飛輪儲能是一種物理儲能技術(shù)，能量存儲在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中。其能量轉(zhuǎn)換裝置是電機(jī)，充電時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子升速，能量由電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行存儲，放電時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，飛輪轉(zhuǎn)子降速，能量由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。相比傳統(tǒng)電化學(xué)儲能方式，飛輪儲能具有綠色環(huán)保、能量密度高、壽命長、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于不間斷電源（UPS）、城市軌道交通、風(fēng)電一次調(diào)頻、電力調(diào)峰等領(lǐng)域。飛輪儲能技術(shù)門檻較高，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用等需要解決若干關(guān)鍵技術(shù)問題，主要包含高壓大功率高速電機(jī)設(shè)計(jì)、軸承設(shè)計(jì)、真空設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)及大功率雙向變流器設(shè)計(jì)等，難度比較大。目前，國內(nèi)市場上比較大的飛輪廠家主要有北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)展有限公司、深圳坎德拉公司、沈陽微控公司、華馳動(dòng)能科技有限公司等，其飛輪產(chǎn)品轉(zhuǎn)子大多采用特種鋼材料，電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，軸承在小容量飛輪中采用主動(dòng)磁懸浮軸承，大容量飛輪采用主動(dòng)/混合磁懸浮，是目前比較主流的技術(shù)路線。飛輪儲能變流器作為飛輪的驅(qū)動(dòng)裝置，用于實(shí)現(xiàn)飛輪機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換控制，其運(yùn)行的穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。由于飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、轉(zhuǎn)速高，且飛輪電機(jī)具有特殊性，其啟動(dòng)控制方式不同于一般的永磁同步電機(jī)。1、飛輪儲能最小系統(tǒng)介紹飛輪儲能最小系統(tǒng)主要由儲能變流器和飛輪本體組成，如圖1所示。其中飛輪本體為核工業(yè)理化工程研究院自主開發(fā)，采用被動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)；上下兩組電機(jī)為飛輪的驅(qū)動(dòng)裝置，電機(jī)為永磁同步電機(jī)（PMSM），電機(jī)的轉(zhuǎn)子與飛輪轉(zhuǎn)子合為一體。飛輪外觀示意圖如圖2所示。由于飛輪負(fù)載的特殊性，市場上通用的電機(jī)變頻器無法實(shí)現(xiàn)飛輪的驅(qū)動(dòng)控制及頻繁充放電控制，因此，核工業(yè)理化工程研究院進(jìn)行了儲能變流器的自主研發(fā)，專門用于飛輪的驅(qū)動(dòng)控制。儲能變流器采用交直交變換方式，總體主要由AC/DC整流器、預(yù)充電回路、DC/AC逆變器和輸出電抗器等構(gòu)成，同時(shí)為了滿足試驗(yàn)需求，配備直流泄放回路及直流負(fù)載。AC/DC部分采用二極管不控整流橋，為后級逆變器提供直流電源輸入。預(yù)充電回路主要是為了防止電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流器后直接加至直流母線電容，母線電壓瞬間突變，造成瞬時(shí)電流過大，損壞整流器。DC/AC部分是逆變器，是飛輪變流器的關(guān)鍵部分，由于飛輪電機(jī)為上下電阻電機(jī)，因此逆變器為兩組，通過控制系統(tǒng)對兩路逆變器進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)飛輪上下雙電機(jī)，從而進(jìn)行飛輪充放電控制，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。電抗器主要用于抑制逆變器電流諧波分量，避免飛輪電機(jī)定子線圈發(fā)熱嚴(yán)重。直流泄放回路主要用于飛輪放電測試試驗(yàn)，同時(shí)也在飛輪能量泄放時(shí)使用，以便飛輪異常時(shí)快速釋放飛輪能量，保障設(shè)備及人身安全。2、雙電機(jī)啟動(dòng)控制算法一般的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)大多采用基于無位置傳感器方式的FOC（Field-OrientedControl，磁場定向控制），其啟動(dòng)模式一般分為如下兩種：1）電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)開環(huán)啟動(dòng)，電機(jī)中高轉(zhuǎn)速時(shí)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，即首先轉(zhuǎn)速開環(huán)（I/F）啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一設(shè)定閾值后，經(jīng)過切換算法，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)中高速階段電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制[4-6]。2）雙閉環(huán)直接啟動(dòng)，即電機(jī)從零速或極低轉(zhuǎn)速開始直接按照轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，這種控制方式對電機(jī)的無傳感器算法性能要求比較嚴(yán)格。儲能飛輪的驅(qū)動(dòng)裝置采用上下雙電機(jī)方式，由于電機(jī)及飛輪結(jié)構(gòu)的特殊性，對兩組電機(jī)的均分控制特性要求比較嚴(yán)格，如果兩組電機(jī)控制不均衡，很容易造成飛輪轉(zhuǎn)子的振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損害飛輪軸承，甚至失控，一般的基于無傳感器算法的永磁同步電機(jī)啟動(dòng)方式不太適用。因此，為了更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)儲能飛輪的雙電機(jī)啟動(dòng)控制，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制仍然采用基于FOC的SVPWM控制，但轉(zhuǎn)子磁場位置的獲取采用有位置傳感器方式，其中位置傳感器為旋轉(zhuǎn)變壓器。雙電機(jī)啟動(dòng)控制算法主要包含以下幾部分：1）雙電機(jī)正轉(zhuǎn)向的確定：首先按照I/F啟動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)1，觀察電機(jī)1轉(zhuǎn)向，如果電機(jī)1轉(zhuǎn)向?yàn)榉聪颍槙r(shí)針方向），調(diào)整電機(jī)1三相輸出線任意兩根，否則不進(jìn)行調(diào)整。按照同樣方法進(jìn)行電機(jī)2的正轉(zhuǎn)向確認(rèn)。2）雙電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的校準(zhǔn)：由于雙電機(jī)轉(zhuǎn)子在同一個(gè)軸上，僅安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器，為得到兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的實(shí)際位置，需要進(jìn)行定位和校準(zhǔn)。首先向電機(jī)1定子q軸，按照電角度0°，通以一個(gè)足夠大的q軸電流，將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至電角度90°位置，然后再向電機(jī)1定子d軸，按照電角度0°，通以一個(gè)足夠大的d軸電流，將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至電角度0°位置，記錄下此時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器得到的電機(jī)1轉(zhuǎn)子位置θ1*。再向電機(jī)1定子q軸，按照電角度0°，通以一個(gè)足夠大的-q軸電流，將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至電角度-90°位置，然后再向電機(jī)1定子d軸，按照電角度0°，通以一個(gè)足夠大的d軸電流，將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至電角度0°位置，記錄下此時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器得到的電機(jī)1轉(zhuǎn)子位置θ2*。將θ1*和θ2*取均值，即為電機(jī)1轉(zhuǎn)子對應(yīng)的電角度0°角度偏差δ1。永磁同步電機(jī)控制中電機(jī)1轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置θ1為旋轉(zhuǎn)變壓器檢測到的位置θ與角度偏差δ1之和，即θ1＝θ+δ1。電機(jī)2的轉(zhuǎn)子初始位置同樣按照上述方法進(jìn)行校準(zhǔn)。3）啟動(dòng)及運(yùn)行階段：由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制采用帶位置傳感器的方式，因此啟動(dòng)階段及運(yùn)行可以直接采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)啟動(dòng)控制，其中轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為q軸電流環(huán)的輸入?yún)⒖贾?，d軸電流環(huán)的輸入?yún)⒖贾翟O(shè)定為0，電流環(huán)的輸出為電機(jī)端電壓，經(jīng)過SVPWM算法，分別控制兩組三相逆變橋驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行。3、試驗(yàn)驗(yàn)證本文以核工業(yè)理化工程研究院自研的儲能飛輪為試驗(yàn)對象，搭建了試驗(yàn)平臺，飛輪儲能試驗(yàn)臺主要包含變流器及后級飛輪，由于飛輪體積比較大，同時(shí)為了人身安全，飛輪安裝至地坑試驗(yàn)室中，飛輪變流器在控制室中，其外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了更加安全地進(jìn)行飛輪驅(qū)動(dòng)，整個(gè)試驗(yàn)裝置的輸入電壓需要通過調(diào)壓器，將三相電網(wǎng)電壓調(diào)整為試驗(yàn)所需的電壓（低電壓），首先進(jìn)行飛輪轉(zhuǎn)子位置的校準(zhǔn)，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子的角度校準(zhǔn)完畢后，再通過調(diào)壓器將電壓調(diào)整為驅(qū)動(dòng)所需電壓（高電壓）。儲能飛輪變流器按照前文所述啟動(dòng)控制算法，首先按照額定電流的10%進(jìn)行電機(jī)正轉(zhuǎn)向的確定，然后分別進(jìn)行兩組電機(jī)初始位置的校準(zhǔn)，最后按照轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)進(jìn)行電機(jī)的啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)電流波形如圖4所示，其中最上面波形為直流電壓，中間兩組波形為電機(jī)電流波形，最下面一組為直流電流波形，可以看到啟動(dòng)時(shí)電流波形平穩(wěn)，電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，頻率也在緩慢增加，最后達(dá)到飛輪的額定轉(zhuǎn)速。整個(gè)啟動(dòng)過程中，飛輪運(yùn)