UPS系統(tǒng)在電網(wǎng)故障情況下為電能質(zhì)量敏感設(shè)備和重要場所提供了必要的電力供應(yīng)。飛輪儲能方式與蓄電池儲能相比，具有效率高、維護成本低和無污染等優(yōu)勢。UPS系統(tǒng)按拓撲可分為在線雙變換式、在線交互式和后備式三種，后備式與兩種在線式相比具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和效率高的優(yōu)勢，但是響應(yīng)速度較慢。本工作提出了一種基于準(zhǔn)PR控制方法的飛輪儲能UPS系統(tǒng)及其控制策略，該系統(tǒng)采用可控硅作為轉(zhuǎn)換開關(guān)，采用準(zhǔn)比例諧振控制與矢量控制相結(jié)合的控制策略，使該UPS克服傳統(tǒng)后備式UPS響應(yīng)慢的缺點，具有較高的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)供電性能。給出了該UPS系統(tǒng)工作機制、準(zhǔn)比例諧振控制方法以及網(wǎng)側(cè)和機側(cè)矢量控制策略，通過仿真和實驗證明了該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)能力和較高的供電質(zhì)量。
關(guān)鍵詞 飛輪儲能；UPS；準(zhǔn)比例諧振控制；矢量控制
根據(jù)電力部門統(tǒng)計，在諸如暫態(tài)電能質(zhì)量問題中，電壓跌落發(fā)生頻率最高，大多持續(xù)10 ms至1 min。在用戶側(cè)，云計算中心、半導(dǎo)體制造工廠和重要活動現(xiàn)場等場所對電力供應(yīng)的穩(wěn)定性要求比較高，電壓跌落會造成嚴(yán)重損失。目前，不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）技術(shù)是解決電壓跌落問題最常用的方法之一，相比于動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)和統(tǒng)一電能質(zhì)量控制技術(shù)，UPS使用門檻低，也更加靈活。
文獻[3]系統(tǒng)地梳理了蓄電池UPS的拓撲分類，即在線雙變換式、在線交互式和后備式三種，并分析了各拓撲的運行機制以及動態(tài)性能。閥控式蓄電池具有能量密度大、技術(shù)成熟等優(yōu)點，目前在UPS系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍，但是其缺點在于充電時間長、平均無故障時間短、環(huán)境不友好等，而且使用壽命為僅5年左右。飛輪儲能技術(shù)是一種清潔環(huán)保技術(shù)，借助于磁懸浮技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲能單元具有效率高、維護成本低、可頻繁充放電等優(yōu)勢，而且使用壽命可達20年，可較為理想地替換蓄電池。近幾年國外的Vycon、Active Power、盾石磁能科技有限責(zé)任公司等公司開發(fā)的飛輪儲能UPS已成功應(yīng)用于軌道交通和微電網(wǎng)等領(lǐng)域，國內(nèi)的高校和公司在飛輪儲能領(lǐng)域也做了很多研究。然而，大部分的產(chǎn)品和研究主要集中于在線式拓撲，如Vycon公司VDC系列產(chǎn)品和文獻采用背靠背變流器為負載供電，飛輪控制器的直流側(cè)與背靠背變流器的直流母線連接，這種拓撲供電質(zhì)量比較高，而可靠性和效率相對較低；Active Power公司開發(fā)的CLEAN SOURCE系列產(chǎn)品采用并聯(lián)在線式拓撲，提高了可靠性和效率，但是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。
本工作在當(dāng)前飛輪儲能UPS拓撲及控制策略的研究基礎(chǔ)上，提出了新型后備式飛輪儲能UPS及其控制策略。該系統(tǒng)利用可控硅開關(guān)和準(zhǔn)比例諧振（quasi-PR）控制方法為負載提供快速、高質(zhì)量電力供應(yīng)，簡化了拓撲結(jié)構(gòu)的同時提高了系統(tǒng)可靠性和效率。本工作給出了充、放電過程中雙向變流器的控制策略以及正弦電壓輸出準(zhǔn)PR設(shè)計方法。最后通過仿真和實驗證明了該系統(tǒng)具有響應(yīng)快、供電質(zhì)量高的特點。
1 基于飛輪儲能的UPS系統(tǒng)拓撲
1.1 在線雙變換式
在線雙變換式飛輪UPS由AC/DC變流器、DC/AC變流器、電機驅(qū)動變流器、飛輪電機及切換開關(guān)等幾部分組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙變換式UPS中，DC/AC變流器時刻為負載提供高質(zhì)量電力供應(yīng)，而不受電網(wǎng)電壓波動或掉電的影響，這是該拓撲的最顯著優(yōu)點。其缺點在于，DC/AC變流器時刻滿負荷工作，而且AC/DC變流器在大部分時間下滿負荷或者超負荷工作（飛輪充電階段），致使UPS系統(tǒng)的效率和可靠性不會很高。另外，AC/DC變流器的整流變換還會向電網(wǎng)輸送一部分電流諧波。
圖1 在線雙變換式飛輪儲能UPS結(jié)構(gòu)示意
1.2 在線交互式
在線交互式UPS由耦合變壓器、AC/DC變流器、DC/AC變流器、電機驅(qū)動變流器和飛輪電機等組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。在線交互式UPS系統(tǒng)可以認(rèn)為是一種帶儲能的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（unified power quality conditioner），兼有串聯(lián)補償和并聯(lián)補償?shù)墓δ?。在電網(wǎng)電壓正常或有少許跌落時，DC/AC變流器不工作，AC/DC變流器以低負荷狀態(tài)運行；當(dāng)電網(wǎng)跌落嚴(yán)重時，AC/DC變流器不工作，DC/AC變流器滿負荷工作。這種拓撲在向負載提供高質(zhì)量供電的同時，其效率比雙變換式有所提高，但是其缺點在于所需設(shè)備較多，而且控制算法比較復(fù)雜。
圖 2 在線交互式飛輪儲能UPS結(jié)構(gòu)示意
1.3 后備式UPS
后備式UPS由雙向變流器、飛輪電機和兩個開關(guān)等組成，其中雙向變流器由背靠背的AC/DC和DC/AC變流器組成，此處的DC/AC也可以認(rèn)為是在線式結(jié)構(gòu)中的電機驅(qū)動器。后備式飛輪儲能UPS的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，電網(wǎng)通過切換開關(guān)K1為負載供電，同時為飛輪充電；當(dāng)電壓跌落至小于設(shè)定值時，K1斷開，UPS為負載供電，直到電網(wǎng)恢復(fù)或者飛輪轉(zhuǎn)速跌破下限。開關(guān)K2用于斷開飛輪儲能單元，以便安裝和檢修。
圖 3 后備式飛輪儲能UPS結(jié)構(gòu)
當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，飛輪電機保持額定轉(zhuǎn)速，稱之為浮充。由于采用非接觸磁懸浮軸承，功耗較小，此時雙向變流器基本不工作；當(dāng)UPS放電時變流器才會滿負荷運行，因此這種拓撲的效率是最高，而且只需要兩個變流器，而在線式拓撲需要3個。但是由于開關(guān)K1動作慢，加之飛輪輸出電壓控制不理想，后備式UPS投入時間約為十幾毫秒至幾十毫秒，響應(yīng)速度不如在線式。另外，輸出電壓相位也不能保證與電網(wǎng)電壓相位一致。
鑒于后備式飛輪UPS的缺點，本文提出的新型后備式飛輪UPS采取三項措施保障其快速響應(yīng)能力：①電網(wǎng)電壓快速檢測，并根據(jù)負載允許最低供電閾值，建立施密特觸發(fā)機制；②開關(guān)K采用可控硅，以縮短切換時間；③采用準(zhǔn)PR控制方法快速控制輸出電壓，并配合放電控制策略為負載持續(xù)提供功率。新型UPS系統(tǒng)拓撲及控制機制如圖4所示。飛輪電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機，以提高功率密度和運行效率。
圖 4 UPS充放電機制
2 飛輪儲能UPS控制策略
飛輪儲能UPS控制策略包括充放電機制和充放電控制方法，前者是關(guān)于UPS系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓跌落以及恢復(fù)所做出的應(yīng)對措施，后者是關(guān)于UPS系統(tǒng)在充放電過程中對雙向變流器做出的控制。
2.1 充放電機制
UPS工作時，通常設(shè)定飛輪最高工作轉(zhuǎn)速ωmax和最低工作轉(zhuǎn)速ωmin，并時刻檢測電網(wǎng)電壓波動情況。若同時滿足：①電壓跌落至負載允許最低工作電壓UL_min水平；②飛輪運行轉(zhuǎn)速高于ωmin，則UPS開始放電。若電網(wǎng)電壓恢復(fù)至高于UL_min某一值，UPS開始充電。若在放電期間轉(zhuǎn)速降到ωmin時電網(wǎng)電壓仍未恢復(fù)，UPS停止放電，保持最低速運轉(zhuǎn)。
2.1.1 電網(wǎng)電壓檢測
在圖4所示的電壓檢測環(huán)節(jié)中，采樣電網(wǎng)電壓，計算相角和幅值，并將幅值做濾波防抖和施密特觸發(fā)處理。結(jié)合飛輪轉(zhuǎn)速以及電壓檢測結(jié)果生成充放電指令，控制切換開關(guān)K和充放電控制策略。電壓鎖相角度實時輸入至控制策略，以作為輸出電壓的起始相角。
在圖4所示的電壓檢測環(huán)節(jié)中，采樣電網(wǎng)電壓、計算相角和幅值，并將幅值做濾波防抖和施密特觸發(fā)處理。結(jié)合飛輪轉(zhuǎn)速以及電壓檢測結(jié)果生成充放電指令，控制切換開關(guān)K和充放電控制策略。電壓鎖相角度實時輸入至控制策略，以作為輸出電壓的起始相角。
相角、幅值計算：利用鎖相環(huán)得到相角，對三相電壓的平方和進行開方可得到電網(wǎng)電壓幅值。
濾波防抖：設(shè)置窗口檢測，窗口時間為百微秒級別，旨在濾除高頻擾動電壓，防止誤觸發(fā)。
施密特觸發(fā)：設(shè)置施密特觸發(fā)器，當(dāng)負載電壓跌落至UL_min時，觸發(fā)放電指令；當(dāng)負載電壓恢復(fù)至高于UL_min某一水平時，設(shè)其為UL_min+Δu，觸發(fā)充電指令，防止UPS在UL_min附近反復(fù)切換。
2.1.2 工作轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定
在上電初始化時電機以恒轉(zhuǎn)矩方式升速至ωmin，而后以恒功率方式充電至ωmax。放電時，UPS系統(tǒng)在網(wǎng)側(cè)輸出穩(wěn)定電壓為負載供電，輸出功率取決于負載。本文采用id=0的控制方式在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行充放電控制，不僅能夠降低銅損，提高運行效率，而且容易實現(xiàn)。
飛輪ωmin設(shè)定條件有兩個：一是ωmin要盡量小，以盡可能多的釋放能量；二是UPS輸出有功功率要滿足負載有功需求。
設(shè)負載有功功率為PL，電機電磁轉(zhuǎn)矩為Te，則有
(1)
式中，Pn為電機極對數(shù)；ψfm為轉(zhuǎn)子磁鏈幅值；iq為交軸電流。設(shè)機側(cè)變流器額定額定電流為In，則有
(2)
綜合和(2)，可得最小工作轉(zhuǎn)速為
(3)
電機升速時，最高轉(zhuǎn)速設(shè)定條件有兩個：一是電機端電壓等于機側(cè)變流器最大線性調(diào)制輸出的線電壓，二是電機輸出有功功率滿足負載有功需求。
在id=0控制中，機端電壓可表示為
(4)
式中，Ra為相繞組電阻；Lq為交軸繞組自感。
本文采用空間矢量調(diào)制方法，變流器輸出線電壓幅值最大為母線電壓Udc。因此可建立方程
(5)
根據(jù)輸出功率條件，即在最高轉(zhuǎn)速時電機輸出有功功率等于負載有功功率，可建立方程
(6)
聯(lián)立和(6)，可得
(7)
最大工作轉(zhuǎn)速取兩個解中較大值，其中
(8)
2.2 充電控制
在電網(wǎng)電壓正常時，UPS充電或者待機，飛輪處于升速或浮充狀態(tài)，此時機側(cè)變流器用于控制電機轉(zhuǎn)速，從某一速度升高至ωmax，所需有功功率從直流母線獲?。痪W(wǎng)側(cè)變流器用于從電網(wǎng)獲取有功功率來穩(wěn)定母線電壓。機側(cè)控制和網(wǎng)側(cè)控制回路均為雙閉環(huán)，控制框圖如圖5所示。
（a）機側(cè)控制
（b）網(wǎng)側(cè)控制
圖5 充電控制框圖
在機側(cè)控制中，采用id=0的控制方式，電流iq決定了電機的運行狀態(tài)。在充電時，電機給定轉(zhuǎn)速為ω_ref = ωmax。為了實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩與恒功率控制，在轉(zhuǎn)速控制器輸出側(cè)對電流進行限幅。恒轉(zhuǎn)矩升速時，以機側(cè)額定電流進行充電；恒功率升速時，以負載最大有功功率進行充電，因此限幅函數(shù)為
(9)
在網(wǎng)側(cè)控制中，將并網(wǎng)電流進行坐標(biāo)變換，得到d-q軸下的有功和無功分量，母線電壓控制器輸出作為有功電流給定，從電網(wǎng)吸收有功功率為飛輪升速。在充電過程中，為使UPS系統(tǒng)功率因數(shù)為1，令無功電流給定為Iq_ref = 0。2.3 放電控制
當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至UL_min時，UPS系統(tǒng)代替電網(wǎng)為負載供電。網(wǎng)側(cè)變流器在負載電壓跌落前的相角基礎(chǔ)上輸出三相平衡電壓，機側(cè)變流器用于穩(wěn)定母線電壓，控制回路如圖6所示。
（a）機側(cè)控制
（b）網(wǎng)側(cè)控制
圖6 放電控制框圖
在機側(cè)控制中，設(shè)置母線電壓控制為外環(huán)，內(nèi)環(huán)是d-q軸電流控制，同樣采用id=0的控制方式。在網(wǎng)側(cè)輸出正弦電壓控制中，不太適合采用PI控制方法，原因在于：若直接在a-b-c坐標(biāo)系下進行跟蹤控制，則會存在跟蹤靜差；若將電壓變換到d-q坐標(biāo)系下進行控制，若負載出現(xiàn)三相不平衡，則會產(chǎn)生負序電壓分量，此時還需要將正負序分量進行解耦并做單獨控制，計算比較復(fù)雜。
PR控制方法在指定頻率處具有無窮大增益，在其他頻域增益較小，因此可以完全無靜差地跟蹤指定正弦電壓，但是無窮大的增益會產(chǎn)生系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。準(zhǔn)PR方法在指定頻率處的有較大增益，足夠?qū)崿F(xiàn)較小的靜態(tài)誤差跟蹤。因此，本文提出在a-b-c坐標(biāo)系下采用準(zhǔn)PR控制方法實現(xiàn)正弦電壓輸出，其傳遞函數(shù)為
(10)
式中，Kp為比例增益；ωc為控制器帶寬；Kr為諧振頻率處增益；ω0為諧振頻率，此處為50 Hz。為使準(zhǔn)PR控制器發(fā)揮良好的跟蹤性能，需要合理調(diào)節(jié)前三個參數(shù)：Kp用以提高快速性能，在斷電瞬間迅速做出反應(yīng)；ωc用以限制頻率調(diào)節(jié)范圍，此處設(shè)置為40～50 Hz；Kr用以提高快速性能以及穩(wěn)態(tài)性能，其越大穩(wěn)態(tài)誤差越小，但同時穩(wěn)定性變差。本文針對輸出工頻電壓控制，設(shè)計準(zhǔn)PR控制器參數(shù)分別為：Kp=9，ωc=1，Kr=500，傳遞函數(shù)的波特圖如圖7所示。從幅頻特性看，在40～60 Hz頻域內(nèi)，系統(tǒng)增益較大，在50 Hz處達到極點，在此頻域范圍外，增益比較小，這有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差和提高抗干擾能力。
圖7 準(zhǔn)PR控制傳遞函數(shù)波特圖
3 仿真分析
利用Simulink搭建后備式飛輪儲能UPS系統(tǒng)模型，電網(wǎng)電壓跌落后，UPS分別為線性平衡負載、線性不平衡負載以及非線性負載供電，以驗證UPS快速響應(yīng)能力以及帶載能力。仿真中，準(zhǔn)PR控制采用上一節(jié)中設(shè)計的參數(shù)，電網(wǎng)和負載參數(shù)如表1所示，仿真流程如表2所示。
表1 電網(wǎng)與負載參數(shù)
表2 仿真流程
3.1 線性平衡負載仿真
負載為三相對稱電阻，均為0.48 Ω，功率為300 kW，仿真結(jié)果如圖8所示。在電網(wǎng)電壓跌落后，負載電壓在6 ms內(nèi)恢復(fù)到了跌落前的0.9 p.u.，而且前后的相位保持不變；對UPS輸出電壓進行諧波分析，如圖8(c)，THD值為1.73%。以上結(jié)果證明了準(zhǔn)PR方法在UPS輸出電壓暫態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性方面的良好作用。
圖8 UPS為線性平衡負載供電仿真結(jié)果
仿真過程中，飛輪工作在設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，并以恒功率的方式進行充電和放電；電機電流正弦且光滑，諧波較小；母線電壓保持穩(wěn)定，最大波動幅值小于3%。這驗證了充放電控制方法的有效性。
3.2 不平衡線性負載和非線性負載仿真
為了驗證本文提出的UPS能夠適用于多種負載場合，將上一節(jié)中的平衡負載先后更換為不平衡負載和非線性負載，功率均為200 kW。
圖9(a)和(c)為不平衡負載下的仿真結(jié)果，三相平衡電阻在t=0.15時刻發(fā)生跳變，c相阻值突增為1.44 Ω，a、b相阻值保持0.48 Ω不變。從結(jié)果可以看出，UPS輸出功率產(chǎn)生波動，電流不平衡，但輸出電壓保持三相對稱，a、b、c三相電壓有效值分別為218 V、218 V和219 V，THD為1.06%，這說明UPS具有良好的帶不平衡負載能力。
圖 9 UPS分別為不平衡線性負載和非線性負載供電仿真結(jié)果
圖9(b)和(d)為非線性負載下的仿真結(jié)果，負載為三相不控整流電路，其直流側(cè)接1.46 Ω電阻。從結(jié)果可以看出，UPS輸出功率和電流波動頻率高且不正弦，這是由負載非線性造成的；負載電壓在電網(wǎng)供電與UPS供電兩種情況下波形基本沒有差別，UPS輸出電壓波形THD為6.43%，諧波主要集中在基頻的5次和7次，這說明UPS具有良好的帶非線性負載能力。
4 實驗驗證
為了進一步驗證本文提出的UPS具有快速響應(yīng)能力以及良好的電壓輸出能力，采用額定容量300 kW的飛輪儲能UPS進行實驗，其參數(shù)如表3所示。由于條件限制，本次實驗只針對三相平衡負載。
表3 實驗樣機參數(shù)
4.1 以額定功率放電實驗
由于電源功率限制，電網(wǎng)先為UPS充電，然后再投入負載。UPS工作轉(zhuǎn)速為3000～6000 r/min，在3000 r/min以下以恒轉(zhuǎn)矩升速，在工作轉(zhuǎn)速范圍以100 kW恒功率充電，以300 kW額定功率放電。負載為兩個額定功率分別是200 kW和100 kW的電阻箱，分兩次投入。
電網(wǎng)為300 kW負載穩(wěn)定供電之后，手動拉閘以模擬斷電工況，隨后UPS立即為負載供電，實驗結(jié)果如圖10所示。由于飛輪腔體未做真空處理，UPS待機浮充時空氣損耗約為20 kW。
圖10 UPS為300 kW負載供電實驗結(jié)果
從實驗結(jié)果可以看出，UPS在電網(wǎng)斷電以后迅速為負載供電，經(jīng)過15 ms負載電壓恢復(fù)至原來的0.9 p.u.，其相位和幅值基本沒有跳變，THD值為1.74%，諧波主要集中在低次頻段。UPS放電功率為289 kW，持續(xù)時間約為20 s，在這期間，母線電壓波動很小，飛輪轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn)。以上結(jié)果表明UPS具有良好的放電性能，證明了準(zhǔn)PR方法在后備式UPS輸出正弦電壓控制中的有效性。
4.2 UPS頻繁充放電實驗
在UPS充滿電后，頻繁手動拉閘與合閘電網(wǎng)，以檢驗UPS應(yīng)對電網(wǎng)連續(xù)故障的性能。實驗中設(shè)定UPS充電功率為85 kW，負載功率為50 kW，每次電網(wǎng)恢復(fù)到額定值后，經(jīng)過2.5 s飛輪開始充電。實驗結(jié)果如圖11所示。由于控制柜轉(zhuǎn)換開關(guān)處有漏壓，導(dǎo)致圖11(a)中網(wǎng)側(cè)電壓拉閘后電壓不為0。
圖11 UPS為頻繁充放電實驗結(jié)果
從圖11(a)看出，UPS能夠及時應(yīng)對電網(wǎng)頻繁故障，負載電壓基本不受電網(wǎng)斷電影響。由于負載功率降低至50 kW，負載電壓恢復(fù)時間縮短至8 ms。以上結(jié)果表明UPS具有良好的快速響應(yīng)性能，進一步證明了準(zhǔn)PR方法的有效性以及飛輪充放電控制策略的有效性。
3 結(jié) 論
飛輪儲能較蓄電池儲能具有效率高、維護成本低和無污染等優(yōu)勢，在UPS中應(yīng)用前景廣泛。本文提出了一種基于準(zhǔn)PR控制方法的飛輪儲能UPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用可控硅作為電網(wǎng)與UPS供電的轉(zhuǎn)換開關(guān)，將準(zhǔn)PR輸出電壓控制與網(wǎng)側(cè)和機側(cè)的飛輪矢量控制相結(jié)合，保留了傳統(tǒng)后備式UPS結(jié)構(gòu)簡單、效率高的優(yōu)點，克服了其響應(yīng)慢的缺點。仿真和實驗結(jié)果表明，基于準(zhǔn)PR控制的UPS系統(tǒng)具有良好的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。
引用本文： 呂靜亮,姜新建,張信真等.基于準(zhǔn)PR控制的飛輪儲能UPS系統(tǒng)[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2020,09(03):901-909.
LYU Jingliang,JIANG Xinjian,ZHANG Xinzhen,et al.A FESS UPS based on quasi-PR control method[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):901-909.
第一作者：呂靜亮（1988—），男，博士，從事飛輪儲能研究，E-mail：[email protected]；
通訊作者：姜新建，副教授，研究方向為飛輪儲能及電機拖動，E-mail：jiangxj@mail. tsinghua.edu.cn。
