CN103051104B - 一种集驱动和悬浮于一体的多相飞轮储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集驱动和悬浮于一体的多相飞轮储能装置，包括机壳、主轴、变流器和控制器，主轴的上中下部分别安装有第一多相电机、飞轮和第二多相电机；多相电机包括转子和定子；定子具有n相绕组，每相绕组均为分布式绕组且沿气隙圆周不对称分布；变流器为n相变流器。本发明集成飞轮储能与多相电机的驱动、磁悬浮功能于一体，减少了主轴两端的径向磁轴承组件，不占用额外的轴向空间，系统结构更加简化紧凑，大大提高了轴承刚度和空间利用率，在高储能密度、高转换效率、低怠速损耗、长使用寿命的高速飞轮储能系统中具有广阔的应用和发展前景。
Description
技术领域
本发明属于飞轮储能技术领域，具体涉及一种集驱动和悬浮于一体的多相飞轮储能装置。
背景技术
飞轮储能技术是以高速旋转的飞轮为载体，将电能转化成机械能储存在高速旋转的飞轮中，通过飞轮及电机的升速和降速来实现电能的存储和释放。随着高强度复合碳纤维材料、磁悬浮轴承技术和高性能电力接触器器件的出现和发展，飞轮储能以其稳定、高效、环保、长寿命、储能密度高、不受充放电次数限制等优良的性能特点，在电力系统调峰调频、不间断电源、混合动力汽车、起重设备、风力发电系统以及航空航天等领域都有着广泛的应用。
飞轮储能系统的支承轴承需要考虑转子支承动力学、陀螺效应和功耗的影响，常用的支承方式有机械支承、永磁悬浮、超导磁悬浮和电磁悬浮；传统的机械轴承难以满足高速重载而摩擦损耗低的要求。超导磁悬需要一套制冷设备使超导体工作在临界温度下，且超导磁力轴承性能不稳定，在技术上尚不成熟。永磁悬浮轴承因结构简单、承载力大、功耗低、价格低廉、便于承受静态或准静态负载等特点，而被大量应用于支承飞轮轴向悬浮的重量。电磁悬浮轴承利用电磁力将主轴无机械接触地悬浮起来，具有无摩擦与磨损、刚度和阻尼可调、能耗小、无机械噪音、可在真空或腐蚀介质的环境中以30000-60000rpm的转速高速运行，可主动适应负载和转子扰动等一系列优点，被广泛应用于高速飞轮储能系统。
传统基于电磁悬浮轴承的飞轮储能系统，悬浮力和驱动力控制是通过两套独立的系统来实现的。主轴的悬浮是通过由驱动器、传感器和控制系统组成的电磁轴承来实现的，通过在立式飞轮主轴的上、下两端利用X、Y方向上的两套径向电磁轴承来实现飞轮主轴径向四个自由度的悬浮；而飞轮驱动一般采用三相永磁同步电机和三相变频器来控制。由于径向电磁轴承占有相当的轴向空间，且驱动和功率放大电路结构复杂，三相变频器的输出电流脉动大，因此传统磁悬浮飞轮储能系统限制了飞轮系统的高速化、微型化及其临界转速和输出功率的进一步提高。
另外国内外广泛研究和发明的磁悬浮主轴电机，多为双绕组结构的卧式电机，其在定子中嵌入极对数相差为1的两套三相绕组，一套是用于控制电机转矩输出的三相转矩控制绕组，另一套是用于控制转子铁心所受径向悬浮力的三相悬浮控制绕组，通过两台逆变器分别给这两套绕组供电来实现转子的旋转与悬浮。由于定子需要两套绕组，该电机结构相对复杂，不易于嵌线和制造，定子侧的功率损耗也相对较大；用于转矩绕组控制的变频器和用于悬浮绕组控制的变频器功率等级不同，在大负载扰动、高速旋转的工况下的难以实现高可靠性的悬浮和旋转之间的协调控制；两套绕组间的电磁耦合也大大增加了控制和实现的难度。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种集驱动和悬浮于一体的多相飞轮储能装置，通过两台多相电机即能实现飞轮主轴的驱动和悬浮，无需磁轴承，结构简单紧凑，可靠性高。
一种集驱动和悬浮于一体的多相飞轮储能装置，包括：机壳、主轴、变流器和控制器；所述的主轴设于机壳内，主轴的上中下部分别安装有第一多相电机、飞轮和第二多相电机；
所述的多相电机包括转子和定子；所述的转子安装于主轴上，所述的定子具有n相绕组，每相绕组均为分布式绕组且沿气隙圆周不对称分布；
所述的变流器为n相变流器，其直流侧通过预充电控制组件接入直流母线，交流侧的n相输出端子通过滤波电抗与定子的n相绕组对应连接，n为大于4的自然数；
所述的控制器为变流器中的功率开关器件提供PWM信号。
优选地，位于第一多相电机上侧的主轴上套设有一对存有气隙的辅助平衡永磁环，位于第二多相电机下侧的主轴上套设有一对存有气隙的轴向悬浮永磁环；能够保证飞轮主轴的轴向悬浮。
优选地，位于第一多相电机上侧以及位于第二多相电机下侧的主轴上通过轴承支架分别安装有两个辅助轴承；能够在飞轮系统悬浮故障或者低速时用来支承飞轮转子，以防止转子磨损发热而失去支承功能，导致电机损坏。
优选地，所述的多相电机外围设有冷却组件，所述的冷却组件通过冷却支架固定于机壳内侧；能够有效对电机进行冷却降温。
所述的机壳包括底座、下支架、外支架和上支架；下支架设于底座上，上支架通过外支架与下支架连接。
优选地，所述的变流器直流侧正负输入端间并联有电容，能够抑制飞轮放电过程中母线电压的波动，同时也降低了系统的控制难度。
所述的预充电控制组件由一电阻、一熔断器和一接触器组成；其中：电阻的一端与接触器常开触点的一端相连并接直流母线的正极线，电阻的另一端与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与接触器常开触点的另一端相连并接变流器直流侧正输入端，接触器线圈的通断电由所述的控制器控制。
所述的控制器包括：
信号采集单元，用于采集多相电机的定子相电流、转子位移量以及变流器的直流母线电压和直流母线电流；
信号处理控制单元，用于根据磁悬浮控制策略和飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM信号；
驱动单元，用于对所述的PWM信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中功率开关器件的通断。
优选地，所述的定子具有5相或6相绕组。
所述的信号处理控制单元采用数字信号处理器(DSP)。
所述的信号采集单元包括电压传感器、电流传感器、转速传感器和电涡流位移传感器，所述的电涡流位移传感器通过安装支架安装于主轴上。
本发明将多相电机理论与磁轴承机的悬浮机理结合起来，集成多相电机驱动与悬浮功能于一体，实现飞轮储能系统驱动和悬浮的一体化。
一方面，飞轮储能系统主轴的五个自由度的悬浮是通过两台多相电机和轴向悬浮永磁环来实现的。对于主轴一端径向方向的两自由度悬浮，是通过径向电涡流位移传感器检测出转子径向位移偏移量，采用数字信号处理器位移负反馈控制，将相位差不同的电流注入到多相飞轮电机中，改变电机旋转磁场的对称分布，使得气隙中同时存在极对数相差为1的两个旋转磁场相互作用进而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力，可以实现飞轮主轴径向四个自由度的悬浮。另外，依靠安装在轴向两端的轴向悬浮永磁环和辅助平衡永磁环来实现飞轮主轴轴向的悬浮。
另一方面，飞轮储能系统充放电过程中的能量回馈是通过多相电机实现的。本发明中的多相飞轮电机可电动和发电四象限运行，在实现主轴四个自由度悬浮的同时，通过采集电流、电压、转速等信号，经过高性能数字信号处理器，在双闭环控制的基础上，应用磁场定向的矢量控制策略，产生相应的驱动电流，通过对多相变流器的PWM控制，实现多相飞轮储能系统的充放电功能。在充电模式下，通过转速外环调节器和电流内环调节器的控制，实现飞轮储能系统的恒流充电过程；在放电模式下，通过电压外环调节器和电流内环调节器对直流母线电压进行调控，实现飞轮储能系统能量的稳定回馈。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明将多相电机理论与磁轴承机的悬浮机理结合起来，集成多相电机驱动与悬浮功能于一体，无需额外附加径向电磁轴承，不占用额外的轴向空间，减少了径向两端磁轴承控制组件，结构更加紧凑，其轴承刚度、空间利用率以及电磁效率等均有很大的提高。
(2)本发明多相电机中的定子结构与传统的双绕组结构相比，定子侧仅需要一套绕组，电机结构相对简单，而且易于嵌线，定子侧的功率损耗也相对较小，另外多相电机具有更高的可靠性，当一相或几相发生故障时可实现容错运行。
(3)本发明轴向悬浮采用结构简单、承载力大、功耗低、价格低廉的永磁磁力轴承，减少了功率放大器的体积和功耗，降低了制造成本。
(4)本发明多相电机为一种集飞轮驱动和磁悬浮功能于一身的永磁同步发电/电动一体机，按定子绕组感应电势波形可分为正弦波永磁同步电机和无刷永磁直流电机，具有结构简单、高功率密度，体积小，惯性低，响应快、高可靠性等优点；另外多相电机，其转动脉动量小，运行噪音低，而且它既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调节方便、调速范围宽等优点、易于实现双向功率变换，非常适合于飞轮储能系统。
附图说明
图1为本发明多相飞轮储能装置的结构示意图。
图2为多相飞轮储能电机转子和定子的结构示意图。
图3为多相飞轮储能电机的控制结构示意图。
图4为多相飞轮储能电机的控制流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。
如图1和2所示，一种集驱动和悬浮于一体的多相飞轮储能装置，包括：机壳、主轴1、变流器和控制器；主轴1设于机壳内，主轴1的上中下部分别安装有第一多相电机7、飞轮9和第二多相电机11。
机壳包括底座14、下支架13、外支架8和上支架4；下支架13设于底座14上，上支架4通过外支架8与下支架13连接；外壳内需抽为真空，围成一飞轮真空室10。
飞轮9由飞轮内环9a和飞轮外环9b组成，内外环采用高比强度碳纤维复合材料飞轮，其抗拉强度比金属材料更高，使得飞轮不发生破坏的安全运转转速极大地提高，允许的线速度可达500-1000m/s，大大提高了飞轮储能系统的储能密度和飞轮安全运转的转速。
位于第一多相电机7上侧的主轴1上套设有一对存有气隙的辅助平衡永磁环17，位于第二多相电机11下侧的主轴1上套设有一对存有气隙的轴向悬浮永磁环12；能够保证飞轮主轴的轴向悬浮。
位于第一多相电机7上侧以及位于第二多相电机11下侧的主轴1上通过轴承支架3分别安装有两个辅助轴承(18，16)；辅助轴承采用高速滚珠轴承，能够在飞轮系统悬浮故障或者低速时用来支承飞轮转子，以防止转子磨损发热而失去支承功能，导致电机损坏。
多相电机(7，11)外围设有冷却组件6，冷却组件6通过冷却支架5固定于机壳内侧；冷却组件采用冷却管组件，入水孔和出水孔分别位于机壳轴向的两侧，能够有效对电机进行冷却降温。
主轴1的两端通过安装支架沿径向分别安装有两对电涡流位移传感器(2，15)，每一对的两个电涡流位移传感器成相互垂直安装。
如图2和3所示，多相电机(7，11)包括转子(7b，11b)和定子(7a，11a)；转子(7b，11b)贴装于主轴1上且为两对极，转子永磁体沿径向均为同极性排列，永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性；定子(7a，11a)具有六相绕组，每相绕组均为分布式绕组且沿气隙圆周不对称分布；使得多相绕组不仅含有奇次空间谐波，还含有偶次空间谐波；各相绕组采用分布式绕组，导致次数较高的空间谐波小。图2中A+和A-分别表示A相绕组的方向：进入纸面和由纸面出来，其它依次类推。图中所示的6相定子绕组为对称分布式绕组，相邻相在空间相隔π/3，构成一个6相对称系统，但每相绕组不关于气隙圆周对称。
如图3所示，变流器为六相变流器，其为六相十二桥臂结构，每个桥臂由若干个IGBT串联构成，变流器直流侧通过预充电控制组件接入直流母线，交流侧的6相输出端子通过滤波电抗与定子的6相绕组对应连接。滤波电抗不仅可以有效的减少飞轮储能系统高频PWM开关引入的噪音，减少对电涡流传感器的电磁干扰，而且可以有效降低电机相电流的总谐波失真(THD)，降低了电机的损耗和温升。
预充电控制组件由一电阻、一熔断器和一接触器组成；其中：电阻的一端与接触器常开触点的一端相连并接直流母线的正极线，电阻的另一端与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与接触器常开触点的另一端相连并接变流器直流侧正输入端，接触器线圈的通断电由控制器控制。
变流器直流侧正负输入端间并联有电容C，能够抑制飞轮放电过程中母线电压的波动，同时也降低了系统的控制难度。
控制器用于为变流器中的功率开关器件IGBT提供PWM信号，其包括：信号采集单元、信号处理控制单元和驱动单元；其中：
信号采集单元用于采集多相电机的定子相电流ia～～if、转子位移量θr以及变流器的直流母线电压Udc和直流母线电流Idc；其包括电压传感器、电流传感器、转速传感器和电涡流位移传感器；如图3所示，电涡流位移传感器包括安装于主轴上的两对电涡流位移传感器(2，15)：上X方向电涡流位移传感器2a、上Y方向电涡流位移传感器2b、下X方向电涡流位移传感器15a和下Y方向电涡流位移传感器15b；飞轮储能系统悬浮时，要求实时获取转子径向偏心位移量，电涡流位移传感器具备非接触式、动态性能良好、体积小、抗干扰能力强灵敏度高等特点，且安装相对方便。
信号处理控制单元用于根据磁悬浮控制策略和飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM信号；本实施方式中，信号处理控制单元采用DSP。
驱动单元用于对PWM信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中功率开关器件IGBT的通断。
本实施方式采用id＝0控制策略对上述两台表面贴装式永磁多相电机进行控制，控制器具体的信号处理过程如图4所示：
在转矩平面(d1-q1)，通过转子磁场定向的矢量控制实现飞轮快速高效的充放电控制：首先传感器采样直流母线电压Udc、直流母线电流Idc、定子电流ia～if、位置θr等信号，经过采样调理电路以及多相坐标变换之后，得到同步旋转坐标系下的反馈值和前馈值。
在充电模式下，给定转速ωm *和反馈转速ωm(其中P为转子极数)做差后，经过转速外环PI调节器求得转矩平面电流的给定值iq1s *，再经过电流内环PI调节器的控制获得电压的给定值vd1s *和vq1s *，通过PWM脉宽调制获得各功率器件的开关驱动信号，实现飞轮储能系统的恒流充电过程。
在放电模式下，给定直流母线电压vdc *和反馈直流母线电压Udc做差后通过母线电压外环PI调节器和前馈负载电流Idc累加得到idc *，经过交直流侧稳态功率平衡关系(其中Ψm为永磁体磁链，)计算得到内环电流的给定量iq1s *，再经过电流内环调节器的控制获得电压的给定值vd1s *和vq1s *，经过坐标逆变换后，再由PWM脉宽调制技术获得各功率器件的开关驱动信号，实现飞轮系统能量稳定回馈的同时也降低了直流电压波动，提高了负载电流的抗干扰能力。两台共轴连接的多相电机在控制器协调控制下实现飞轮储能系统的快速、稳定的充放电控制。
在悬浮平面(d2-q2)，通过调节可控径向力来控制转子位移，实现飞轮主轴的稳定悬浮。径向力的产生源于转矩磁场和悬浮磁场相互作用，即转矩磁场为悬浮力的产生提供偏置磁场。转子磁场定向控制中转子磁链由定子转矩电流的励磁分量id2s来控制，电流iq2s与转子磁链Ψd1r之间实现了解耦，具有良好的调速性能。首先通过电涡流位移传感器获取径向X、Y两方向上实际位移量α和β，与给定的位移量α*和β*作差比较之后，经过PID调节器获取径向的悬浮力参考值Fα *和Fβ *。通过悬浮力电流计算公式( 其中L1s和L2s是第一和第二平面电感，g0为气隙长度，Ψm为永磁体磁链)，求取悬浮平面电流的参考值iq2s *和id2s *，再经过电流内环调节器的控制获得电压的给定值vd2s *和vq2s *，经过坐标逆变换后，再通过PWM脉宽调制技术获得各功率器件的开关驱动信号，实现飞轮储能系统径向四个自由度的悬浮。
本实施方式，一方面根据径向位移传感器采集的转子位置来实时调控悬浮力的大小，将飞轮主轴控制在合适的悬浮位置；另一方面，通过对多相飞轮电机的充电和放电控制，实现了直流母线侧电能和飞轮转子侧机械能之间的转换；充电过程中，直流母线储存的能量被转换到电机侧带动飞轮高速旋转并将能量以机械能的形式储存起来；放电过程中，飞轮将存储的机械能通过电机馈送回直流母线。
Claims (1)
1.一种集驱动和悬浮于一体的多相飞轮储能装置，包括：机壳、主轴、变流器和控制器，所述的主轴设于机壳内；其特征在于：主轴的上中下部分别安装有第一多相电机、飞轮和第二多相电机；
所述的多相电机包括转子和定子；所述的转子安装于主轴上，所述的定子具有n相绕组，每相绕组均为分布式绕组且沿气隙圆周不对称分布；
所述的变流器为n相变流器，其直流侧通过预充电控制组件接入直流母线，交流侧的n相输出端子通过滤波电抗与定子的n相绕组对应连接，n为大于4的自然数；
所述的控制器为变流器中的功率开关器件提供PWM信号；
位于第一多相电机上侧的主轴上套设有一对存有气隙的辅助平衡永磁环，位于第二多相电机下侧的主轴上套设有一对存有气隙的轴向悬浮永磁环；
位于第一多相电机上侧以及位于第二多相电机下侧的主轴上通过轴承支架分别安装有两个辅助轴承；
所述的多相电机外围设有冷却组件，所述的冷却组件通过冷却支架固定于机壳内侧；
所述的变流器直流侧正负输入端间并联有电容；
所述的预充电控制组件由一电阻、一熔断器和一接触器组成；其中：电阻的一端与接触器常开触点的一端相连并接直流母线的正极线，电阻的另一端与熔断器的一端相连，熔断器的另一端与接触器常开触点的另一端相连并接变流器直流侧正输入端，接触器线圈的通断电由所述的控制器控制；
所述的控制器包括：
信号采集单元，用于采集多相电机的定子相电流、转子位移量以及变流器的直流母线电压和直流母线电流；
信号处理控制单元，用于根据磁悬浮控制策略和飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM信号；
驱动单元，用于对所述的PWM信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中功率开关器件的通断；
所述的信号采集单元包括电压传感器、电流传感器、转速传感器和电涡流位移传感器，所述的电涡流位移传感器通过安装支架安装于主轴上；
所述的主轴五个自由度的悬浮通过两台多相电机和轴向悬浮永磁环来实现：通过电涡流位移传感器检测出转子径向位移偏移量，利用信号处理控制单元位移负反馈控制，将相位差不同的电流注入到多相电机中，改变多相电机旋转磁场的对称分布，使得气隙中同时存在极对数相差为1的两个旋转磁场相互作用进而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力，以实现主轴径向四个自由度的悬浮；此外，依靠安装在轴向两侧的轴向悬浮永磁环和辅助平衡永磁环来实现主轴轴向另一自由度的悬浮。
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