摘要：设计了一种用于UPS的飞轮储能系统，简述了其系统结构，研究了高速飞轮充放电的控制策略。飞轮储能系统主要由高性能DSP、功率智能模块IPM组成控制系统。以PWM整流和PWM逆变电路组成实时控制充电主电路，采用空间电压矢量脉宽调制的控制方案；放电主电路采用PWM整流、直流升降压电路组成。充电时采用速度一电流一电压三闭环反馈控制，放电时采用电压一电流双闭环反馈控制。对飞轮电池充放电过程进行了仿真，仿真结果表明该系统具有良好稳态性能和动态调节特性。

第1页:飞轮电池控制系统设计与控制策略 第2页:飞轮电池充电系统仿真 第3页:飞轮电池放电系统仿真

　　飞轮储能系统又称飞轮电池或机电电池，它是利用高速旋转的惯性轮来储存能量的装置。在文中具体的比较了可能用在飞轮电池中作为集成电机的五种电机，由此可以知道正弦波交流永磁同步电机是首选对象。本文中系统所选用的也为永磁同电机。
　　
　　1.飞轮电池控制系统设计
　　
　　本系统中整流、逆变均采用智能功率模块(Intelligent Power Module，简称为IPM)来实现。该系统基本工作原理可简化为如图1，将飞轮电池的“充电”和“放电”分别采用两套系统来实现，PWM整流器l和PWM逆变器的功能是实现飞轮电池“充电”，PWM整流器2和直流变换电路的功能是实现飞轮电池“放电”。
　　
　　2.飞轮电池系统控制策略
　　
　　由于飞轮电池的充放电控制过程中都采用了SVPWM控制。所以下面先对SVPWM原理简要说明。
　　
　　2.1飞轮电池充电时控制过程
　　
　　如图1飞轮电池充电电路所示，由PWM整流器1和PWM逆变器组成，整流、逆变都用SVPWM控制。

图1 基于DSP集成调速系统的基本原理图

　　1)整流控制过程。
　　
　　三相电压型PWM整流器矢量解耦控制如图2，解耦控制如图2虚线框所示。它采用直流电压外环和交流电流内环的双闭环控制方式。

图2整流器控制原理简图

　　2)逆变控制过程。
　　
　　一般将逆变器和PMSM放在一起研究电机得矢量控制，本文选用i_d=0的矢量控制，在这种控制方式下，从电机端口看PMSM相当于一台他励直流电机，定子电流只有交轴分量i_q，励磁磁链等于转子永磁极产生的磁链且永恒不变，等效交轴绕组中的励磁电势与转子角速度成正比。通过i_d=0的控制实现空间电压矢量控制过程如图3所示。

图3 PMSM的矢量控制结构框图

　　图3的PMSM矢量控制过程可以总结为以下四点：
　　
　　1)根据磁势和功率不变的原则将三相静止坐标系A、B、C变换到两相静止坐标系，即Clarke变换，将三相电流转变到静止坐标系；再通过旋转变换将二相静止坐标变成二相旋转坐标，即Park变换。
　　2)通过控制器对其速度环、电流环进行控制。
　　3)把控制量u_d、u_q。通过Park逆变换变换到坐标系上得到u。和即。
　　4)根据u_a和u_β值的大小以及SVPWM矢量合成方法实现矢量控制量输出，达到矢量控制PMSM的目的。
　　
　　2.2飞轮电池放电时控制过程
　　
　　本系统的飞轮电池放电电路主要由SVPWM整流器和直流变换电路组成。飞轮电池放电时SVPWM整流器矢量解耦控制结构如图4。
　　

图4飞轮电池放电时整流器矢量解耦控制框图