基于磁悬浮飞轮储能的脉冲功率电源系统设计

江卫良，陈 烨

（1.沈阳微控新能源技术有限公司，沈阳 110027；2.微控物理储能研究开发（深圳）有限公司，广东 深圳 518052）

0 引言

脉冲功率电源是能够产生各种强电脉冲功率输出的电源，具有非常广泛的用途，其基本工作原理是： 通过储能获取足够的能量，形成脉冲功率输出给脉冲负载供电。在脉冲功率电源系统中，能量存储环节是最基础也是最重要的一环，目前常用的储能方式包括电容器储能、飞轮脉冲发电机等。基于电容器储能的脉冲功率电源可以在短时间内快速放电，但是存在储能密度不高、放电时间短、设备体积大、充放电寿命较短等问题[1-2]。基于飞轮脉冲发电机的脉冲功率电源系统通过电动机拖动飞轮加速转动来存储能量，然后通过发电机将飞轮储存的能量对外快速释能，单套机组可以输出数十兆瓦甚至百兆瓦级的脉冲功率，但是存在设备体积大、建造周期长、运维成本高等问题[3-4]。

近年来，磁悬浮飞轮储能技术发展很快，在地铁再生制动能量回收、不间断电源保障、电力调频、微电网、新能源并网等领域得到越来越广泛的应用[5-8]。磁悬浮飞轮储能装置具有安全可靠性高、功率密度高、充放电响应速度快、使用寿命长、环境适应性强、建设周期短、运行维护简单、全生命周期绿色无污染等优点，因此非常适合作为脉冲功率电源的能量存储介质。脉冲功率电源的发展趋势是朝着体积小型化、高储能密度、长使用寿命的方向发展，因此，充分利用磁悬浮飞轮储能的优势，研发设计基于磁悬浮飞轮储能的脉冲功率电源系统，能够显著提高脉冲功率电源系统的技术指标和经济性，具有广阔的应用前景[9-10]。

1 磁悬浮飞轮储能技术简介

飞轮储能技术是一种绿色环保的物理储能技术，利用高速旋转飞轮的动能来存储能量，实现电能和动能的循环转换。飞轮储能装置所存储能量的大小由飞轮转子的转动惯量及其转速决定。现代飞轮储能技术是一门多学科融合的综合性技术，涉及到材料学、电机学、转子动力学、磁悬浮轴承技术、电力电子技术、测量及控制技术等。自20 世纪90 年代以来，随着磁悬浮轴承技术、高性能飞轮材料技术、高速电机技术和电力电子技术的突破，飞轮储能技术取得了长足的进步，朝着不断提高能量密度、提高功率密度、降低自身损耗的方向发展。

磁悬浮飞轮储能技术是指采用磁悬浮轴承体系来支撑飞轮转子的飞轮储能技术。常用的磁悬浮轴承体系包括磁力卸载机械轴承和完全磁悬浮轴承。磁力卸载机械轴承通常采用永磁轴承和滚动轴承相结合的混合轴承，在飞轮运转过程中永磁轴承能够承担部分轴系重量，仍然需要滚动轴承来提供部分轴向或径向的载荷。文献[11]对一种1 MW/60 MJ 飞轮储能系统进行了研究，该系统采用永磁轴承和滚子轴承组成的混合轴承支撑体系，永磁轴承承担97%的轴系重量，最高工作转速为2 700 r/min。文献[12]描述了一种450 kW/6.25 MJ 磁悬浮飞轮储能装置，该装置采用五轴主动磁悬浮轴承作为工作轴承，同时采用滚动轴承作为保护轴承，正常运行时飞轮转子处于完全磁悬浮状态，与滚动轴承没有任何接触，最高工作转速为36 750 r/min，整个轴承系统免维护，使用寿命长达20 年。

基于完全磁悬浮轴承的飞轮储能系统在运行过程中，磁悬浮轴承和飞轮转子之间没有直接接触，因此也无需润滑介质，省略了传统润滑系统所需要的泵、管道、过滤器和密封件等，减小了系统维护工作量，并能在高温或极低温等特殊环境下工作，具有更强的环境适应性[13-17]。

2 基于磁悬浮飞轮储能的脉冲功率电源系统设计

2.1 系统总体设计方案

基于磁悬浮飞轮储能的脉冲功率电源系统主要包括储能部分、充电部分、放电部分及监控系统，系统总体架构如图1 所示。

图1 脉冲功率电源系统总体架构框图

储能部分采用磁悬浮飞轮储能装置。磁悬浮飞轮储能装置对外充放电接口为直流，对外提供通信接口，既可接受外部充放电指令，直接控制功率大小和方向，也可以根据直流电压采取相应的充放电控制策略。磁悬浮飞轮储能装置可以单台装置进行充放电，也可以多台装置在直流侧并联，组成飞轮阵列进行充放电。

充电部分包括充电电源和充电机。充电电源可以为市电或发电机组，提供小功率的交流电源，为飞轮储能装置提供能量输入。充电机的作用是将交流电变换为直流电，根据控制系统的指令为飞轮储能装置充电，实现从电能到动能的转换。

放电部分包括逆变器、变压器及其他配套设备。逆变器的作用是将直流电变换为交流电，根据负荷的实时功率变化和监控系统的指令，控制飞轮储能装置对外放电，实现从动能到电能的转换。

由一组飞轮储能装置及配套的充电部分和放电部分组成一个基本的脉冲功率电源单元。可以将多个脉冲功率单元在充电交流母线侧和放电交流母线侧进行并联，通过监控系统进行协同控制，组成一个更大规模的脉冲功率电源系统，以提高整个电源系统的放电功率。

监控系统包括服务器、显示器及其他通信相关设备，监控系统和其他设备间可组成高速光纤通信网，毫秒级通信延时。监控系统的主要作用是实现对脉冲功率电源系统的数据采集、存储、监视和控制。监控系统实时监测整套系统内各设备的实时运行状态和运行参数，对系统整体健康状态进行诊断，一旦发现异常工况及时发出告警信号并采取相应的保护措施。

2.2 系统运行状态及控制过程

监控系统根据应用场景脉冲负荷的要求对脉冲功率电源系统的运行状态进行控制，保证系统的正常运转。整个系统的运行状态包括静止状态、启动状态、充电状态、放电状态、待机状态和停机状态。系统运行状态及控制流程见图2。

图2 系统运行状态及控制流程

在静止状态下，系统中所有设备均已上电开机并可正常运行，系统通信正常，飞轮储能装置尚未储能，飞轮静止，随时可以进入启动状态。在启动状态下，监控系统控制充电机给飞轮储能装置充电，将飞轮的转速从零加速到最低工作转速，启动完毕后，系统随时可进入充电状态。在充电状态下，监控系统控制各充电机给飞轮储能装置充电，飞轮的转速上升，转速不超过最高工作转速。充电结束后，系统进入待机状态，可随时进入放电状态。在放电状态下，监控系统控制各逆变器和飞轮储能装置对外放电，飞轮的转速下降，转速不低于最低工作转速。在没有充电或放电任务时，系统处于待机状态，可随时进入充电状态或放电状态。在系统运行过程中，一旦检测到异常需要保护停机或者监控系统发出停机指令，系统就进入停机状态，飞轮转速自然下降，直至处于静止状态。

系统充电过程： 充电机处于工作状态，逆变器停止工作。通过监控系统控制各个脉冲功率电源单元的充电机给相应储能装置充电，包括两种时序控制方式。一种方式是同时给所有脉冲功率电源单元充电，另一种方式是依次给各个脉冲功率电源单元充电，以降低对充电电源容量的需求。可通过监控系统对脉冲功率电源单元的充电功率进行设置，限制总的充电功率大小在充电电源允许范围内。

系统放电过程： 逆变器处于工作状态，充电机停止工作。系统内各逆变器在交流侧并联运行，处于孤网运行模式，建立并维持交流侧的电压和频率。在该模式下，逆变器按设定的下垂曲线特性运行，在脉冲负荷启动的情况下，根据下垂曲线自动调整输出功率给脉冲负荷供电，保持孤网系统的稳定。在逆变器启动输出功率的同时，其直流侧母线电压会下降。飞轮储能装置根据直流侧母线电压变化来输出功率，以维持直流侧母线电压稳定在设定值为控制目标。系统具有控制简单、放电响应速度快的特点。

3 实验系统搭建

基于以上设计原理搭建简化的物理模拟测试系统进行实验验证。测试系统主要设备包括1 台飞轮储能装置、1 台充电机、1 台逆变器、1 台水泵电机、市电供电电源、控制系统及其他配套设备，系统主接线如图3 所示。

图3 测试系统主接线

测试系统中所使用的VDC XXT 型磁悬浮飞轮储能装置额定功率为450 kW，充电机额定功率为40 kW，逆变器额定功率为500 kW，水泵电机功率为200 kW。

VDC XXT 型磁悬浮飞轮储能装置的主要技术参数如表1 所示。

表1 磁悬浮飞轮储能装置的主要技术参数

4 实验过程及结果

一次完整的测试过程如下：

（1）充电过程。将开关K2和K3断开，K1闭合，对飞轮储能装置进行充电。由市电通过充电机给飞轮储能装置充电，飞轮转速不断升高，当飞轮转速达到最高工作转速36 750 r/min 时停止充电，断开K1。

（2）预充过程。将开关K3闭合，对逆变器直流母线电容进行预充电，直至预充电完成。

（3）放电过程。将开关K2闭合，K3断开，启动电机进行脉冲功率放电。电机0.3 s 带载启动，2 s 后自由停车。

放电测试曲线如图4 所示。实验结果表明，当电机带载启动时，飞轮储能装置和逆变器之间的直流母线电压瞬间被拉低，飞轮储能装置能够在3 ms 内快速响应，输出脉冲功率，并且根据负载功率变化自动调整输出功率大小，使直流母线电压稳定在一定范围之内。当电机停车后，飞轮储能装置自动停止放电。本次放电测试实验中，飞轮储能装置的脉冲功率输出持续时间约为2 s，最大输出电流为717 A，最大输出功率为356 kW，飞轮转速仅下降约1 000 r/min，还剩余足够的存储能量，一次充满电后可连续进行多次放电实验。

图4 放电测试曲线

5 结语

基于磁悬浮飞轮储能技术设计构建了脉冲功率电源系统，研究了系统的架构与运行控制策略。通过搭建实验系统进行测试验证，实验结果表明： 系统能够在3 ms 内快速响应输出脉冲功率，形成秒级的脉冲平顶波，在一次充满电后可连续多次输出。系统采用模块化设计，容量配置灵活，响应速度快，使用寿命长，建设周期短，运维简单，可满足多种应用场景下的脉冲功率电源需求。