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💥第一部分——内容介绍

摘要

飞轮储能系统因其功率密度高、响应速度快、循环寿命长等优势，在电力系统调频与功率平抑领域具有广阔应用前景。本文针对飞轮储能系统并网运行场景，研究了机侧变流器与网侧变流器的协调控制策略。机侧变流器采用基于永磁同步电机转子磁场定向的PQ控制，通过功率外环与电流内环的双闭环结构，实现飞轮充放电功率的快速跟踪，功率指令符号的变化即可自然完成充放电模式切换，无需改变控制结构。网侧变流器采用直流母线电压外环与电流内环的双闭环控制，维持直流母线电压恒定并保障系统功率平衡。仿真结果表明，飞轮储能系统能够快速跟随功率指令变化，运行过程中直流母线电压保持稳定，并网电流波形良好，验证了所提控制策略的有效性。

关键词：飞轮储能；永磁同步电机；PQ控制；双闭环控制；直流母线电压

1 引言

随着可再生能源渗透率的持续提升，电力系统对快速响应型储能技术的需求日益迫切。飞轮储能作为一种物理储能方式，通过电动机驱动飞轮旋转将电能转化为动能储存，在需要时由飞轮拖动电机发电将动能回馈电网，具有功率密度大、充放电转换快、无化学污染、使用寿命长等突出优点，尤其适合承担调频、功率平滑等高频次、短时长的应用场景。

飞轮储能系统通常采用永磁同步电机（PMSM）作为机电能量转换核心，通过背靠背双PWM变流器实现与电网的功率交互。机侧变流器负责控制飞轮电机的转矩与转速，进而决定系统的充放电功率；网侧变流器则负责维持直流母线电压稳定，并控制并网电流的质量。两者的协调控制是保证飞轮储能系统安全、高效运行的关键。

传统飞轮储能控制策略中，充电阶段常采用速度外环控制，放电阶段切换为电压或功率控制，模式切换过程可能带来控制结构的改变与暂态冲击。针对这一问题，本文研究一种基于转子磁场定向的机侧PQ控制策略，以功率指令为核心变量，通过指令符号的变化自然实现充放电过渡，避免控制模式的频繁切换。网侧变流器则采用直流母线电压外环与电流内环的双闭环结构，确保母线电压在功率指令快速变化时仍能保持稳定。

2 飞轮储能系统结构与运行原理

飞轮储能系统的典型结构由飞轮本体、永磁同步电机、机侧变流器、直流母线电容、网侧变流器及并网滤波器等部分组成。飞轮与PMSM转子同轴连接，电机定子绕组经机侧变流器接入直流母线，直流母线再通过网侧变流器与电网相连。

系统运行包含三个基本状态：充电状态下，网侧变流器从电网吸收电能，经直流母线由机侧变流器驱动电机加速，飞轮转速上升，能量以动能形式储存；放电状态下，飞轮减速，电机作为发电机运行，机侧变流器将电机输出的交流电整流至直流母线，网侧变流器再将直流电逆变为交流电馈入电网；待机状态下，飞轮维持恒定转速，系统与电网之间仅有少量损耗交换。

飞轮储存的动能与转速的平方成正比。在转速运行范围内，飞轮可吸收或释放的功率取决于电机转矩，而转矩指令的响应速度直接影响系统对功率指令的跟踪性能。因此，机侧变流器需要具备快速的电流控制能力，以实现转矩的瞬时调节。

3 机侧变流器PQ控制策略

3.1 转子磁场定向矢量控制

机侧变流器的控制对象为永磁同步电机。采用转子磁场定向的矢量控制方式，将三相定子电流经坐标变换至以转子磁链方向为d轴的同步旋转坐标系。对于表贴式永磁同步电机，d轴与q轴电感相等，电磁转矩近似与q轴电流成正比。这一特性为通过电流控制实现功率控制提供了便利：控制q轴电流即可直接控制电机转矩，进而控制飞轮储能的充放电功率。

转子磁场定向需要获取准确的转子位置角，通常由位置传感器或无位置算法提供。坐标变换将定子电流分解为励磁分量（d轴）与转矩分量（q轴），实现对转矩与磁场的解耦控制。

3.2 功率外环与电流内环双闭环结构

PQ控制的核心思想是以有功功率指令与无功功率指令作为外环给定量。对于飞轮储能应用，有功功率指令决定充放电功率的大小与方向，无功功率指令通常设为零以实现单位功率因数运行。

功率外环根据功率指令与反馈功率的偏差，经控制器生成q轴电流参考值。由于表贴式PMSM的转矩与q轴电流成线性关系，功率指令到电流参考值的转换关系明确，外环控制器参数易于整定。d轴电流参考值通常设为零（或根据弱磁需求设定），以实现最小铜耗控制。

电流内环接收外环输出的电流参考值，与反馈电流比较后经控制器生成电压指令。为消除d轴与q轴之间的交叉耦合影响，控制中引入前馈补偿项，使电流环能够独立、快速地跟踪参考值。内环带宽通常设计得远高于外环，以保证外环指令变化时内环能够无延迟地响应。

3.3 充放电模式的无缝切换机制

该控制策略的显著优势在于充放电模式的切换机制。当功率指令为正时，飞轮储能系统向电网输出功率，电机处于发电状态，转矩方向与旋转方向相反；当功率指令为负时，系统从电网吸收功率，电机处于电动状态，转矩方向与旋转方向相同。无论指令符号如何变化，控制结构始终保持功率外环与电流内环的双闭环形式，仅指令数值的符号发生改变。

这一特性避免了传统控制方案中充电阶段采用转速外环、放电阶段切换为功率或电压外环所导致的结构变化与切换暂态。功率指令的阶跃变化仅表现为内环电流参考值的跳变，电流环凭借其高带宽快速跟踪新指令，实现功率的瞬时响应。

4 网侧变流器恒压双闭环控制策略

4.1 直流母线电压外环设计

网侧变流器的首要控制目标是维持直流母线电压恒定。直流母线是机侧与网侧能量交换的枢纽：当机侧功率与网侧功率不平衡时，母线电容充放电将导致电压波动；若电压失控，轻则影响系统效率与并网电流质量，重则触发保护动作。

直流母线电压外环以电压参考值与实际母线电压的偏差为输入，经控制器生成有功电流参考值。该控制回路的物理含义是：当母线电压低于参考值，说明系统功率缺额，网侧变流器应增加从电网吸收的有功电流（或减少输出），以补充能量；反之则减少吸收。通过这一闭环调节，母线电压被稳定在给定值附近。

外环控制器带宽通常设计较低（数十赫兹量级），以避免与电流内环及机侧功率控制产生动态耦合。同时，为改善功率指令突变时的母线电压动态响应，可引入功率前馈或负载电流前馈，减轻电压环的调节负担。

4.2 电流内环与并网电流控制

电流内环接收电压外环输出的有功电流参考值以及设定的无功电流参考值（通常为零），在同步旋转坐标系下对并网电流的d轴与q轴分量进行控制。内环控制器输出经坐标反变换后生成调制信号，驱动网侧变流器的功率开关。

电流内环的设计需兼顾跟踪速度与谐波抑制能力。较高的带宽可以加快电流对参考值的响应，但过高的带宽可能放大开关频率附近的谐波。实际参数整定需在动态性能与稳态电能质量之间取得平衡。网侧滤波器（通常为L型或LCL型）的引入可有效衰减开关频率及其边带谐波，配合电流内环的增益设计，可保证并网电流的总谐波畸变率满足并网标准要求。

4.3 功率平衡与母线电压稳定性

从能量守恒的角度，直流母线电压稳定的本质是功率平衡：机侧功率与网侧功率的差值被母线电容吸收或释放。网侧变流器的电压外环实际上是在通过调节并网电流来间接控制网侧功率，使之跟踪机侧功率的变化。

当飞轮储能系统机侧功率指令发生阶跃变化时，机侧变流器迅速调整电机转矩，机侧功率随之变化。此时母线电压出现瞬时偏差，电压外环检测到该偏差后调整有功电流参考值，网侧功率随之改变，最终在新的功率水平上恢复平衡。整个过程的动态性能取决于电压外环的带宽与电流内环的响应速度。若电压环带宽过低，功率突变时母线电压波动幅度较大；若带宽过高，则可能与机侧功率控制产生交互振荡。工程中通常将电压环带宽设计为电流环带宽的十分之一至五分之一。

5 仿真结果与分析

5.1 功率指令跟踪性能

为验证机侧PQ控制的有效性，在仿真中设置功率指令在放电与充电之间进行阶跃切换。初始阶段飞轮系统以额定功率放电，在某一时刻功率指令突变为负值，系统转入充电状态，经过一段时间后再次切换回放电。

仿真结果表明，系统有功功率能够快速跟踪功率指令的变化。指令阶跃后，实际功率在毫秒级时间内完成过渡，无明显超调或振荡。功率指令符号切换时，充放电状态的转换在电流内环的控制周期内即告完成，过渡过程平滑，未出现转矩冲击或转速异常波动。这一结果验证了PQ控制策略在避免模式切换暂态方面的有效性。

5.2 直流母线电压动态特性

在功率指令频繁切换的工况下，直流母线电压的稳定性是衡量网侧控制性能的关键指标。仿真中记录了功率指令阶跃时刻的母线电压波形。

结果显示，在功率指令突变的瞬间，直流母线电压出现短暂的偏差：功率指令向放电方向增加时，机侧功率瞬时增大，母线电容放电，电压略有下降；功率指令向充电方向变化时，机侧功率减小或反向，母线电压略有上升。无论上升还是下降，电压偏差幅度均较小，且在数十毫秒内恢复至参考值附近。恢复时间与电压外环参数直接相关，通过合理整定可实现动态响应速度与稳定裕度的兼顾。整个仿真过程中，直流母线电压始终维持在允许偏差范围内，未出现持续振荡或发散现象，表明网侧恒压双闭环控制能够有效保障系统功率平衡。

5.3 并网电流波形质量

并网电流的质量直接关系到飞轮储能系统对电网的电能质量影响。在稳定运行状态下，并网电流应具有良好的正弦度且与电网电压保持适当的相位关系。

仿真结果显示，在放电工况下，并网电流与电网电压相位基本一致，系统以单位功率因数向电网输送有功功率；在充电工况下，并网电流相位与电网电压相反，系统从电网吸收有功功率。电流波形正弦度良好，谐波含量较低。在功率指令阶跃的动态过程中，并网电流能够快速跟踪参考值变化，过渡过程结束后迅速恢复稳态波形，未出现明显的畸变或振荡。LCL滤波器的采用进一步衰减了开关频率附近的谐波分量，保证了并网电流的频谱质量满足相关标准要求。

6 结论

本文研究了飞轮储能系统机侧变流器PQ控制与网侧变流器恒压双闭环控制的协调策略。机侧控制以功率指令为外环给定量、电流为内环控制量，利用表贴式PMSM转矩与q轴电流的线性关系，实现了充放电功率的快速跟踪与模式的无缝切换，避免了传统方案中控制结构变更带来的暂态问题。网侧控制通过直流母线电压外环与并网电流内环的配合，在机侧功率频繁波动的条件下维持了母线电压稳定，同时保障了并网电流的波形质量。

仿真结果表明，功率指令阶跃变化时系统功率响应迅速，充放电切换平滑；直流母线电压在功率波动过程中偏差小、恢复快；并网电流正弦度好、谐波低。所提控制策略结构清晰、运行可靠，为飞轮储能系统的并网控制提供了一种可行的技术方案。

📚第二部分——运行结果

飞轮储能系统机侧PQ控制+网侧变流器恒压双闭环控制

🎉第三部分——参考文献

文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。(文章内容仅供参考，具体效果以运行结果为准)

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