磁軸承在飛輪儲能中的應用研究

南京師范大學資產(chǎn)經(jīng)營有限公司 張松

1 前言

能源問題是21世紀人類所面臨的重大課題之一，在不斷開發(fā)新能源的同時，為了更有效地利用現(xiàn)有的能源就需要發(fā)展先進節(jié)能技術和儲能技術，需要儲能環(huán)節(jié)來進行調(diào)節(jié)。飛輪儲能是一種具有廣泛應用前景的新型機械儲能技術，相對于傳統(tǒng)的儲能方法如化學電池等，具有高功率，高效率,無污染，適用廣，無噪聲，長壽命，維護簡單，可實現(xiàn)連續(xù)工作等優(yōu)點[1-9]。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)工作原理圖

2 飛輪儲能的工作原理

飛輪儲能作為一種新型儲能技術，是以動能的形式把能量儲存起來，從而完成電能到機械能轉(zhuǎn)換的儲能過程。飛輪儲能由工頻電網(wǎng)提供電能，經(jīng)功率電子變換器，驅(qū)動電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，圖1是飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理圖。在飛輪儲能系統(tǒng)中，電機轉(zhuǎn)子與飛輪固定連接在一起。電機通過維持一個恒定的轉(zhuǎn)速存儲動能。當需要給負載供電時，高速電機受到相應的釋放能量的控制信號，此時電機作為發(fā)電機，經(jīng)功率電子變換器輸出適用于負載的電流與電壓，從而完成機械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。由此，整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出過程。

飛輪旋轉(zhuǎn)時的動能E表示為：

式中， E—儲存的能量， I—飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，ω—飛輪轉(zhuǎn)動角速度。由此可見，為提高飛輪的儲能量，有兩個途徑：一是增加飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，二是提高飛輪轉(zhuǎn)速。在固定的應用場合，可以通過增加飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量增加飛輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動能；在有嚴格要求的場合，可以通過提高飛輪的轉(zhuǎn)速增加飛輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動能。

3 磁軸承在飛輪儲能中的應用

飛輪儲能的支撐領域如圖2所示，其發(fā)展主要依賴五大分支，分別為①飛輪本體材料發(fā)展；②集成驅(qū)動的電動機—發(fā)電機； ③磁懸浮支撐軸承系統(tǒng)；④電力電子轉(zhuǎn)換裝置及控制系統(tǒng)的發(fā)展； ⑤接口及輔助裝置的投入。

本文研究其中一個分支（磁懸浮支撐軸承，又稱磁軸承）在飛輪儲能中的應用：

3.1 磁軸承的優(yōu)點

與其它軸承相比，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在無機械接觸和特性可控制兩個方面[1-2]。

3.1.1 無機械接觸方面的優(yōu)點

1）無機械接觸，因而無機械磨損，其壽命取決于控制電路元器件的壽命，而電路元器件的壽命一般較長且可以隨時更換，因此磁軸承比接觸式軸承壽命長得多；2）無須潤滑，因此不會因潤滑劑而污染環(huán)境，因此特別適合于醫(yī)療環(huán)境、真空技術和無菌車間等超凈環(huán)境使用；3）可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速只取決于構成轉(zhuǎn)子材料在旋轉(zhuǎn)時的強度限制。

圖2

3.2.2 特性可控制方面的優(yōu)點

1）磁軸承的剛度和阻尼是隨著磁軸承的工作環(huán)境、運行狀態(tài)機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的，可通過采用不同的控制規(guī)律對其動態(tài)性能進行控制和優(yōu)化。2）轉(zhuǎn)子的控制精度主要受控制環(huán)節(jié)中信號的測量精度的影響，受其它因素影響很??；

3.2 磁軸承的分類

1）磁軸承按結構分為：軸向型，徑向型，徑向止推型。2）磁軸承按作用分為：吸引型和排斥型。3）磁軸承按接觸方式分為：完全非接觸型和部分接觸型。4）磁軸承按電磁鐵類型分為：超導式，交流控制式，直流控制式。5）磁軸承按產(chǎn)生磁場不同方法分為：被動磁軸承、主動磁軸承和混合型磁軸承。

(a) 被動磁軸承

被動磁軸承的磁場通常是不可控的，目前被動磁軸承主要有兩種：一種是高溫超導磁軸承，一種是無源磁軸承（永磁軸承）。傳統(tǒng)的超導體無法滿足磁軸承的要求, 但是自從高溫超導體 Y (釔)系發(fā)現(xiàn)以來, 制造高溫超導磁軸承成為可能。

(b) 主動磁軸承和混合磁軸承

主動磁軸承系統(tǒng)主要是指電磁軸承，混合磁軸承主要指永磁體和電磁軸承的混合磁軸承。電磁軸承系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子、磁軸承、傳感器、控制系統(tǒng)、功率放大器組合而成。傳感器用于測量轉(zhuǎn)子的位移變化信號，將位移信號反饋到控制器中, 控制器計算后, 輸出控制信號, 控制信號再經(jīng)過功率放大器的放大, 輸出控制電流到磁軸承, 產(chǎn)生電磁力, 從而保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮?；旌洗泡S承的靜態(tài)偏置磁通由永磁體提供，控制磁通仍然由控制線圈提供，轉(zhuǎn)子在平衡位置時不需要控制電流，僅靠永磁體產(chǎn)生的磁通使轉(zhuǎn)子懸浮于平衡位置，大大減小了系統(tǒng)的功耗和磁懸浮軸承的重量[5-7]。

3.3 磁軸承—飛輪儲能系統(tǒng)構成

飛輪轉(zhuǎn)子的 6個剛體自由度中，有一個自由度為繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的自由度，因此不需要磁懸浮系統(tǒng)控制，其余5個自由度需要由磁懸浮系統(tǒng)所控制。飛輪儲能磁懸浮系統(tǒng)結構有 8種拓撲結構可供選擇，其中五個自由度均由被動永磁軸承組成的磁懸浮系統(tǒng)是最簡單的一種拓撲結構，五軸主動控制的電磁軸承磁懸浮系統(tǒng)是最為復雜的一種拓撲結構。但是，由Earnshow 定理可知，8種拓撲結構之中最簡單的拓撲結構，即僅由永磁軸承組成的磁懸浮系統(tǒng)是不可能獲得穩(wěn)定平衡的，至少會留下一個自由度是不穩(wěn)定的，由此至少在一個方向上必須采用機械軸承或主動式電磁軸承才能使之穩(wěn)定。而8種拓撲結構之中最復雜的拓撲結構，即五軸控制的電磁軸承系統(tǒng)通常需要10套軸承線圈、提供 10個傳感器和 10通道控制系統(tǒng)，導致整個系統(tǒng)結構較為復雜、體積較大和成本較高。一個較為簡單的方案是采用單軸主動控制的永磁軸承與電磁軸承混合磁懸浮系統(tǒng)結構。

3.4 磁軸承—飛輪儲能系統(tǒng)的控制方法研究

1）最優(yōu)控制方法：對于陀螺效應嚴重的磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子，采用獨立控制的方法恐怕難以滿足控制要求，因此必須采用集中控制對各個自由度進行控制，其中LQR方法即為一種有效的集中控制的方法。為此 Larsonneur 和 Herzog通過引入“結構預定義，研究了一種新的最優(yōu)控制方法，即結構預定義最優(yōu)控制方法，所使用的優(yōu)化方法與普通 LQG方法很相似，只不過事先對控制器結構施加了約束，采用分散控制結構。采用此新控制方法，不僅可以降低控制器的階數(shù)，還可以避免出現(xiàn)觀測不精確的問題。最優(yōu)控制的不足是當系統(tǒng)內(nèi)部特性或外部擾動變化很大時，系統(tǒng)的性能也許會由于被控對象建立的不夠準確而受到影響，甚至會導致系統(tǒng)失穩(wěn)。

2）智能控制方法：智能控制方法是指那些基于在線學習和辨識的控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、預測控制等，此類方法的特點是被控系統(tǒng)的數(shù)學模型不需要被精確確定，可當作“黑箱”來處理，不需要任何有關的先驗知識，控制器可根據(jù)輸出響應來學習系統(tǒng)特性并根據(jù)需要對控制參數(shù)實施在線調(diào)節(jié)。這些方法的優(yōu)點是能夠克服電磁軸承非線性特性給系統(tǒng)造成的影響，但這些方法由于算法及其復雜，在工程中未得到普遍應用。而且大多數(shù)情況下，磁軸承均在平衡點附近的線性區(qū)內(nèi)穩(wěn)定工作，因此與傳統(tǒng)的線性控制方法相比，智能控制方法并未體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

3）魯棒控制方法：魯棒控制是通過選擇反饋控制律使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，并且對模型攝動及外界擾動具有一定的抵抗力的一種控制方法。目前，H∞控制和變結構控制是魯棒控制中主流的兩種控制方法。H∞控制的基本原理是以外界擾動與系統(tǒng)輸出之間傳遞函數(shù)的 H∞范數(shù)作為度量工具,其控制目標力求使受擾動系統(tǒng)最“壞”情況的輸出誤差達到最小。變結構控制是一種非線性控制方法,其基本原理為：尋求一個或幾個切換函數(shù),當系統(tǒng)狀態(tài)達到切換函數(shù)時,系統(tǒng)的控制由一種結構轉(zhuǎn)換成另一種結構。研究結果表明，變結構控制器和 H∞控制器對系統(tǒng)模型攝動(包括轉(zhuǎn)子和電磁執(zhí)行器中的參數(shù)變化)及外界擾動具有良好的魯棒性。

4）數(shù)字控制：由于數(shù)字控制具有硬件集成度高、控制性能好的優(yōu)點，因此目前數(shù)字控制正在逐步替代傳統(tǒng)磁軸承采用模糊控制器的方式。實現(xiàn)數(shù)字控制的數(shù)字控制器最普遍采用的是數(shù)字信號處理器 (DSP)，它不僅具有高速運算的能力，還可以采用多個處理器的結構以提高系統(tǒng)的容錯能力，除此之外，數(shù)字控制還可以使磁軸承適應不同的工況，并且能夠方便地實現(xiàn)多種功能，例如通過控制算法可以抑制轉(zhuǎn)子不平衡震動，啟動和停機時的過程控制以及濾波、診斷和監(jiān)控等。實時性是數(shù)字控制所面臨的主要問題，由于磁軸承屬于開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，因此要求其控制器需要具有相位超前的功能且頻帶通常要達到 1 kHz 以上。A/D 和 D/A 的轉(zhuǎn)換時間以及控制參數(shù)的計算時間是影響相位的主要因素。如果想要采用智能控制，因此控制算法更為復雜，因此計算量會很大，進而采樣頻率會因此而降低，這就使一些復雜算法的應用受到限制。然而，隨著近年來微處理器技術的飛速發(fā)展，實時性問題將不再是制約磁軸承控制發(fā)展的主流，以上控制方式均可采用數(shù)字控制實現(xiàn)。

4 研究發(fā)展趨勢

磁軸承在飛輪儲能中的應用發(fā)展研究趨勢將主要集中在以下幾個方面：

1）超導磁軸承：這種軸承的體積很小，但承載能力卻可以很大。不足的是超導磁軸承的研究進展在很大程度上賴于高溫超導材料的發(fā)展。2）自檢測磁軸承：傳統(tǒng)的磁軸承系統(tǒng)需要配有傳感器來檢測信號，傳感器的存在增大了軸承的軸向尺寸，降低了系統(tǒng)的動態(tài)性能，并且具有成本高，可靠性低的缺點。而自檢測磁軸承，省去了位移傳感器，通過采樣電流、電壓信號間接獲取轉(zhuǎn)子的位移信號，因此不僅可以簡化磁軸承的結構還可以顯著降低磁軸承系統(tǒng)的制造成本，在工業(yè)上具有很廣闊的應用前景。3）電磁和永磁混合的磁軸承：這種軸承的偏置磁場由永磁體產(chǎn)生，區(qū)別于傳統(tǒng)電磁軸承產(chǎn)生偏置磁場的方式，而控制磁場與傳統(tǒng)的電磁軸向相同，采用電磁鐵通電產(chǎn)生的控制電流產(chǎn)生。該種組合的磁軸承具有可以減輕磁軸承定子、功率放大器的體積和重量的優(yōu)點，尤其適合在航空發(fā)動機上有很好的應用前景。4）基于全局的優(yōu)化設計：除了要滿足磁軸承自身以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)滿足相應的機械要求外，從系統(tǒng)的全局角度考慮磁軸承的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性，而進行基于全局的優(yōu)化設計是以后發(fā)展的必然趨勢，目的是以便為磁軸承實現(xiàn)產(chǎn)品化創(chuàng)造一個更廣闊的應用前景。5）采用高性能的控制器：為了使系統(tǒng)實現(xiàn)更高的性能要求，控制環(huán)節(jié)在磁軸承系統(tǒng)中扮演的角色尤為重要。為了有利于使磁軸承實現(xiàn)標準化、系列化和商品化，這就要求磁軸承的硬件系統(tǒng)趨于結構化、模塊化，其中，功率放大器作為硬件設計中一個重要的環(huán)節(jié)，越來越趨向于采用效率高的開關功放等來取代連續(xù)功放?？刂破鞣矫妫髮崿F(xiàn)數(shù)字化、集成化和計算機化。而軟件方面，相應發(fā)展的軟件越來越多地采用基于現(xiàn)代控制理論來達到各種控制算法，如滑?？刂?、非線性模糊控制、自適應控制和 H控制、μ控制等，使它更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向發(fā)展。6）磁軸承的推廣應用：因為磁軸承尚處于發(fā)展階段，用戶還不具備設計磁軸承的基本知識，因此研究人員一直追求磁軸承在工業(yè)設備上地應用這個目標。而且，應用和研究是相輔相成地，通過推廣應用，也可不斷提高磁軸承的研究水平。

5 結論

現(xiàn)在制約飛輪儲能全面推廣到市場的主要瓶頸因素是價格，因此需要進一步降低飛輪儲能的生產(chǎn)成本。隨著控制技術、材料、能量轉(zhuǎn)換技術學等各領域研究的逐步深入，尤其磁軸承技術的日趨成熟,價格將會逐步降低,飛輪儲能必將作為人們?nèi)粘Ｉ钪谐墒斓漠a(chǎn)品全面推向市場。

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