磁轴承在飞轮储能中的应用研究

南京师范大学资产经营有限公司 张松

1 前言

能源问题是21世纪人类所面临的重大课题之一，在不断开发新能源的同时，为了更有效地利用现有的能源就需要发展先进节能技术和储能技术，需要储能环节来进行调节。飞轮储能是一种具有广泛应用前景的新型机械储能技术，相对于传统的储能方法如化学电池等，具有高功率，高效率,无污染，适用广，无噪声，长寿命，维护简单，可实现连续工作等优点[1-9]。

图1 飞轮储能系统工作原理图

2 飞轮储能的工作原理

飞轮储能作为一种新型储能技术，是以动能的形式把能量储存起来，从而完成电能到机械能转换的储能过程。飞轮储能由工频电网提供电能，经功率电子变换器，驱动电机带动飞轮高速旋转，图1是飞轮储能系统的工作原理图。在飞轮储能系统中，电机转子与飞轮固定连接在一起。电机通过维持一个恒定的转速存储动能。当需要给负载供电时，高速电机受到相应的释放能量的控制信号，此时电机作为发电机，经功率电子变换器输出适用于负载的电流与电压，从而完成机械能到电能转换的释放能量过程。由此，整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

飞轮旋转时的动能E表示为：

式中， E—储存的能量， I—飞轮的转动惯量，ω—飞轮转动角速度。由此可见，为提高飞轮的储能量，有两个途径：一是增加飞轮转子转动惯量，二是提高飞轮转速。在固定的应用场合，可以通过增加飞轮转子转动惯量增加飞轮旋转时产生的动能；在有严格要求的场合，可以通过提高飞轮的转速增加飞轮旋转时产生的动能。

3 磁轴承在飞轮储能中的应用

飞轮储能的支撑领域如图2所示，其发展主要依赖五大分支，分别为①飞轮本体材料发展；②集成驱动的电动机—发电机； ③磁悬浮支撑轴承系统；④电力电子转换装置及控制系统的发展； ⑤接口及辅助装置的投入。

本文研究其中一个分支（磁悬浮支撑轴承，又称磁轴承）在飞轮储能中的应用：

3.1 磁轴承的优点

与其它轴承相比，其优点主要表现在无机械接触和特性可控制两个方面[1-2]。

3.1.1 无机械接触方面的优点

1）无机械接触，因而无机械磨损，其寿命取决于控制电路元器件的寿命，而电路元器件的寿命一般较长且可以随时更换，因此磁轴承比接触式轴承寿命长得多；2）无须润滑，因此不会因润滑剂而污染环境，因此特别适合于医疗环境、真空技术和无菌车间等超净环境使用；3）可以实现转子高速旋转，其转速只取决于构成转子材料在旋转时的强度限制。

图2

3.2.2 特性可控制方面的优点

1）磁轴承的刚度和阻尼是随着磁轴承的工作环境、运行状态机转速发生变化的，可通过采用不同的控制规律对其动态性能进行控制和优化。2）转子的控制精度主要受控制环节中信号的测量精度的影响，受其它因素影响很小；

3.2 磁轴承的分类

1）磁轴承按结构分为：轴向型，径向型，径向止推型。2）磁轴承按作用分为：吸引型和排斥型。3）磁轴承按接触方式分为：完全非接触型和部分接触型。4）磁轴承按电磁铁类型分为：超导式，交流控制式，直流控制式。5）磁轴承按产生磁场不同方法分为：被动磁轴承、主动磁轴承和混合型磁轴承。

(a) 被动磁轴承

被动磁轴承的磁场通常是不可控的，目前被动磁轴承主要有两种：一种是高温超导磁轴承，一种是无源磁轴承（永磁轴承）。传统的超导体无法满足磁轴承的要求, 但是自从高温超导体 Y (钇)系发现以来, 制造高温超导磁轴承成为可能。

(b) 主动磁轴承和混合磁轴承

主动磁轴承系统主要是指电磁轴承，混合磁轴承主要指永磁体和电磁轴承的混合磁轴承。电磁轴承系统主要由转子、磁轴承、传感器、控制系统、功率放大器组合而成。传感器用于测量转子的位移变化信号，将位移信号反馈到控制器中, 控制器计算后, 输出控制信号, 控制信号再经过功率放大器的放大, 输出控制电流到磁轴承, 产生电磁力, 从而保证转子的稳定悬浮。混合磁轴承的静态偏置磁通由永磁体提供，控制磁通仍然由控制线圈提供，转子在平衡位置时不需要控制电流，仅靠永磁体产生的磁通使转子悬浮于平衡位置，大大减小了系统的功耗和磁悬浮轴承的重量[5-7]。

3.3 磁轴承—飞轮储能系统构成

飞轮转子的 6个刚体自由度中，有一个自由度为绕转轴旋转的自由度，因此不需要磁悬浮系统控制，其余5个自由度需要由磁悬浮系统所控制。飞轮储能磁悬浮系统结构有 8种拓扑结构可供选择，其中五个自由度均由被动永磁轴承组成的磁悬浮系统是最简单的一种拓扑结构，五轴主动控制的电磁轴承磁悬浮系统是最为复杂的一种拓扑结构。但是，由Earnshow 定理可知，8种拓扑结构之中最简单的拓扑结构，即仅由永磁轴承组成的磁悬浮系统是不可能获得稳定平衡的，至少会留下一个自由度是不稳定的，由此至少在一个方向上必须采用机械轴承或主动式电磁轴承才能使之稳定。而8种拓扑结构之中最复杂的拓扑结构，即五轴控制的电磁轴承系统通常需要10套轴承线圈、提供 10个传感器和 10通道控制系统，导致整个系统结构较为复杂、体积较大和成本较高。一个较为简单的方案是采用单轴主动控制的永磁轴承与电磁轴承混合磁悬浮系统结构。

3.4 磁轴承—飞轮储能系统的控制方法研究

1）最优控制方法：对于陀螺效应严重的磁悬浮飞轮转子，采用独立控制的方法恐怕难以满足控制要求，因此必须采用集中控制对各个自由度进行控制，其中LQR方法即为一种有效的集中控制的方法。为此 Larsonneur 和 Herzog通过引入“结构预定义，研究了一种新的最优控制方法，即结构预定义最优控制方法，所使用的优化方法与普通 LQG方法很相似，只不过事先对控制器结构施加了约束，采用分散控制结构。采用此新控制方法，不仅可以降低控制器的阶数，还可以避免出现观测不精确的问题。最优控制的不足是当系统内部特性或外部扰动变化很大时，系统的性能也许会由于被控对象建立的不够准确而受到影响，甚至会导致系统失稳。

2）智能控制方法：智能控制方法是指那些基于在线学习和辨识的控制方法，如模糊控制、神经网络控制、专家控制、预测控制等，此类方法的特点是被控系统的数学模型不需要被精确确定，可当作“黑箱”来处理，不需要任何有关的先验知识，控制器可根据输出响应来学习系统特性并根据需要对控制参数实施在线调节。这些方法的优点是能够克服电磁轴承非线性特性给系统造成的影响，但这些方法由于算法及其复杂，在工程中未得到普遍应用。而且大多数情况下，磁轴承均在平衡点附近的线性区内稳定工作，因此与传统的线性控制方法相比，智能控制方法并未体现出明显优势。

3）鲁棒控制方法：鲁棒控制是通过选择反馈控制律使闭环系统稳定，并且对模型摄动及外界扰动具有一定的抵抗力的一种控制方法。目前，H∞控制和变结构控制是鲁棒控制中主流的两种控制方法。H∞控制的基本原理是以外界扰动与系统输出之间传递函数的 H∞范数作为度量工具,其控制目标力求使受扰动系统最“坏”情况的输出误差达到最小。变结构控制是一种非线性控制方法,其基本原理为：寻求一个或几个切换函数,当系统状态达到切换函数时,系统的控制由一种结构转换成另一种结构。研究结果表明，变结构控制器和 H∞控制器对系统模型摄动(包括转子和电磁执行器中的参数变化)及外界扰动具有良好的鲁棒性。

4）数字控制：由于数字控制具有硬件集成度高、控制性能好的优点，因此目前数字控制正在逐步替代传统磁轴承采用模糊控制器的方式。实现数字控制的数字控制器最普遍采用的是数字信号处理器 (DSP)，它不仅具有高速运算的能力，还可以采用多个处理器的结构以提高系统的容错能力，除此之外，数字控制还可以使磁轴承适应不同的工况，并且能够方便地实现多种功能，例如通过控制算法可以抑制转子不平衡震动，启动和停机时的过程控制以及滤波、诊断和监控等。实时性是数字控制所面临的主要问题，由于磁轴承属于开环不稳定系统，因此要求其控制器需要具有相位超前的功能且频带通常要达到 1 kHz 以上。A/D 和 D/A 的转换时间以及控制参数的计算时间是影响相位的主要因素。如果想要采用智能控制，因此控制算法更为复杂，因此计算量会很大，进而采样频率会因此而降低，这就使一些复杂算法的应用受到限制。然而，随着近年来微处理器技术的飞速发展，实时性问题将不再是制约磁轴承控制发展的主流，以上控制方式均可采用数字控制实现。

4 研究发展趋势

磁轴承在飞轮储能中的应用发展研究趋势将主要集中在以下几个方面：

1）超导磁轴承：这种轴承的体积很小，但承载能力却可以很大。不足的是超导磁轴承的研究进展在很大程度上赖于高温超导材料的发展。2）自检测磁轴承：传统的磁轴承系统需要配有传感器来检测信号，传感器的存在增大了轴承的轴向尺寸，降低了系统的动态性能，并且具有成本高，可靠性低的缺点。而自检测磁轴承，省去了位移传感器，通过采样电流、电压信号间接获取转子的位移信号，因此不仅可以简化磁轴承的结构还可以显著降低磁轴承系统的制造成本，在工业上具有很广阔的应用前景。3）电磁和永磁混合的磁轴承：这种轴承的偏置磁场由永磁体产生，区别于传统电磁轴承产生偏置磁场的方式，而控制磁场与传统的电磁轴向相同，采用电磁铁通电产生的控制电流产生。该种组合的磁轴承具有可以减轻磁轴承定子、功率放大器的体积和重量的优点，尤其适合在航空发动机上有很好的应用前景。4）基于全局的优化设计：除了要满足磁轴承自身以及转子系统满足相应的机械要求外，从系统的全局角度考虑磁轴承的稳定性、可靠性和经济性，而进行基于全局的优化设计是以后发展的必然趋势，目的是以便为磁轴承实现产品化创造一个更广阔的应用前景。5）采用高性能的控制器：为了使系统实现更高的性能要求，控制环节在磁轴承系统中扮演的角色尤为重要。为了有利于使磁轴承实现标准化、系列化和商品化，这就要求磁轴承的硬件系统趋于结构化、模块化，其中，功率放大器作为硬件设计中一个重要的环节，越来越趋向于采用效率高的开关功放等来取代连续功放。控制器方面，要求实现数字化、集成化和计算机化。而软件方面，相应发展的软件越来越多地采用基于现代控制理论来达到各种控制算法，如滑模控制、非线性模糊控制、自适应控制和 H控制、μ控制等，使它更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。6）磁轴承的推广应用：因为磁轴承尚处于发展阶段，用户还不具备设计磁轴承的基本知识，因此研究人员一直追求磁轴承在工业设备上地应用这个目标。而且，应用和研究是相辅相成地，通过推广应用，也可不断提高磁轴承的研究水平。

5 结论

现在制约飞轮储能全面推广到市场的主要瓶颈因素是价格，因此需要进一步降低飞轮储能的生产成本。随着控制技术、材料、能量转换技术学等各领域研究的逐步深入，尤其磁轴承技术的日趋成熟,价格将会逐步降低,飞轮储能必将作为人们日常生活中成熟的产品全面推向市场。

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