磁懸浮儲能飛輪上的逆變器

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）近年來，國內(nèi)儲能技術(shù)取得了顯著進展。這得益于國家政府的支持以及市場需求的增長。同時，國內(nèi)龐大的市場，也足以支撐各種儲能技術(shù)的發(fā)展壯大。飛輪儲能便是其中之一，而今許多現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)傾向于采用磁懸浮技術(shù)以提高效率和壽命，因此也被稱為磁懸浮儲能飛輪。

相比傳統(tǒng)的機械軸承飛輪，磁懸浮技術(shù)的使用不僅提高了飛輪儲能系統(tǒng)的效率，還延長了設(shè)備的使用壽命。由于沒有物理接觸，磁懸浮軸承幾乎不需要維護，這對于降低長期運營成本具有重要意義。但也正因為磁懸浮技術(shù)，讓儲能飛輪轉(zhuǎn)速非?？欤虼藢?a href="http://ttokpm.com/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器的功率密度、控制精度、效率、熱管理和可靠性等方面都提出了更高要求。

什么是磁懸浮儲能飛輪？

作為一種先進的儲能設(shè)施，磁懸浮儲能飛輪利用磁懸浮技術(shù)來支撐并使飛輪在真空中高速旋轉(zhuǎn)，以此來儲存能量。磁懸浮飛輪的主要優(yōu)點在于其高效率、長壽命和快速響應(yīng)能力，適用于需要頻繁充放電的應(yīng)用場景，如電網(wǎng)儲能、UPS、交通運輸?shù)取?br />
當(dāng)外部電源向磁懸浮飛輪系統(tǒng)供電時，系統(tǒng)內(nèi)的電動機開始工作，帶動飛輪加速旋轉(zhuǎn)。飛輪的旋轉(zhuǎn)速度越高，其具有的動能也就越大。磁懸浮飛輪使用電磁力或永久磁鐵來支撐飛輪，使其懸浮在空中。這樣可以避免任何物理接觸，從而減少了由于摩擦導(dǎo)致的能量損失。

當(dāng)然，磁懸浮系統(tǒng)還必須具備位置檢測和控制功能，以便實時調(diào)整磁場強度，維持飛輪的正確懸浮位置。而且為了進一步減少空氣阻力對飛輪旋轉(zhuǎn)的影響，飛輪通常在一個接近真空的環(huán)境中運行。

如果需要從系統(tǒng)中提取能量時，飛輪減速，此時飛輪的動能被轉(zhuǎn)化為電能。這一過程通常是通過連接到飛輪上的發(fā)電機來實現(xiàn)的。發(fā)電機將飛輪的機械能轉(zhuǎn)換回電能，然后輸送到電網(wǎng)或其他負載上。

簡而言之，儲能時，電能通過變流器驅(qū)動飛輪電動機帶動轉(zhuǎn)子加速；之后，電機維持一個恒定的轉(zhuǎn)速；釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。

相比其他儲能產(chǎn)品，有點在于效率高、響應(yīng)時間短、能量密度高、使用壽命長、維護成本低等，當(dāng)然缺點也存在，主要為投資成本較高、儲能有限、應(yīng)用場景有限等。

通常情況下，磁懸浮飛輪通常的轉(zhuǎn)速甚至?xí)_到每分鐘超過5萬轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致廢銅通常會采用碳纖維材質(zhì)制造，成本較高。而這一過程中，高效的功率電子設(shè)備如整流器和逆變器是必不可少的。

以逆變器為例，通常磁懸浮儲能飛輪中的逆變器基本都為雙向逆變器，即能從DC到AC，也能從AC到DC。并且為了配合飛輪儲能系統(tǒng)的高動態(tài)響應(yīng)特性，需要逆變器提供快速的能量轉(zhuǎn)換，以及支持高頻率的充放電循環(huán)。

同時裝在其中的逆變器還需要具備高效率、高功率密度、快速響應(yīng)能力和精確控制能力，以適應(yīng)飛輪儲能系統(tǒng)在高頻次充放電時的需求。通常會采用更為復(fù)雜的控制算法，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，以實現(xiàn)對飛輪電機的精準(zhǔn)控制。

磁懸浮飛輪中的雙向逆變器

作為飛輪儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的關(guān)鍵設(shè)備，雙向逆變器負責(zé)將飛輪的機械能轉(zhuǎn)換為電能，以及將電能轉(zhuǎn)換回機械能儲存在飛輪中。但在實際應(yīng)用時，還是存在著許多技術(shù)層面的挑戰(zhàn)。

比如雙向逆變器在飛輪儲能系統(tǒng)中需要在充電和放電之間高效轉(zhuǎn)換能量。由于飛輪儲能系統(tǒng)往往需要在短時間內(nèi)完成大量的能量轉(zhuǎn)換，這就要求逆變器能夠在高頻率下工作，減少開關(guān)損耗，提高整體效率。

而傳統(tǒng)的三相橋式結(jié)構(gòu)逆變器可能不適合飛輪在高速和特定波形電機中的應(yīng)用。因此，一些研究機構(gòu)提出了使用獨立的Buck和Boost電路來分別實現(xiàn)儲能飛輪的充放電控制，這種方式可以極大地改善系統(tǒng)的性能。

此外，在一些特定場景的磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)中，雙向PWM變換器的死區(qū)會帶來輸入諧波、脈動轉(zhuǎn)矩等問題。為了保證飛輪電機的高速穩(wěn)定運行，需要采用合適的變換器死區(qū)補償控制策略。

針對傳統(tǒng)PID交叉反饋中的積分控制器導(dǎo)致的飛輪儲能電磁軸承轉(zhuǎn)子運動發(fā)散問題，有研究提出了變參數(shù)PID交叉反饋控制策略，從而改善了飛輪儲能電磁軸承5自由度控制性能。

當(dāng)然，由于磁懸浮飛輪通常處于高速運行狀態(tài)，逆變器產(chǎn)生的電磁干擾可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，電磁兼容性的設(shè)計也是雙向逆變器在磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)中的一個重要考量。

國內(nèi)不少企業(yè)都推出了較為成熟的雙向逆變器產(chǎn)品，能夠應(yīng)用于磁懸浮飛輪中，如上能電氣、陽光電源、科士達、大連菲尼克斯、能華機電、班特利奧等。

而在國際市場中，如ABB、西門子、通用電氣等在雙向逆變器技術(shù)方面仍處于領(lǐng)先地位。不過隨著新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，雙向逆變器作為儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，也迎來了快速發(fā)展的機遇。許多國內(nèi)企業(yè)開始涉足這一領(lǐng)域，并推出了自己的產(chǎn)品。

近年來，我國儲能逆變器行業(yè)市場規(guī)模不斷上漲，到2022年，我國儲能逆變器行業(yè)市場規(guī)模達到59.5億元。隨著中國對太陽能光伏和風(fēng)力發(fā)電的大力推廣，以及微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的建設(shè)，儲能逆變器市場規(guī)模不斷擴大。中國已成為全球最大的儲能逆變器市場之一。

小結(jié)

對于磁懸浮儲能飛輪而言，雙向逆變器不僅是能量轉(zhuǎn)換和管理的核心組件，還是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵設(shè)備。它的高效能量轉(zhuǎn)換能力和精確控制特性，使得磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)能夠在電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用，提高能源利用效率，促進可再生能源的廣泛應(yīng)用。