通控制)，圖3是無刷直流電動機(jī)運(yùn)行原理圖，3個(gè)繞組呈星形連接［7］?？梢姡ㄟ^轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得信號，轉(zhuǎn)子位置每變化60°的電角度換相一次，每一功率管導(dǎo)通120°電角度，各功率 管 導(dǎo) 通 順 序 是:T1T6—T6T2—T2T4—T4T3—T3T5—T5T1—T1T6……，這樣可以使定子磁場和轉(zhuǎn)子永磁磁場始終保持90°左右的空間角。

圖3 永磁無刷直流電動機(jī)運(yùn)行原理圖

當(dāng)通過控制線路的切換進(jìn)入釋能狀態(tài)時(shí)，電機(jī)相當(dāng)于永磁同步發(fā)電機(jī)，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號，將功率主電路上半橋的功率開關(guān)管全部關(guān)閉，而下半橋的功率開關(guān)管分別按一定規(guī)律進(jìn)行PWM控制。文獻(xiàn)［8］針對發(fā)電過程中發(fā)出的電壓隨飛輪轉(zhuǎn)速的下降而降低，提出了電機(jī)能量回饋升壓控制方案對輸出電壓進(jìn)行有效控制。

無刷直流電機(jī)的反電動勢波形一般為梯形波，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種不同的因素，電機(jī)的反電動勢波形更接近正弦波。文獻(xiàn)［9］針對具有正弦波反電勢或平頂寬度小于一定數(shù)值的梯形波反電勢的無刷直流電機(jī)，通過三相Hall轉(zhuǎn)子位置傳感器采樣六個(gè)離散位置，進(jìn)行SVPWM方法自同步控制。該方法可有效減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動、降低電機(jī)的運(yùn)行噪聲。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者都選擇永磁無刷直流電動機(jī)作為飛輪儲能電機(jī)而進(jìn)行研究。

2．4 其他電機(jī)

雙凸極電機(jī)是由開關(guān)磁阻電機(jī)衍生而來的一種新型電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機(jī)相似。該電機(jī)利用永磁體或勵(lì)磁繞組產(chǎn)生勵(lì)磁磁場，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，定子凸極齒上相繞組的磁鏈發(fā)生變化感應(yīng)出電勢，其控制方式和輸出特性都類似于無刷直流電動機(jī)。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，可以劃分為電勵(lì)磁、自勵(lì)磁和混合勵(lì)磁。

除了常見的電機(jī)之外，一些特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)也能用于飛輪儲能電機(jī)的研究，例如轉(zhuǎn)子沒有繞組而定子裝有主繞組和勵(lì)磁繞組或永久磁鐵的單極電機(jī)［10］、將徑向與切向陣列結(jié)合在一起的Halbach電機(jī)［11］、采用永久磁鋼激磁的盤式電機(jī)(軸向磁場電機(jī))［12］等。此外，還有 Halbach陣列及盤式無鐵心結(jié)構(gòu)的永磁類電機(jī)、盤式結(jié)構(gòu)的單極電機(jī)、專為飛輪儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的印刷電路電機(jī)等。

3飛輪儲能電機(jī)的比較

通過分析這些電機(jī)的實(shí)際特性，得到了表1所示的結(jié)果。

表1 不同飛輪儲能電機(jī)特性的比較

由表1可知，無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易于循環(huán)控制，無刷直流電機(jī)的功率密度和輸出轉(zhuǎn)矩比較高。開關(guān)磁阻電機(jī)和雙凸極電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度非?？?，但轉(zhuǎn)矩波動和噪聲、運(yùn)行速度范圍都是其要解決的問題。在發(fā)電模式下，異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和雙凸極電機(jī)需要剩磁或增加激磁電路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性?？蛰d運(yùn)行方面，異步電機(jī)和無刷直流電機(jī)的性能都優(yōu)于其他兩種［13］。

4展望和結(jié)語

隨著飛輪儲能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，飛輪儲能電機(jī)的研究也越來越多。未來飛輪儲能電機(jī)的研究方向及熱點(diǎn)有以下幾點(diǎn):

(1)目前，對電機(jī)的效率和損耗的研究還不深入。采用無齒槽、外轉(zhuǎn)子、Halbach磁場轉(zhuǎn)子或無鐵心等結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其性能會達(dá)到人們期望的目標(biāo)。通過電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的研究來提高效率和降低損耗將是未來的發(fā)展方向之一。

(2)隨著電機(jī)結(jié)構(gòu)的日漸完善，更多的研究集中在控制技術(shù)上。結(jié)合目前電機(jī)控制方面先進(jìn)控制方法與思想，提出新的控制方案并進(jìn)行全數(shù)字化控制將是以后的研究熱點(diǎn)。

(3)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，飛輪儲能儲存密度越高，但安全和噪聲等方面問題也隨之產(chǎn)生，運(yùn)行可靠、噪聲低和維護(hù)方便將是以后研究需要考慮的問題。

本文介紹了幾種常用的飛輪儲能電機(jī)，并進(jìn)行了詳細(xì)比較，為今后的飛輪儲能電機(jī)的選擇提供了有價(jià)值的參考。

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