改进型滑模观测器飞轮储能系统控制方法

第４５卷第５期２０１８年９月
华北电力大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ ４５，Ｎｏ ５
Ｓｅｐ．，２０１８
ｄｏｉ：１０ ３９６９／ｊ ＩＳＳＮ １００７－２６９１ ２０１８ ０５ ０５
改进型滑模观测器飞轮储能系统控制方法
宋兆鑫，张建成，赵霁晴，郭㊀伟
（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定０７１００３）
摘要：针对飞轮储能系统所用永磁同步电机中高速运行时使用滑模观测器估算转子位置和速度存在误差的问题，对传统滑模观测器进行了改进，使用双曲正切函数代替Ｓｉｇｎ函数，减少了滤波环节和相位补偿环节，有效消除了飞轮电机中高速运行时的抖振，实现了对转子位置和速度的精确估计㊂此外，采用基于转子预定位的Ｉ／Ｆ控制策略控制飞轮电机的启动和低速运行，实现飞轮电机全速度范围的无传感器控制㊂搭建了飞轮储能系统仿真模型，进行了飞轮储能系统的启动㊁充电㊁待机㊁放电仿真㊂仿真结果验证了改进型滑模观测器飞轮储能系统控制方法的正确性和有效性㊂
关键词：飞轮储能系统；滑模观测器；双曲正切函数；Ｉ／Ｆ控制；充放电控制
中图分类号：ＴＭ９１９㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀文章编号：１００７－２６９１（２０１８）０５－００３６－０７
ＦｌｙｗｈｅｅｌＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＩｍｐｒｏｖｅｄＳｌｉｄｉｎｇＭｏｄｅＯｂｓｅｒｖｅｒ
ＳＯＮＧＺｈａｏｘｉｎ，ＺＨＡＮＧＪｉａｎｃｈｅｎｇ，ＺＨＡＯＪｉｑｉｎｇ，ＧＵＯＷｅｉ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｌｔｅｒｎａｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＳｏｕｒｃｅｓ，
ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｅｒｒｏｒｏｆｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｔｈｅｐｏｓｉ⁃
ｔｉｏｎａｎｄｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｉｎｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒ⁃
ｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅＳｉｇｎｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｓｒｅｐｌａｃｅｄｂｙｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃｔａｎｇｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇａｎｄｐｈａｓｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｗｅｒｅｃｕｔｏｆｆ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｔｔｅｒｉｎｇｉｎｆｌｙｗｈｅｅｌｍｏｔｏｒａｔｈｉｇｈｓｐｅｅｄｗａｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ，ｔｈｕｓｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｒｏｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｓｐｅｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，Ｉ／Ｆｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｂａｓｅｄｏｎｒｏｔｏｒｐｒｅ⁃ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｔａｒｔ⁃ｕｐａｎｄｌｏｗ⁃ｓｐｅｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｍｏｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｍｏｔｏｒｉｎ
ｆｕｌｌｓｐｅｅｄｒａｎｇｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｏｆｓｔａｒｔｉｎｇ，ｃｈａｒｇｉｎｇ，ｓｔａｎｄｂｙａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ；ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒ；ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃｔａｎｇｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎ；Ｉ／Ｆｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｈａｒｇｅａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｏｎｔｒｏｌ
收稿日期：２０１８－０２－０９．
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７７０４７）；河北省科
技支撑计划项目（１６２１４５０４Ｄ）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（２０１８ＱＮ０７２）．
０㊀引㊀言
㊀㊀为缓解分布式电源接入对电网造成的冲击，
储能技术被广泛应用㊂飞轮储能技术以其高效率㊁长寿命㊁无污染等优点而备受青睐［１］㊂飞轮储能是一种利用高速旋转的飞轮进行能量存储的储能装置，通过与飞轮相连的电动／发电机与外界进行能量交换［２］㊂永磁同步电动机（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇ⁃
ｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ＰＭＳＭ）具有电磁转矩纹波系数小㊁高转矩惯性比㊁高能量密度㊁动态响应快㊁
过载能力强等优点，广泛应用于飞轮储能系统
㊀
第５期㊀
宋兆鑫，等：改进型滑模观测器飞轮储能系统控制方法
㊀（ｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ，ＦＥＳＳ）的电能转换［３－４］㊂为实现飞轮储能系统中永磁同步电机的高精度㊁高动态性能控制，常需要在电机中安装机械传感器，这些传感器能准确测量转子位置和角度，但是机械传感器的使用增加了系统的复杂性和成本㊁降低了系统可靠性㊁增加电机的体积和重量，尤其限制了电机在很多特殊工作场合的应用㊂为克服这一缺陷，采用无传感器的永磁同步电机控制技术成为研究热点［５－７］㊂文献［８］将现有永磁同步电机无传感器控制技术划分为基于凸极跟踪的方法和基于电机基波模型的方法㊂其中基于凸极跟踪的方法主要应用于低速运行控制㊂如高频信号注入法［９］㊂基于电机基波模型的方法主要应用于中高速运行控制，如滑模观测器［１０－１１］
㊁模
型参考自适应观测器
［１２］
㊁卡尔曼滤波器
［１３］
等㊂
在现有无传感器控制方法中，滑模观测器由于对电机参数变化不敏感㊁鲁棒性强㊁对外界扰动不敏感而得到广泛应用㊂传统滑模观测器多先估算电机的反电势，然后经低通滤波器滤波后计算得到转子位置和角速度，其采用符号函数代替偏差实际值，增加了观测器的收敛速度［１４］，然而符号
函数的离散开关特性易造成系统的抖振现象㊂文献［１５－１７］分别采用不同方法对传统滑模观测器进行了改进，在一定程度上消除了系统的抖振现象㊂
本文采用连续光滑的双曲正切函数代替了传统滑模观测器中离散的符号函数，减少了滤波环节和相位补偿环节，消除了传统滑模观测器因相位滞后造成的抖振㊂此外，针对飞轮电机启动阶段反电势过小，滑模观测器不能准确估计转子位置的问题，采用电流闭环的Ｉ／Ｆ控制策略实现飞轮电机的启动和低速运行，当转速到达设定值时切换至滑模控制，从而实现了飞轮电机全速度范围的无传感器控制㊂
１㊀改进型滑模电流观测器
㊀㊀忽略电机铁芯损耗，不计电机中的涡流和磁滞损耗，假设电机中的电流为对称的三相正弦波电流，则永磁同步电机在静止αβ坐标系下的方程为
ｉ㊃
αｉ㊃βé
ëêêùû
úú＝－ＲＬｉαｉβé
ëêêùûúú－１Ｌｅαｅβéëêêùûúú＋１Ｌｕαｕβéëêêùû
úú（１）
式中：ｅαｅβéëêêùûúú＝ωｅψｆ－ｓｉｎθｅｃｏｓθｅé
ëêêùû
úú；ｕα㊁ｕβ㊁ｉα㊁ｉβ㊁ｅα㊁ｅβ分别为静止αβ坐标系下定子电流㊁定子电压和反电势；Ｒ㊁Ｌ分别为定子电阻和定子电感；ωｅ为转子电角速度；ψｆ为永磁体磁链；θｅ为转子位置角㊂
选择滑模面为
ＳαＳβéëêêù
û
úú＝ｉ＾
α－ｉαｉ＾β－ｉβéëêêùû
ú
ú（２）
㊀㊀当系统到达滑模面时，Ｓα＝０，Ｓβ＝０，即
ｉ＾
α＝ｉαｉ＾
β＝ｉβ
{
（３）
㊀㊀根据式（１），建立滑模电流观测器
＾ｉ㊃
α＾ｉ㊃βéëêêêùûúúú＝－ＲＬｉ＾
αｉ＾βéëêêùûúú＋１Ｌｕαｕβéëêêùûúú－１ＬｋｔＴ（ｉ＾
α－ｉα）Ｔ（ｉ＾β－ｉβ）éëêêùû
úú（４）Ｔ（ｉ＾
α－ｉα）＝ｔａｎｈ（ｉ＾
α－ｉα）Ｔ（ｉ＾
β－ｉβ）＝ｔａｎｈ（ｉ＾
β－ｉβ）
{
（５）
式中：ｋｔ为滑模增益系数；ｔａｎｈ（㊃）为双曲正切函数［１８］，其函数表达式为
ｔａｎｈ（ｘ）＝ｅｘ－ｅ⁃ｘ
ｅｘ
＋ｅ⁃ｘ
（６）
其函数图像如图１所示
㊂
图１㊀双曲正切函数及符号函数图像
Ｆｉｇ．１㊀Ｃｕｒｖｅｏｆｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃｔａｎｇｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｓｉｇｎｆｕｎｃ⁃
ｔｉｏｎ
式（４）减去式（１）得到滑模观测器的动态方程为
７
３
㊀
㊀
华北电力大学学报
㊀
２０１８年
＾ｉ㊃
α－ｉ㊃α＾ｉ㊃β－ｉ㊃βéëêêêùûúúú＝－ＲＬｉ＾
α－ｉαｉ＾β－ｉβéëêêùûúú＋１Ｌ
ｅαｅβéëêêùûúú－１ＬｋｔＴ（ｉ＾
α－ｉα）Ｔ（ｉ＾β－ｉβ）éëêêùû
úú（７）
㊀㊀将滑模条件（３）代入得
ｅα＝ｋｔＴ（ｉ＾
α⁃ｉα）ｅβ＝ｋｔＴ（ｉ＾
β⁃ｉβ）
{
（８）
㊀㊀由式（８）得到估计反电势，进而可以按照式（９）㊁式（１０）估算飞轮电机转速和位置㊂
θ＾
ｅ＝ｔａｎ－１
（－ｅ
αｅβ
）
（９）ω＾
ｅ＝
ｄｄｔθ＾
ｅ
（１０）
㊀㊀图２给出了改进型滑模观测器结构框图㊂
图２㊀改进型滑模观测器结构框图
Ｆｉｇ．２㊀Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｉｍｐｒｏｖｅｄｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒ
２㊀稳定性分析
㊀㊀由式（２）知系统的滑模面为Ｓα，Ｓβ，根据滑模变结构控制理论［１９］，滑模观测器稳定的条件为
Ｓα㊃Ｓ㊃
αɤ０Ｓβ㊃Ｓ㊃
βɤ０
{
（１１）
㊀㊀选取Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数为Ｖ＝
１２ＳＴ（ｘ）㊃Ｓ（ｘ）＝１２
（Ｓ２α＋Ｓ２β）（１２）㊀㊀则由式（７）得到
Ｓ㊃
αＳ㊃βéëêêùû
úú＝＾ｉ㊃
α－ｉ㊃α＾ｉ㊃β－ｉ㊃βéëêêêùû
úúú＝－ＲＬｉ＾α－ｉαｉ＾β－ｉβéëêêùûúú＋１Ｌ
ｅαｅβéëêêùûúú－１ＬｋｔＴ（ｉ＾
α－ｉα）Ｔ（ｉ＾β－ｉβ）éëêêùû
úú（１３）
㊀㊀根据滑模观测器的稳定条件，需要满足：
ＳＴ（ｘ）㊃Ｓ㊃
（ｘ）＝（Ｓα㊃Ｓ㊃
α＋Ｓβ㊃Ｓ㊃
β）＝－
ＲＬ
（ｉ＾ａ－ｉα）２＋（ｉ＾
β－ｉβ）２[]＋１Ｌ
ｅα（ｉ＾ａ－ｉα）－ｋｔ（ｉ＾ａ－ｉα）Ｔ（ｉ＾
ａ－ｉα）[]＋１Ｌ
ｅβ（ｉ＾β－ｉβ）－ｋｔ（ｉ＾β－ｉβ）Ｔ（ｉ＾
β－ｉβ）[]ɤ０（１４）
㊀㊀由此可推导出滑模增益系数ｋｔ的取值范围为ｋｔȡｍａｘ（ｅα，ｅβ）
（１５）
因此，只要ｋｔ足够大就可以保证系统能够到达滑模面，而且系统能够渐进稳定㊂但是如果ｋｔ值取得过大，会加剧系统的抖振，增加估算误差，因此一般取
ｋｔ＝１ ５ψｆωｅ＿ｒｅｆ
（１６）
式中：ωｅ＿ｒｅｆ为电机电角速度设定值㊂
３㊀Ｉ／Ｆ启动控制策略
㊀㊀飞轮电机启动阶段反电势过小，滑模观测器不能准确估计转子速度和位置，因此采用电流闭环的Ｉ／Ｆ控制策略实现飞轮电机的启动和低速运
行，当电机转速到达某个设定值时切换为滑模控制㊂
Ｉ／Ｆ控制策略包括转子预定位和转子加速两
个过程［２０］，通过向电机绕组中施加幅值恒定，角频率逐渐增大的旋转电流矢量，在气隙中产生加速旋转的磁场，牵引电机转子加速启动㊂３ １㊀转子预定位
在对电机加速前需要对转子进行预定位，本文通过位置角发生器生成位置信号对电流进行闭环控制，位置角通过对角速度的积分得到㊂定义位置角发生器形成的为假定ｄ∗ｑ∗坐标系，设定假定ｄ∗ｑ∗坐标系落后转子实际ｄｑ坐标系９０电角度㊂在定位时将空间电流矢量定位在假定坐标系交轴ｑ∗，即实际坐标系直轴ｄ的位置㊂转子预定位过程中ｄ∗ｑ∗坐标系与ｄｑ坐标系相对位置如图
３（ａ）所示㊂
３ ２㊀加速过程
转子定位成功后开始进入加速过程，保持ｑ∗
轴电流恒定不变，ｄ∗轴电流为０㊂实际ｑ轴电流为ｉｑ＝ｉｑ∗ｃｏｓθＬ，加速过程中，随着位置角生成器输出的位置角不断增大，ｄ∗ｑ∗坐标系开始旋转，θＬ逐８
３
㊀
第５期㊀
宋兆鑫，等：改进型滑模观测器飞轮储能系统控制方法
㊀渐变小，此时实际ｑ轴电流ｉｑ开始增大，ｉｑ产生的定子磁链牵引电机转子开始旋转，最终θＬң０，ｉｑ＝ｉｑ∗，ｄ∗ｑ∗坐标系与ｄｑ坐标系保持同步旋转，电
机完成加速启动过程㊂加速过程中ｄ∗ｑ∗坐标系与
ｄｑ坐标系相对位置如图３（ｂ）所示㊂
飞轮储能系统启动及充放电控制框图如图４所示㊂在启动阶段，基于估算反电势的滑模观测器不能获得准确的位置和速度信号，因此θ选择开关１，使用位置角生成器的θ∗作为转子位置角θ的输入，输入ｉｑ∗为恒定值㊂此时系统工作在电流单闭环状态，可有效避免过流㊂当转速到达某个设定值时，θ选择开关２，转子位置角θ由θ∗切换到改进型滑模观测器估算角θ＾
，ｉ∗ｑ选择开关２，此时系统工作在充电模式，控制方式采用速度外环，
转速内环㊂当有负载接入或接到放电指令时，
ｉ∗ｑ选择开关３，此时系统工作在放电模式，控制方式为电压外环，电流内环
㊂
图３㊀转子预定位及加速过程ｄ∗ｑ∗坐标系与ｄｑ坐标系
矢量图
Ｆｉｇ．３㊀Ｖｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍｏｆｄ∗ｑ∗ａｎｄｄｑａｘｅｓｉｎｒｏｔｏｒｐｒｅ⁃ｐｏ⁃
ｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ
图４㊀飞轮储能系统启动及充放电控制框图
Ｆｉｇ．４㊀Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍａｔｓｔａｒｔｕｐａｎｄｃｈａｒｇｅａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｏｎｔｒｏｌ
４㊀仿真分析
㊀㊀为了验证本文所提控制策略的有效性，利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建模型进行仿真试验，飞轮储能系统主电路如图５所示，其中电网侧变流器工作于不控制整流模式，飞轮变流器采用ＰＷＭ控制㊂永磁同步电机及飞轮参数如表１所示㊂
表１㊀永磁同步电机及飞轮参数
图５㊀飞轮储能系统主电路图
㊀Ｆｉｇ．５㊀Ｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔ
本文中设定的飞轮转动惯量较大，仿真时间较长，为减少仿真时间，减小了飞轮的转动惯量㊂４ １㊀启动过程
启动过程采用Ｉ／Ｆ控制策略，位置角发生器生成的转子位置角θ∗如图６所示㊂
９
３
㊀㊀
华北电力大学学报㊀２０１８
年
图６㊀启动过程中的转子位置角θ∗
㊀Ｆｉｇ．６㊀Ｒｏｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｇｌｅθ∗ｄｕｒｉｎｇｓｔａｒｔｕｐｐｒｏｃｅｓｓ
４ ２㊀加速充电过程
当转速达到５００ｒ／ｍｉｎ，转子位置角θ∗切换为
θ＾，系统由Ｉ／Ｆ控制切换为滑模控制㊂转子位置角
θ和转速ｎ的切换过程如图７㊁图８所示
㊂
图７㊀转子位置角θ的切换过程
㊀㊀Ｆｉｇ．７㊀Ｓｗｉｔｃｈｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｇｌｅ
θ
图８㊀转速ｎ的切换过程
Ｆｉｇ．８㊀Ｓｗｉｔｃｈｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｔｏｒｓｐｅｅｄｎ
在切换过程中，转子位置角估计值与实际值
的误差约为０ ０５ｒａｄ，转子转速估计值与实际值的
误差约为１０ｒ／ｍｉｎ㊂从图７㊁图８中可以看出Ｉ／Ｆ
控制策略和改进型滑模观测器估计的转子位置和
速度都能够很好地跟踪实际位置角和转速㊂
当转速超过５００ｒ／ｍｉｎ后，飞轮运行在滑模
控制模式开始加速充电，直到达到额定转速
５０００ｒ／ｍｉｎ，然后飞轮进入待机状态，采用传统
滑模观测器和改进型滑模观测器的飞轮储能系
统由充电至待机过程中估计转速与实际转速如
图９所示㊂由图９可以看出改进型滑模观测器
不仅减小了误差，而且消除了传统滑模观测器的
抖振问题，同时Ｉ／Ｆ启动控制和改进型滑模控制
相结合实现了飞轮储能系统的全速度范围无传
感器控制
㊂
㊀图９㊀充电至待机运行时飞轮储能系统的转速ｎ
Ｆｉｇ．９㊀ＳｐｅｅｄｎｏｆＦＥＳＳｄｕｒｉｎｇｃｈａｒｇｅ⁃ｔｏ⁃ｓｔａｎｄｂｙｏｐｅｒａｔｉｏｎ
４ ３㊀减速放电过程
在飞轮处于待机状态时，断开电网侧变流器，
在直流侧接入电阻性负载，同时将ｉ∗ｑ选择开关切
换至３，控制方式由转速外环切换至电压外环，系
统开始进入放电状态㊂系统由待机到放电时直流
母线电压及电机转速如图１０所示
㊂
图１０㊀由待机到放电过程的直流母线电压Ｕｄｃ及电机转
速ｎ
Ｆｉｇ．１０㊀ＤＣｂｕｓｖｏｌｔａｇｅＵｄｃａｎｄｍｏｔｏｒｓｐｅｅｄｎｆｒｏｍｓｔａｎｄｂｙ
ｔｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ
从图１０中可以看出，在待机状态和放电状
态，直流母线电压均可以稳定在４００Ｖ，只在切换
过程中有微小的电压波动，波动幅度约为１５Ｖ，并
且能够很快恢复至４００Ｖ㊂同时，由于粘滞阻尼很
小，飞轮在待机状态转速基本恒定，接入负载后，
为维持直流母线电压稳定，系统开始放电，转速ｎ
开始逐渐下降㊂
０４
㊀
第５期
㊀
宋兆鑫，等：改进型滑模观测器飞轮储能系统控制方法
㊀
５㊀结㊀论
㊀㊀本文针对飞轮电机高速运行时传统滑模观测器因相位滞后而造成估算转子位置偏差以及抖振问题，提出使用反正切函数代替开关函数的抖振消除方法，去掉了滤波环节和相位补偿环节，解决了相位滞后带来的角度偏差问题㊂同时采用Ｉ／Ｆ启动控制策略克服了电机启动阶段滑模观测器估算转子位置和速度不准确的缺点，将Ｉ／Ｆ启动控制策略与改进型滑模观测器结合，实现了飞轮电机的全速度范围无传感器控制，并对飞轮储能系统进行了启动㊁充电㊁待机放电仿真，仿真结果验证了基于该改进型滑模观测器的飞轮储能系统控制方法的正确性和有效性㊂
参考文献：
［１］ＲＩＢＥＲＩＲＯＰＦ，ＪＯＨＮＳＯＮＢＫ，ＣＲＯＷＭＬ，ｅｔａｌ．Ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒａｄｖａｎｃｅｄｐｏｗｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥ，２００１，８９（１２）：１７４４
－１７５６．
［２］戴兴建，邓占峰，刘刚，等．大容量先进飞轮储能电源技术发展状况［Ｊ］．电工技术学报，２０１１，２６
（７）：１３３－１４０．
ＤＡＩＸｉｎｇｊｉａｎ，ＤＥＮＧＺｈａｎｆｅｎｇ，ＬＩＵＧａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅ⁃
ｖｉｅｗｏｎａｄｖａｎｃｅｄｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ
ｌａｒｇｅｓｃａｌｅ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１１，２６（７）：１３３－１４０．
［３］谷善茂，何凤有，谭国俊，等．永磁同步电动机无传感器控制技术现状与发展［Ｊ］．电工技术学报，
２００９，２４（１１）：１４－２０．
ＧＵＳｈａｎｍａｏ，ＨＥＦｅｎｇｙｏｕ，ＴＡＮＧｕｏｊｕｎ，ｅｔａｌ．Ａｒｅ⁃
ｖｉｅｗｏｆｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇ⁃
ｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃ⁃
ｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２００９，２４（１１）：１４－２０．［４］ＹＯＵＤＪ，ＪＡＮＧＳＭ，ＬＥＥＪＰ，ｅｔａｌ．Ｄｙｎａｍｉｃｐｅｒ⁃ｆｏｒｍａｎｃｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ⁃ｐｏｗｅｒＦＥＳＳｕｓｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒ⁃
ａｔｉｎｇｔｏｒｑｕｅｏｆａＰＭｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ／ｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ｊ］．
ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ，２００８，４４（１１）：
４１５５－４１５８．
［５］郑晓明，米增强，魏明磊，等．永磁同步电机新型转矩自适应控制［Ｊ］．华北电力大学学报（自然科
学版），２０１７，４４（６）：３６－４０．
ＺＨＥＮＧＸｉａｏｍｉｎｇ，ＭＩＺｅｎｇｑｉａｎｇ，ＷＥＩＭｉｎｇｌｅｉ，ｅｔ
ａｌ．ＡｎｅｗｔｏｒｑｕｅａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆＰＭＳＭ［Ｊ］．
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕ⁃
ｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｍ），２０１７，４４（６）：３６－４０．［６］刘文军，周龙，唐西胜，等．基于改进型滑模观测器的飞轮储能系统控制方法［Ｊ］．中国电机工程学
报，２０１４，３４（１）：７１－７８．
ＬＩＵＷｅｎｊｕｎ，ＺＨＯＵＬｏｎｇ，ＴＡＮＧＸｉｓｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＦＥＳＳｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌｍｐｒｏｖｅｄｓｌｉｄ⁃
ｉｎｇ⁃ｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１４，３４（１）：７１－７８．
［７］王斌，王跃，王兆安．无速度传感器的永磁同步电机无差拍直接转矩控制方法［Ｊ］．电机与控制学
报，２０１４，１８（６）：４２－４９．
ＷＡＮＧＢｉｎ，ＷＡＮＧＹｕｅ，ＷＡＮＧＺｈａｎｇ．Ｄｅａｄｂｅａｔｄｉ⁃
ｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｏｒｏｎｏｕｓ
ｍｏｔｏｒｓｗｉｔｈｏｕｔｓｐｅｅｄｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄ
Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１４，１８（６）：４２－４９．
［８］刘计龙，肖飞，沈洋，等．永磁同步电机无位置传感器控制技术研究综述［Ｊ］．电工技术学报，２０１７，３２（１６）：７６－８８．
ＬＩＵＪｉｌｏｎｇ，ＸＩＡＯＦｅｉ，ＳＨＥＮＹａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ⁃
ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔ⁃ｍａｇｎｅｔｓｙｎ⁃
ｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ⁃ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａ
ＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１７，３２（１６）：７６－８８．［９］刘海东，周波，郭鸿浩，等．脉振高频信号注入法误差分析［Ｊ］．电工技术学报，２０１５，３０（６）：３８
－４４．
ＬＩＵＨａｉｄｏｎｇ，ＺＨＯＵＢｏ，ＧＵＯＨｏｎｇｈａｏ，ｅｔａｌ．Ｅｒｒｏｒ
ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｕｌｓａｔｉｎｇｓｉｇｎａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏ⁃
ｃｉｅｔｙ，２０１５，３０（６）：３８－４４．
［１０］ＦＥＮＧＹ，ＺＨＥＮＧＪ，ＹＵＸ，ｅｔａｌ．Ｈｙｂｒｉｄｔｅｒｍｉｎａｌｓｌｉｄｉｎｇ⁃ｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒａｐｅｒｍａｎｅｎｔ⁃
ｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ
ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００９，５６（９）：３４２４－３４３１．
［１１］尚喆，赵荣祥，窦汝振．基于自适应滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制研究［Ｊ］．中国电
机工程学报，２００７，２７（３）：２３－２７．
ＳＨＡＮＧＺｈｅ，ＺＨＡＯＲｏｎｇｘｉａｎｇ，ＤＯＵＲｕｚｈｅｎ．Ｒｅ⁃
ｓｅａｒｃｈｏｎｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆＰＭＳＭｂａｓｅｄｏｎ
ａｄａｐｔｉｖｅｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ
ＣＳＥＥ，２００７，２７（３）：２３－２７．
［１２］朱瑛，程明，花为，等．基于滑模变结构模型参考自适应的电气无级变速器无传感器控制［Ｊ］．电工
技术学报，２０１５，３０（２）：６４－７２．
ＺＨＵＹｉｎｇ，ＣＨＥＮＧＭｉｎｇ，ＨＵＡＷｅｉ，ｅｔａｌ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ
ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｖａｒｉａｂｌｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｌｉｄ⁃
ｉｎｇｍｏｄｅｍｏｄｅｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｄａｐｔｉｖｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ⁃
ａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１５，３０
１４
㊀㊀
华北电力大学学报㊀
２０１８年
（２）：６４－７２．
［１３］张猛，肖曦，李永东．基于扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机转速和磁链观测器［Ｊ］．中国电机工程
学报，２００７，２７（３６）：３６－４０．
ＺＨＡＮＧＭｅｎｇ，ＸＩＡＯＸｉ，ＬＩＹｏｎｇｄｏｎｇ．Ｓｐｅｅｄａｎｄ
ｆｌｕｘｌｉｎｋａｇｅｏｂｓｅｒｖｅｒｆｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
ｍｏｔｏｒｂａｓｅｄｏｎＥＫＦ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００７，２７（３６）：３６－４０．
［１４］ＢＥＲＮＡＲＤＥＳＴ，ＭＯＮＴＡＧＮＥＲＶＦ，ＧＲÜＮＤＬＩＮＧＨＡ，ｅｔａｌ．Ｄｉｓｃｒｅｔｅ⁃ｔｉｍｅｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒｆｏｒｓｅｎ⁃
ｓｏｒｌｅｓｓｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎ⁃
ｉｃｓ，２０１３，６１（４）：１６７９－１６９１．
［１５］孙杰，崔巍，范洪伟，等．基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制［Ｊ］．电机与控制应用，２０１１，３８（１）：３８－４２．
ＳＵＮＪｉｅ，ＣＵＩＷｅｉ，ＦＡＮＨｏｎｇｗｅｉ，ｅｔａｌ．Ｖｅｃｔｏｒｃｏｎ⁃
ｔｒｏｌｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｂａｓｅｄｏｎ
ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２０１１，３８（１）：３８－４２．
［１６］鲁文其，胡育文，杜栩杨，等．永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统［Ｊ］．中国
电机工程学报，２０１０，３０（３３）：７８－８３．
ＬＵＷｅｎｑｉ，ＨＵＹｕｗｅｎ，ＤＵＸｕｙａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ
ｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｕｓｉｎｇａｎｏｖｅｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒｆｏｒ
ＰＭＳＭｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ
ＣＳＥＥ，２０１０，３０（３３）：７８－８３．
［１７］李冉，赵光宙，徐绍娟．基于扩展滑模观测器的永磁同步电动机无传感器控制［Ｊ］．电工技术学报，
２０１２，２７（３）：７９－８５．
ＬＩＲａｎ，ＺＨＡＯＧｕａｎｇｚｈｏｕ，ＸＵＳｈａｏｊｕａｎ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ
ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｂａｓｅｄｏｎ
ｅｘｔｅｎｄｅｄｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ
ＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１２，２７（３）：７９－
８５．
［１８］史婷娜，肖竹欣，肖有文，等．基于改进型滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制［Ｊ］．中国
电机工程学报，２０１５，３５（８）：２０４３－２０５１．
ＳＨＩＴｉｎｇｎａ，ＸＩＡＯＸｉｎｚｈｕ，ＸＩＡＯＹｏｕｗｅｎ，ｅｔａｌ．Ａ
ＰｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒＢＬＤＣＭｂａｓｅｄｏｎ
ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ
ｔｈｅＣＳＥＥ，２０１５，３５（８）：２０４３－２０５１．
［１９］ＳＨＴＥＳＳＥＬＹ，ＥＤＷＡＲＤＳＣ，ＦＲＩＤＭＡＮＬ，ｅｔａｌ．Ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｔｒｏｌ，２０１４（９）：２１３－２４９．
［２０］ＹＡＮＧＪ，ＨＵＡＮＧＷ，ＣＡＯＲ，ｅｔａｌ．Ａｃｌｏｓｅｄ⁃ｌｏｏｐＩ／ｆｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎｃｕｒｒｅｎｔｖｅｃｔｏｒｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ
ｆｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｓ［Ｃ］／／Ｉｎ⁃
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＳｙｓ⁃
ｔｅｍｓ．ＩＥＥＥ，２０１６：１６０９－１６１４．
㊀㊀作者简介：宋兆鑫（１９９５－），男，硕士研究生，研究方向为飞轮储能系统并网控制；张建成（１９６５－），男，教授，研究方向为新型能量储存技术㊁电能质量控制技术和新能源发电控制技术；赵霁晴（１９９４－），女，硕士研究生，研究方向为飞轮阵列储能系统协调控制；郭伟（１９８９－），男，博士研究生，研究方向为新能源发电及储能技术㊂
２４。