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飞轮储能系统具有瞬时功率大、储能密度高、寿命长、效率高、环境友好等优点，广泛应用于城轨交通制动能量回收、电力系统调峰、航空航天、电磁弹射等领域。海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室研究团队的李忠瑞、聂子玲、艾胜、许杰、曹美禾，在年第6期《电工技术学报》上撰文，以多相多电平飞轮储能系统为研究对象，在分析传统充电控制策略的基础上，提出了一种基于非线性扰动观测器的优化充电控制策略。

研究背景

飞轮储能技术是一种前景广阔且具有重大社会意义和重要科研价值的储能技术。随着飞轮储能技术在城轨交通制动能量回收、电力系统调峰、航空航天、电磁弹射等领域的广泛应用，飞轮储能系统的高效运行也对飞轮储能系统的充电控制提出了更高的要求。

论文所解决的问题及意义

针对飞轮储能系统的充电控制问题，传统的充电控制策略通常采用转速-电流双闭环控制，充电效率低。考虑到飞轮储能系统的能量交换关系，可以以飞轮动能为外环控制量，采用能量-电流双闭环控制，在实现飞轮电机能量控制的同时维持转速的稳定。同时，为了保证飞轮储能系统的稳定运行，设计工作模式实现恒转矩控制至恒功率控制的快速稳定切换。

另外，飞轮储能系统中的机械或电磁参数变化、负载扰动等非匹配扰动，会对飞轮电机损耗功率和负载功率造成不确定性影响，造成充电功率下降。

论文方法及创新点

1.一种优化充电控制策略

根据FESS充电过程的工作特性要求，提出了一种优化充电控制策略，如图1所示。外环采用转速环和能量环相结合的方式，转速环实现恒转矩控制，能量环实现恒功率控制；引入过渡控制环节实现恒转矩控制和恒功率控制的平滑切换。进一步，将充电过程分为恒转矩区、过渡区、恒功率区、保持区四个阶段。

首先，采用恒转矩控制将电机起动到最小转速；其次，综合切换的快速性和稳定性，在过渡区实现转速环至能量环的平滑切换；然后，恒功率控制飞轮达到最大储能；最后，以小功率维持飞轮运行。

图1优化充电控制策略及其性能分析

2.控制器设计

为抑制电机损耗功率和负载功率对恒功率控制阶段的影响，设计了非线性扰动观测器对总损耗功率进行估计，并进行前馈补偿。本文所提出的基于非线性扰动观测器的优化充电控制策略如图2所示。

图2所提充电控制策略框图

.实验验证

为了验证所提充电控制策略的可行性和实用性，搭建了如图所示的多相多电平飞轮储能系统实验平台，进行了充电控制实验研究。

图实验平台结论

本文研究和探讨了飞轮储能系统的充电控制问题，以多相多电平飞轮储能系统为研究对象，分析传统充电控制策略的不足，提出了一种基于非线性扰动观测器的优化充电控制策略，得到如下结论：

1）验证了飞轮储能系统外环采用转速控制和能量控制相结合的方式的可行性，转速环实现恒转矩控制，能量环实现恒功率控制。

2）引入过渡控制环节实现恒转矩控制至恒功率控制的平滑切换，相比传统充电控制策略，设计的恒转矩区-过渡区-恒功率区-保持区的工作模式避免了转矩的跳变。

）利用非线性扰动观测器估计电机损耗功率和负载功率并进行前馈补偿控制，提高了系统的抗干扰能力和动态性能，并进一步降低了充电时间。

团队介绍

李忠瑞，博士研究生，研究方向为大容量飞轮储能系统控制技术。

聂子玲，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。

艾胜，博士，副研究员，硕士生导师,研究方向为电力电子与电力传动。

许杰，博士，副研究员，硕士生导师,研究方向为电力电子与电力传动。

曹美禾，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

本文编自年第6期《电工技术学报》，论文标题为“一种基于非线性扰动观测器的飞轮储能系统优化充电控制策略”。本工作得到国家自然科学基金资助项目的支持。

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