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飞轮储能系统容错运行的研究 Research on Fault Tolerant Schemes for Flywheel Energy Storage System 清华大学 黄宇淇 ，姜新建 Email ：Jiangxj@mail.tsinghua.edu.cn 摘要：本文分析了飞轮储能系统易发生的四种电气故障，提出了改进的各相电流独立控制的容错拓扑。 对比传统的电机中性点与逆变器直流端中点相连的容错拓扑，改进的拓扑在发生驱动电机绕组开路故障或 逆变器器件单管发生开路、短路故障的情况下，系统仍能持续稳定地运行。本文对提出的容错拓扑及控制 策略做了详细分析并给出仿真结果。 Abstract ：The paper analyzes four common electrical faults in flywheel energy storage system (FESS). On the basis of analyzing the advantages and disadvantages of a traditional fault-tolerant topology with leading-out mode of neutral point access to the center point of the DC bus, an improved fault-tolerant topology and operation strategy with phase currents separately controlled are presented. Whenever one phase open-circuit winding fault, open transistor fault or shorted transistor fault occurs, FESS still works stably. The improved topology and control schemes are analyzed in detail, and proved by simulation results. 关键字：飞轮储能系统；容错；电流控制 Keywords ：Flywheel energy storage system; fault-tolerant; current regulation 飞轮储能系统（Flywheel Energy 仿真验证。 Storage System-FESS）作为新型大容量 储能装置，具有环保，长寿命，免维护， 1 飞轮储能系统故障分析 高能量密度，充电速度快，可以在很宽的 温度范围内正常工作等一系列优点，因此 FESS电气部分主要由永磁电机、逆变 除了在通讯和电力机车等商业领域得到 器及其控制单元组成。系统最常见电气故 应用之外，在国防、航空航天方面的应用 障有以下四类：电机绕组相间短路故障； 更为广泛[1，2]。在特殊的应用背景下，发 电机某相绕组开路故障；逆变器单只功率 生故障的飞轮储能装置难以回收维护，希 器件开路故障；逆变器单只功率器件短路 [3] 望其在故障时能继续工作，这要求系统具 故障 。 有高可靠性和容错能力。 1.1 电机绕组相间短路故障 FESS 的基本原理是电能经电动机驱 动飞轮升速，电能转换为飞轮的动能，当 电机绕组相间短路故障主要是由于 需要电能时，飞轮减速将飞轮动能转换成 制造工艺不良或操作不当，相间绝缘层遭 电能，实现了电能的存入和释放。 破坏造成的。相间短路故障难以通过控制 国内外对永磁电机及逆变器的故障 算法或者少量硬件冗余来实现容错。