永磁电机式机械弹性储能机组储能运行控制策略研究

余洋，米增强，吴婷，闫坤

（新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学，河北 保定 071003）

近年来，光伏发电、风力发电等新能源在我国发展迅猛，但其本身所固有的随机性、间歇性特点会给电网的功率平衡和运行调度带来巨大压力[1]。因此设计一种大容量的电能储存装置，对于保证电能的供需平衡，解决规模化“间歇性电源”入网问题具有十分重要的意义。

基于此，在深入研究涡簧弹性储能原理的基础上，本文作者提出了一种新的基于机械弹性的储能方法[2-3]。本文简述了以永磁电机为储能电机的机械弹性储能机组的基本组成与工作原理，建立了永磁电机式机械弹性储能（mechanical elastic energy storage，MEES）机组各模块数学模型，针对其储能运行方式的机组控制问题，机侧变流器采用转速、电流双闭环控制策略，网侧变流器采用电压、电流双闭环控制策略，通过仿真研究了永磁电机式机械弹性储能机组在储能运行方式下的电机转速、定子电流d轴分量、q轴分量和电磁转矩的运行特性。

1 永磁电机式机组构成及工作原理

永磁电机式MEES机组由储能箱、电磁制动器、齿轮变速箱、永磁电机、变流器、断路器和机组控制器等组成。其机组构成方案如图1所示。几十个甚至更多个这样的机组单元组合在一起，可建成机械弹性储能电站。

图1 永磁电机式机械弹性储能机组结构组成Fig. 1 Composition structure of permanent magnet motor based mechanical elastic energy storage unit

单个机械弹性储能机组的基本工作原理分为储能和发电两个过程：在储能运行方式时，电能驱动电机运行，电机再通过齿轮变速箱使储能箱中的涡簧拧紧，涡簧就以弹性势能的形式将能量储存起来，完成电能到弹性势能的转换；之后，涡簧维持锁紧状态，直到接收到一个能量释放的控制信号；当释能发电运行方式时，储能箱中锁紧的涡簧开始释放，通过齿轮变速箱带动储能电机并网发电，实现弹性势能到电能转换的能量释放过程。由此，弹性储能系统实现了电能的输入、存储和输出。

2 永磁电机式MEES机组数学模型

2.1 储能箱

根据国家标准《平面涡卷弹簧设计计算(JB/T 7366—1994)》，矩形截面涡簧扭矩的基本计算公式见式（1）。

式中，T为涡簧扭矩，n为涡簧工作圈数；E、l、b、h分别为储能涡簧的材料弹性模数、长度、宽度、厚度；k为涡簧质量系数。

本工作对储能箱主轴及永磁电机采用恒转速控制，可知电机的电角频率 与工作圈数n的关系为n=ωst/2π。将其代入式（1）可得，涡簧扭矩与电机电角速度的关系为

式中，i为齿轮变速箱速比。

根据式（2）绘制出储能箱中涡簧输入特性曲线，如图2所示。图2中t为时间，T为涡簧扭矩。由式2可知，在恒转速控制下，涡簧扭矩与时间呈线性关系，储能箱启动过程中受摩擦等干扰力矩的影响导致了曲线出现非线性。

图2 储能箱储能涡簧输入特性曲线Fig. 2 Input characteristic curve of springs in energy storage box

2.2 永磁电机数学模型

以永磁同步电动机作为储能电机。永磁电机定子磁链方程为[4]

定子电压方程为[4]

转矩方程为[5]

式中，Usd、Usq、isd和isq分别为定子d轴、q轴电压和电流；Rs为电机定子电阻；ωs为电机的电角频率；Ld、Lq分别d、q轴的定子线圈电感；ψ为转子永磁同步体产生的磁链；Np为永磁同步电机的极对数。

2.3 变流器模型

永磁电机式MEES机组采用双PWM变流器，主要由电机侧变流器、直流环节和电网侧变流器组成。

图3 全功率变流器等效电路Fig.3 Equivalent circuit of full power converters

电机侧变流器根据转速的指令值调节电机的电磁转矩，进而控制转速，从而达到调节转速的目的。电网侧变流器使直流母线电压保持恒定，以保证两个PWM变流器正常工作。

3 永磁电机式MEES机组的储能控制策略

3.1 电机侧变流器控制策略

电机侧变流器采用基于转子磁场定向的控制技术，通过调节定子侧d轴、q轴电流来实现对转子磁链和电机转矩的解耦控制[6-7]。

设永磁同步电机、齿轮变速箱和储能箱的转动惯量分别为JM、Jg和Jsp，三者的黏滞阻尼系数分别为BM、Bg和Bsp，永磁电机转子运动方程式可表示为[8]

由式（6）可知，只有电机的电磁转矩影响转速，所以可以用转速特性来反映转矩。定子侧采用isd=0的控制方式，由式（5）知，电机的电磁转矩与电流isq呈线性关系，即只需控制电流isq就可以控制电机电磁转矩。因此可以把转速PI控制器的输出作为q轴电流的指定值。

将式（3）代入式（4）可得

由式（7）知，定子d轴、q轴电流除了受控制电压Usd和Usq的影响外，还受耦合-ωsLqisq和ωsLdisd、ωsψ的影响。因此，电机的电流环控制除了需对d轴、q轴电流分别进行闭环PI调节控制得到相应控制电压Usd和Usq之外，还需要加上耦合电压补偿项来得到最终d轴、q轴控制电压分量U和U[10]。

sdsq

电机侧变流器采用转速、电流双闭环PI调节，其控制框图如图4所示。

图4 电机侧变流器控制框图Fig. 4 Control block diagram of motor-side converter

3.2 电网侧变流器控制模型

电网侧变流器采用电压、电流双闭环控制。外环为直流电压控制环，用来稳定直流环节电压，其输出为电网侧变流器的d轴电流指令值i*gd；内环为电流环，主要用来跟踪电压外环输出的d轴电流指令i*

gd和设定的q轴电流指令值i*gq，以实现快速的电流控制。

变流器的交流侧电压为[8]

电网侧变流器采用电压、电流双闭环控制策略，由式（8）可得控制框图如图5所示。

4 仿真与分析

基于以上分析，本工作在Matlab/Simulink中搭建出永磁电机式MEES机组的全仿真模型，并对机组的储能运行方式进行仿真分析。机组参数取值见表1。

图5 电网侧变流器控制框图

Fig. 5 Control block diagram of grid-side converter

表1 机组仿真运行参数Table 1 Simulation operation parameters of MEES

将建立好的永磁电机式MEES机组全模型接入无穷大电网，研究机组在储能运行方式下的运行特性。在储能过程中，最为关心的是电机转速、定子电流d轴分量、q轴分量和转矩，因此将其作为运行特性的指标。

（1）给定转速为12 r/min时，仿真结果如图6所示。

图6分别为在给定转速指令ωref为12 r/min时，永磁电机式MEES机组的转速、定子电流d轴分量、q轴分量和电磁转矩的运行特性。从仿真曲线可以看出，永磁电机在0.3 s追踪上了指定转速；定子侧d轴电流接近于0，q轴电流与电磁转矩成正比，由此可见三相定子电流很好地实现了解耦。

（2） 给定转速为15 r/min时，仿真结果如图7所示。

图6 转速为12 r/min时仿真运行结果Fig. 6 Simulation operation results under the speed of 12 r/min

图7分别为在给定转速指令ωref为15 r/min时，永磁电机式MEES机组的转速、定子电流d轴分量、q轴分量和电磁转矩的运行特性。从仿真曲线可以看出，永磁电机在0.2 s左右的时候追踪上了指定转速；定子侧d轴电流接近于0，q轴电流与电磁转矩成正比，由此可见三相定子电流很好地实现了解耦。

在储能运行阶段，改变转速指令值，电机都可以很快地追踪到目标转速，仿真动态响应快、超调小，从而可实现平稳储能运行。

5 结 论

图7 转速为15 r/min时仿真运行图Fig. 7 Simulation operation results under the speed of 15 r/min

基于本文作者团队先前提出的一种新型机械弹性储能机组，建立了永磁电机式机械弹性储能机组的数学模型，在Matlab/Simulink中建立了机组的全仿真模型，针对其储能运行方式，提出了电机侧变流器采用转速、电流双闭环及电网侧变流器采用电压、电流双闭环的控制策略，并对其储能运行方式下电机转速、定子电流d轴分量、q轴分量和电磁转矩的运行特性进行了仿真。仿真结果表明，在储能运行阶段电机可以快速地跟踪指定转速，三相定子电流很好地实现了解耦，永磁电机式机械弹性储能机组储能运行方式可以较好地实现恒转速控制。

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