飞轮储能系统使用寿命长,功率密度大,循环效率高,可靠性强,响应速度快,非常适合需要数秒至数分钟千瓦至兆瓦级的短时大功率输出且频繁充放电运行的应用场合,是一种具有良好应用前景的短时大功率储能技术,已经在不间断电源、微网、风力发电、轨道交通、电动汽车、航天器和大型舰船等领域得到应用。高速永磁同步电机具有功率密度高、运行损耗小、动态性能好和易于实现能量双向流动等优点,是飞轮储能系统电动/发电机的常见选择。飞轮储能系统电动/发电机频繁周期性工作在快速充/放电状态,具有电气频率高、转速范围宽、载波比低、动态响应要求高的特点,然而工业界中广泛应用的基于PID原理的控制方法不能完全满足其性能需求,因此本文以高速永磁同步电动/发电机及其变流器为研究对象,对飞轮储能系统的控制技术进行研究,具体完成了以下工作内容:1、讨论了飞轮储能系统运行工况的特殊性,以及目前在该工况下高速永磁电机和三相PWM变流器控制存在的主要问题,指出了需要重点研究的关键技术问题。建立了飞轮储能系统的数学模型,对高速永磁同步电机在充放电模式下的运行特性进行了分析和讨论,通过电压极限圆、电流极限圆和等功率曲线等手段确定了在母线电压、额定电流以及负载功率等边界条件约束下飞轮储能系统的有效运行范围,所得结论可作为飞轮储能系统高速永磁同步电机和变流器的选型、飞轮储能系统控制方法设计的参考依据,并据此设计搭建了一个额定功率2.5kW,额定转速12000 rpm的飞轮储能系统实验平台。2.提出了一种适应宽转速范围运行的飞轮储能系统母线电压鲁棒控制算法。宽转速范围运行对提高飞轮储能系统储能容量和放电深度至关重要。然而由于母线电压环非线性的特点,传统基于局部线性化的控制算法只能在特定工作点附近实现局部线性化,而飞轮储能系统永磁同步电机在放电状态下转速连续快速宽范围变化,反电势频率和幅值的连续变化将导致工作点的漂移,导致基于局部线性化的控制算法性能恶化。针对这一问题,本文提出了一种采用负载功率和转速补偿的母线电压鲁棒控制算法,以母线电压平方作为状态量,将负载功率、开关损耗以及参数不确定性等内外扰动作为一个扩张状态,使用非线性扩张状态观测器进行观测,并将转速和观测得到的扰动补偿至控制律中,实现了在母线电压环的全局线性化,保证了在可控转速范围内不同转速下母线电压控制性能的一致性和鲁棒性。3.提出了 一种基于扩张状态观测器的飞轮储能系统单环母线电压直接控制算法。不同于传统的电压外环电流内环的控制器形式,该算法直接由母线电压的控制误差产生控制量,不存在q轴电流内环。以母线电压平方作为状态变量,将母线电压环和q轴电流环模型整合,并将功率平衡方程中的内外扰动扩张成一个状态变量,从而得到一个三阶扩张系统,使用一个三阶线性扩张状态观测器进行观测,得到母线电压平方的微分信号以及扰动信号,设计了一个包含比例和微分反馈、扰动补偿以及转速前馈的单环母线电压控制器,实现了宽转速范围的母线电压快速动态响应。4.设计了一种高速永磁同步电机精确离散电流控制器。飞轮储能系统高速电机转速范围宽,交直轴耦合电压大,导致暂态过程中d-q轴电流瞬态误差,影响电流环的动态性能。运行频率高,载波比低,如果电流控制器设计中不能精确地考虑数字控制系统的各种延时,将导致实际系统中控制信号的幅值和相位畸变,进而导致电流控制性能恶化或者失稳。本文基于一种永磁同步电机精确离散化模型,设计了一种精确离散电流控制器,模型中精确考虑了采样周期中电机控制电压信号的相位和幅值的畸变误差,得到了精确的离散传递函数。在此基础上采用零极点对消实现交叉解耦,并利用扩张状态观测器实时观测反电势误差进行补偿。所设计的离散电流控制器可实现在较低载波比下的电流精确解耦控制。本文提出和设计的三种控制算法均在所搭建的12000rpm飞轮储能系统实验平台上进行了实验验证,多种转速下的实验结果证明了控制算法在宽转速范围运行和低载波比工况下的有效性。