基于准PR控制的飞轮储能UPS系统
UPS系统在电网故障情况下为电能质量敏感设备和重要场所提供了必要的电力供应。飞轮储能方式与蓄电池储能相比，具有效率高、维护成本低和无污染等优势。UPS系统按拓扑可分为在线双变换式、在线交互式和后备式三种，后备式与两种在线式相比具有结构简单、成本低和效率高的优势，但是响应速度较慢。本工作提出了一种基于准PR控制方法的飞轮储能UPS系统及其控制策略，该系统采用可控硅作为转换开关，采用准比例谐振控制与矢量控制相结合的控制策略，使该UPS克服传统后备式UPS响应慢的缺点，具有较高的动态和稳态供电性能。给出了该UPS系统工作机制、准比例谐振控制方法以及网侧和机侧矢量控制策略，通过仿真和实验证明了该系统具有良好的动态响应能力和较高的供电质量。
关键词 飞轮储能；UPS；准比例谐振控制；矢量控制
根据电力部门统计，在诸如暂态电能质量问题中，电压跌落发生频率最高，大多持续10 ms至1 min。在用户侧，云计算中心、半导体制造工厂和重要活动现场等场所对电力供应的稳定性要求比较高，电压跌落会造成严重损失。目前，不间断电源（uninterruptible power supply，UPS）技术是解决电压跌落问题最常用的方法之一，相比于动态电压调节技术和统一电能质量控制技术，UPS使用门槛低，也更加灵活。
文献[3]系统地梳理了蓄电池UPS的拓扑分类，即在线双变换式、在线交互式和后备式三种，并分析了各拓扑的运行机制以及动态性能。阀控式蓄电池具有能量密度大、技术成熟等优点，目前在UPS系统中应用最为普遍，但是其缺点在于充电时间长、平均无故障时间短、环境不友好等，而且使用寿命为仅5年左右。飞轮储能技术是一种清洁环保技术，借助于磁悬浮技术和电力电子技术的发展，飞轮储能单元具有效率高、维护成本低、可频繁充放电等优势，而且使用寿命可达20年，可较为理想地替换蓄电池。近几年国外的Vycon、Active Power、盾石磁能科技有限责任公司等公司开发的飞轮储能UPS已成功应用于轨道交通和微电网等领域，国内的高校和公司在飞轮储能领域也做了很多研究。然而，大部分的产品和研究主要集中于在线式拓扑，如Vycon公司VDC系列产品和文献采用背靠背变流器为负载供电，飞轮控制器的直流侧与背靠背变流器的直流母线连接，这种拓扑供电质量比较高，而可靠性和效率相对较低；Active Power公司开发的CLEAN SOURCE系列产品采用并联在线式拓扑，提高了可靠性和效率，但是结构相对复杂。
本工作在当前飞轮储能UPS拓扑及控制策略的研究基础上，提出了新型后备式飞轮储能UPS及其控制策略。该系统利用可控硅开关和准比例谐振（quasi-PR）控制方法为负载提供快速、高质量电力供应，简化了拓扑结构的同时提高了系统可靠性和效率。本工作给出了充、放电过程中双向变流器的控制策略以及正弦电压输出准PR设计方法。最后通过仿真和实验证明了该系统具有响应快、供电质量高的特点。
1 基于飞轮储能的UPS系统拓扑
1.1 在线双变换式
在线双变换式飞轮UPS由AC/DC变流器、DC/AC变流器、电机驱动变流器、飞轮电机及切换开关等几部分组成，其拓扑结构如图1所示。双变换式UPS中，DC/AC变流器时刻为负载提供高质量电力供应，而不受电网电压波动或掉电的影响，这是该拓扑的最显著优点。其缺点在于，DC/AC变流器时刻满负荷工作，而且AC/DC变流器在大部分时间下满负荷或者超负荷工作（飞轮充电阶段），致使UPS系统的效率和可靠性不会很高。另外，AC/DC变流器的整流变换还会向电网输送一部分电流谐波。
图1 在线双变换式飞轮储能UPS结构示意
1.2 在线交互式
在线交互式UPS由耦合变压器、AC/DC变流器、DC/AC变流器、电机驱动变流器和飞轮电机等组成，其拓扑结构如图2所示。在线交互式UPS系统可以认为是一种带储能的统一电能质量控制器（unified power quality conditioner），兼有串联补偿和并联补偿的功能。在电网电压正常或有少许跌落时，DC/AC变流器不工作，AC/DC变流器以低负荷状态运行；当电网跌落严重时，AC/DC变流器不工作，DC/AC变流器满负荷工作。这种拓扑在向负载提供高质量供电的同时，其效率比双变换式有所提高，但是其缺点在于所需设备较多，而且控制算法比较复杂。
图 2 在线交互式飞轮储能UPS结构示意
1.3 后备式UPS
后备式UPS由双向变流器、飞轮电机和两个开关等组成，其中双向变流器由背靠背的AC/DC和DC/AC变流器组成，此处的DC/AC也可以认为是在线式结构中的电机驱动器。后备式飞轮储能UPS的拓扑结构如图3所示。当电网电压正常时，电网通过切换开关K1为负载供电，同时为飞轮充电；当电压跌落至小于设定值时，K1断开，UPS为负载供电，直到电网恢复或者飞轮转速跌破下限。开关K2用于断开飞轮储能单元，以便安装和检修。
图 3 后备式飞轮储能UPS结构
当电网电压正常时，飞轮电机保持额定转速，称之为浮充。由于采用非接触磁悬浮轴承，功耗较小，此时双向变流器基本不工作；当UPS放电时变流器才会满负荷运行，因此这种拓扑的效率是最高，而且只需要两个变流器，而在线式拓扑需要3个。但是由于开关K1动作慢，加之飞轮输出电压控制不理想，后备式UPS投入时间约为十几毫秒至几十毫秒，响应速度不如在线式。另外，输出电压相位也不能保证与电网电压相位一致。
鉴于后备式飞轮UPS的缺点，本文提出的新型后备式飞轮UPS采取三项措施保障其快速响应能力：①电网电压快速检测，并根据负载允许最低供电阈值，建立施密特触发机制；②开关K采用可控硅，以缩短切换时间；③采用准PR控制方法快速控制输出电压，并配合放电控制策略为负载持续提供功率。新型UPS系统拓扑及控制机制如图4所示。飞轮电机采用外转子结构的永磁同步电机，以提高功率密度和运行效率。
图 4 UPS充放电机制
2 飞轮储能UPS控制策略
飞轮储能UPS控制策略包括充放电机制和充放电控制方法，前者是关于UPS系统对电网电压跌落以及恢复所做出的应对措施，后者是关于UPS系统在充放电过程中对双向变流器做出的控制。
2.1 充放电机制
UPS工作时，通常设定飞轮最高工作转速ωmax和最低工作转速ωmin，并时刻检测电网电压波动情况。若同时满足：①电压跌落至负载允许最低工作电压UL_min水平；②飞轮运行转速高于ωmin，则UPS开始放电。若电网电压恢复至高于UL_min某一值，UPS开始充电。若在放电期间转速降到ωmin时电网电压仍未恢复，UPS停止放电，保持最低速运转。
2.1.1 电网电压检测
在图4所示的电压检测环节中，采样电网电压，计算相角和幅值，并将幅值做滤波防抖和施密特触发处理。结合飞轮转速以及电压检测结果生成充放电指令，控制切换开关K和充放电控制策略。电压锁相角度实时输入至控制策略，以作为输出电压的起始相角。
在图4所示的电压检测环节中，采样电网电压、计算相角和幅值，并将幅值做滤波防抖和施密特触发处理。结合飞轮转速以及电压检测结果生成充放电指令，控制切换开关K和充放电控制策略。电压锁相角度实时输入至控制策略，以作为输出电压的起始相角。
相角、幅值计算：利用锁相环得到相角，对三相电压的平方和进行开方可得到电网电压幅值。
滤波防抖：设置窗口检测，窗口时间为百微秒级别，旨在滤除高频扰动电压，防止误触发。
施密特触发：设置施密特触发器，当负载电压跌落至UL_min时，触发放电指令；当负载电压恢复至高于UL_min某一水平时，设其为UL_min+Δu，触发充电指令，防止UPS在UL_min附近反复切换。
2.1.2 工作转速范围设定
在上电初始化时电机以恒转矩方式升速至ωmin，而后以恒功率方式充电至ωmax。放电时，UPS系统在网侧输出稳定电压为负载供电，输出功率取决于负载。本文采用id=0的控制方式在工作转速范围内进行充放电控制，不仅能够降低铜损，提高运行效率，而且容易实现。
飞轮ωmin设定条件有两个：一是ωmin要尽量小，以尽可能多的释放能量；二是UPS输出有功功率要满足负载有功需求。
设负载有功功率为PL，电机电磁转矩为Te，则有
(1)
式中，Pn为电机极对数；ψfm为转子磁链幅值；iq为交轴电流。设机侧变流器额定额定电流为In，则有
(2)
综合和(2)，可得最小工作转速为
(3)
电机升速时，最高转速设定条件有两个：一是电机端电压等于机侧变流器最大线性调制输出的线电压，二是电机输出有功功率满足负载有功需求。
在id=0控制中，机端电压可表示为
(4)
式中，Ra为相绕组电阻；Lq为交轴绕组自感。
本文采用空间矢量调制方法，变流器输出线电压幅值最大为母线电压Udc。因此可建立方程
(5)
根据输出功率条件，即在最高转速时电机输出有功功率等于负载有功功率，可建立方程
(6)
联立和(6)，可得
(7)
最大工作转速取两个解中较大值，其中
(8)
2.2 充电控制
在电网电压正常时，UPS充电或者待机，飞轮处于升速或浮充状态，此时机侧变流器用于控制电机转速，从某一速度升高至ωmax，所需有功功率从直流母线获取；网侧变流器用于从电网获取有功功率来稳定母线电压。机侧控制和网侧控制回路均为双闭环，控制框图如图5所示。
（a）机侧控制
（b）网侧控制
图5 充电控制框图
在机侧控制中，采用id=0的控制方式，电流iq决定了电机的运行状态。在充电时，电机给定转速为ω_ref = ωmax。为了实现恒转矩与恒功率控制，在转速控制器输出侧对电流进行限幅。恒转矩升速时，以机侧额定电流进行充电；恒功率升速时，以负载最大有功功率进行充电，因此限幅函数为
(9)
在网侧控制中，将并网电流进行坐标变换，得到d-q轴下的有功和无功分量，母线电压控制器输出作为有功电流给定，从电网吸收有功功率为飞轮升速。在充电过程中，为使UPS系统功率因数为1，令无功电流给定为Iq_ref = 0。2.3 放电控制
当电网电压跌落至UL_min时，UPS系统代替电网为负载供电。网侧变流器在负载电压跌落前的相角基础上输出三相平衡电压，机侧变流器用于稳定母线电压，控制回路如图6所示。
（a）机侧控制
（b）网侧控制
图6 放电控制框图
在机侧控制中，设置母线电压控制为外环，内环是d-q轴电流控制，同样采用id=0的控制方式。在网侧输出正弦电压控制中，不太适合采用PI控制方法，原因在于：若直接在a-b-c坐标系下进行跟踪控制，则会存在跟踪静差；若将电压变换到d-q坐标系下进行控制，若负载出现三相不平衡，则会产生负序电压分量，此时还需要将正负序分量进行解耦并做单独控制，计算比较复杂。
PR控制方法在指定频率处具有无穷大增益，在其他频域增益较小，因此可以完全无静差地跟踪指定正弦电压，但是无穷大的增益会产生系统不稳定问题。准PR方法在指定频率处的有较大增益，足够实现较小的静态误差跟踪。因此，本文提出在a-b-c坐标系下采用准PR控制方法实现正弦电压输出，其传递函数为
(10)
式中，Kp为比例增益；ωc为控制器带宽；Kr为谐振频率处增益；ω0为谐振频率，此处为50 Hz。为使准PR控制器发挥良好的跟踪性能，需要合理调节前三个参数：Kp用以提高快速性能，在断电瞬间迅速做出反应；ωc用以限制频率调节范围，此处设置为40～50 Hz；Kr用以提高快速性能以及稳态性能，其越大稳态误差越小，但同时稳定性变差。本文针对输出工频电压控制，设计准PR控制器参数分别为：Kp=9，ωc=1，Kr=500，传递函数的波特图如图7所示。从幅频特性看，在40～60 Hz频域内，系统增益较大，在50 Hz处达到极点，在此频域范围外，增益比较小，这有利于减小稳态误差和提高抗干扰能力。
图7 准PR控制传递函数波特图
3 仿真分析
利用Simulink搭建后备式飞轮储能UPS系统模型，电网电压跌落后，UPS分别为线性平衡负载、线性不平衡负载以及非线性负载供电，以验证UPS快速响应能力以及带载能力。仿真中，准PR控制采用上一节中设计的参数，电网和负载参数如表1所示，仿真流程如表2所示。
表1 电网与负载参数
表2 仿真流程
3.1 线性平衡负载仿真
负载为三相对称电阻，均为0.48 Ω，功率为300 kW，仿真结果如图8所示。在电网电压跌落后，负载电压在6 ms内恢复到了跌落前的0.9 p.u.，而且前后的相位保持不变；对UPS输出电压进行谐波分析，如图8(c)，THD值为1.73%。以上结果证明了准PR方法在UPS输出电压暂态性和稳态性方面的良好作用。
图8 UPS为线性平衡负载供电仿真结果
仿真过程中，飞轮工作在设定转速范围内，并以恒功率的方式进行充电和放电；电机电流正弦且光滑，谐波较小；母线电压保持稳定，最大波动幅值小于3%。这验证了充放电控制方法的有效性。
3.2 不平衡线性负载和非线性负载仿真
为了验证本文提出的UPS能够适用于多种负载场合，将上一节中的平衡负载先后更换为不平衡负载和非线性负载，功率均为200 kW。
图9(a)和(c)为不平衡负载下的仿真结果，三相平衡电阻在t=0.15时刻发生跳变，c相阻值突增为1.44 Ω，a、b相阻值保持0.48 Ω不变。从结果可以看出，UPS输出功率产生波动，电流不平衡，但输出电压保持三相对称，a、b、c三相电压有效值分别为218 V、218 V和219 V，THD为1.06%，这说明UPS具有良好的带不平衡负载能力。
图 9 UPS分别为不平衡线性负载和非线性负载供电仿真结果
图9(b)和(d)为非线性负载下的仿真结果，负载为三相不控整流电路，其直流侧接1.46 Ω电阻。从结果可以看出，UPS输出功率和电流波动频率高且不正弦，这是由负载非线性造成的；负载电压在电网供电与UPS供电两种情况下波形基本没有差别，UPS输出电压波形THD为6.43%，谐波主要集中在基频的5次和7次，这说明UPS具有良好的带非线性负载能力。
4 实验验证
为了进一步验证本文提出的UPS具有快速响应能力以及良好的电压输出能力，采用额定容量300 kW的飞轮储能UPS进行实验，其参数如表3所示。由于条件限制，本次实验只针对三相平衡负载。
表3 实验样机参数
4.1 以额定功率放电实验
由于电源功率限制，电网先为UPS充电，然后再投入负载。UPS工作转速为3000～6000 r/min，在3000 r/min以下以恒转矩升速，在工作转速范围以100 kW恒功率充电，以300 kW额定功率放电。负载为两个额定功率分别是200 kW和100 kW的电阻箱，分两次投入。
电网为300 kW负载稳定供电之后，手动拉闸以模拟断电工况，随后UPS立即为负载供电，实验结果如图10所示。由于飞轮腔体未做真空处理，UPS待机浮充时空气损耗约为20 kW。
图10 UPS为300 kW负载供电实验结果
从实验结果可以看出，UPS在电网断电以后迅速为负载供电，经过15 ms负载电压恢复至原来的0.9 p.u.，其相位和幅值基本没有跳变，THD值为1.74%，谐波主要集中在低次频段。UPS放电功率为289 kW，持续时间约为20 s，在这期间，母线电压波动很小，飞轮转速比较平稳。以上结果表明UPS具有良好的放电性能，证明了准PR方法在后备式UPS输出正弦电压控制中的有效性。
4.2 UPS频繁充放电实验
在UPS充满电后，频繁手动拉闸与合闸电网，以检验UPS应对电网连续故障的性能。实验中设定UPS充电功率为85 kW，负载功率为50 kW，每次电网恢复到额定值后，经过2.5 s飞轮开始充电。实验结果如图11所示。由于控制柜转换开关处有漏压，导致图11(a)中网侧电压拉闸后电压不为0。
图11 UPS为频繁充放电实验结果
从图11(a)看出，UPS能够及时应对电网频繁故障，负载电压基本不受电网断电影响。由于负载功率降低至50 kW，负载电压恢复时间缩短至8 ms。以上结果表明UPS具有良好的快速响应性能，进一步证明了准PR方法的有效性以及飞轮充放电控制策略的有效性。
3 结 论
飞轮储能较蓄电池储能具有效率高、维护成本低和无污染等优势，在UPS中应用前景广泛。本文提出了一种基于准PR控制方法的飞轮储能UPS系统，该系统利用可控硅作为电网与UPS供电的转换开关，将准PR输出电压控制与网侧和机侧的飞轮矢量控制相结合，保留了传统后备式UPS结构简单、效率高的优点，克服了其响应慢的缺点。仿真和实验结果表明，基于准PR控制的UPS系统具有良好的暂态和稳态性能。
引用本文： 吕静亮,姜新建,张信真等.基于准PR控制的飞轮储能UPS系统[J].储能科学与技术,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：吕静亮（1988—），男，博士，从事飞轮储能研究，E-mail：lvjingliang0310@163.com；
通讯作者：姜新建，副教授，研究方向为飞轮储能及电机拖动，E-mail：jiangxj@mail. tsinghua.edu.cn。
