磁悬浮储能飞轮上的逆变器

电子发烧友网报道（文/黄山明）近年来，国内储能技术取得了显著进展。这得益于国家政府的支持以及市场需求的增长。同时，国内庞大的市场，也足以支撑各种储能技术的发展壮大。飞轮储能便是其中之一，而今许多现代飞轮储能系统倾向于采用磁悬浮技术以提高效率和寿命，因此也被称为磁悬浮储能飞轮。
 
相比传统的机械轴承飞轮，磁悬浮技术的使用不仅提高了飞轮储能系统的效率，还延长了设备的使用寿命。由于没有物理接触，磁悬浮轴承几乎不需要维护，这对于降低长期运营成本具有重要意义。但也正因为磁悬浮技术，让储能飞轮转速非常快，因此对逆变器的功率密度、控制精度、效率、热管理和可靠性等方面都提出了更高要求。
 
什么是磁悬浮储能飞轮？
 
作为一种先进的储能设施，磁悬浮储能飞轮利用磁悬浮技术来支撑并使飞轮在真空中高速旋转，以此来储存能量。磁悬浮飞轮的主要优点在于其高效率、长寿命和快速响应能力，适用于需要频繁充放电的应用场景，如电网储能、UPS、交通运输等。
 
当外部电源向磁悬浮飞轮系统供电时，系统内的电动机开始工作，带动飞轮加速旋转。飞轮的旋转速度越高，其具有的动能也就越大。磁悬浮飞轮使用电磁力或永久磁铁来支撑飞轮，使其悬浮在空中。这样可以避免任何物理接触，从而减少了由于摩擦导致的能量损失。
 
当然，磁悬浮系统还必须具备位置检测和控制功能，以便实时调整磁场强度，维持飞轮的正确悬浮位置。而且为了进一步减少空气阻力对飞轮旋转的影响，飞轮通常在一个接近真空的环境中运行。
 
如果需要从系统中提取能量时，飞轮减速，此时飞轮的动能被转化为电能。这一过程通常是通过连接到飞轮上的发电机来实现的。发电机将飞轮的机械能转换回电能，然后输送到电网或其他负载上。
 
简而言之，储能时，电能通过变流器驱动飞轮电动机带动转子加速；之后，电机维持一个恒定的转速；释能时，高速旋转的飞轮拖动发电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。
 
相比其他储能产品，有点在于效率高、响应时间短、能量密度高、使用寿命长、维护成本低等，当然缺点也存在，主要为投资成本较高、储能有限、应用场景有限等。
 
通常情况下，磁悬浮飞轮通常的转速甚至会达到每分钟超过5万转，这导致废铜通常会采用碳纤维材质制造，成本较高。而这一过程中，高效的功率电子设备如整流器和逆变器是必不可少的。
 
以逆变器为例，通常磁悬浮储能飞轮中的逆变器基本都为双向逆变器，即能从DC到AC，也能从AC到DC。并且为了配合飞轮储能系统的高动态响应特性，需要逆变器提供快速的能量转换，以及支持高频率的充放电循环。
 
同时装在其中的逆变器还需要具备高效率、高功率密度、快速响应能力和精确控制能力，以适应飞轮储能系统在高频次充放电时的需求。通常会采用更为复杂的控制算法，如矢量控制、直接转矩控制等，以实现对飞轮电机的精准控制。
 
磁悬浮飞轮中的双向逆变器
 
作为飞轮储能系统与电网连接的关键设备，双向逆变器负责将飞轮的机械能转换为电能，以及将电能转换回机械能储存在飞轮中。但在实际应用时，还是存在着许多技术层面的挑战。
 
比如双向逆变器在飞轮储能系统中需要在充电和放电之间高效转换能量。由于飞轮储能系统往往需要在短时间内完成大量的能量转换，这就要求逆变器能够在高频率下工作，减少开关损耗，提高整体效率。
 
而传统的三相桥式结构逆变器可能不适合飞轮在高速和特定波形电机中的应用。因此，一些研究机构提出了使用独立的Buck和Boost电路来分别实现储能飞轮的充放电控制，这种方式可以极大地改善系统的性能。
 
此外，在一些特定场景的磁悬浮储能飞轮系统中，双向PWM变换器的死区会带来输入谐波、脉动转矩等问题。为了保证飞轮电机的高速稳定运行，需要采用合适的变换器死区补偿控制策略。
 
针对传统PID交叉反馈中的积分控制器导致的飞轮储能电磁轴承转子运动发散问题，有研究提出了变参数PID交叉反馈控制策略，从而改善了飞轮储能电磁轴承5自由度控制性能。
 
当然，由于磁悬浮飞轮通常处于高速运行状态，逆变器产生的电磁干扰可能会影响系统的稳定性。因此，电磁兼容性的设计也是双向逆变器在磁悬浮飞轮储能系统中的一个重要考量。
 
国内不少企业都推出了较为成熟的双向逆变器产品，能够应用于磁悬浮飞轮中，如上能电气、阳光电源、科士达、大连菲尼克斯、能华机电、班特利奥等。
 
而在国际市场中，如ABB、西门子、通用电气等在双向逆变器技术方面仍处于领先地位。不过随着新能源产业的迅猛发展，双向逆变器作为储能系统的关键部件之一，也迎来了快速发展的机遇。许多国内企业开始涉足这一领域，并推出了自己的产品。
 
近年来，我国储能逆变器行业市场规模不断上涨，到2022年，我国储能逆变器行业市场规模达到59.5亿元。随着中国对太阳能光伏和风力发电的大力推广，以及微电网和智能电网的建设，储能逆变器市场规模不断扩大。中国已成为全球最大的储能逆变器市场之一。
 
小结
 
对于磁悬浮储能飞轮而言，双向逆变器不仅是能量转换和管理的核心组件，还是确保系统稳定性和安全性的关键设备。它的高效能量转换能力和精确控制特性，使得磁悬浮飞轮储能系统能够在电网中发挥重要作用，提高能源利用效率，促进可再生能源的广泛应用。