Simulation and Experimental Analysis of Magnetic Levitation Relative Stability for the Flywheel Energy Storage

Abstract - In this paper , the relative stability of magnetic bearing system for the flywheel energy storage is evaluated using both simulation and experimental analysis. We make the simulation model for the magnetic bearing flywheel system using the rigid body shaft model. According to international standard ISO 14839-3, We experimentally analyzed the relative stability of magnetic bearing system . Additionally using both the simulation model and experimental tests , Phase margin and Gain margin is acquired through Nyquist plot.Key Words : Flywheel, Relative stability, Magnetic levitation† 교신저자, 정회원 : 한전 전력연구원 선임연구원E-mail : bcpark@kepri.re.kr*비 회 원 : 한전 전력연구원 선임연구원** 비 회 원 : 한전 전력연구원 책임연구원․공박***정 회 원 : 한전 전력연구원 연구원․공박§ 정 회 원 : 한전 전력연구원 책임연구원․공박§§ 비 회 원 : 한전 전력연구원 연구원 접수일자 : 2010년 6월 24일 최종완료 : 2010년 7월 28일 1. 서 론 플라이휠의 에너지 저장용량은 회전속도의 제곱에 비례하기 때문에 에너지 저장밀도를 향상시키기 위해서는 회전속도를 높이는 것이 필요하며, 이때 회전축을 지지해주는 베어링의 성능은 최대회전속도의 향상에 직접적인 관계를 가지고 있다. 비접촉식 자기부상베어링은 회전속도가 볼베어링에 비해 높으며, 수명이 길고 진공환경에서 적용하기에 적절한 장점을 가지고 있어 터보진공펌프, 공작기계, 터보압축기, 플라이휠 에너지 저장 장치 등에 상업화가 이루어졌거나 적용 연구가 진행되고 있다.[4][5][6][7]자기부상베어링은 feedback 제어가 없으면 기본적으로 불안정한 특성을 가지므로 제어기, 증폭기, 전자석 구동기, 위치센서로 구성되어 있는 것이 일반적이다. 이때 제어기는 자기베어링시스템의 불안정한 pole을 안정한 영역으로 이동시키는 역할을 한다. 본 논문에서 자기베어링에 사용한 제어기는 PD제어기로써, 적절한 P 게인, D 게인을 tunning 함으로써 자기베어링이 안정영역에서 동작하도록 제어기를 설계하였다. 본 논문에서 실험에 사용한 플라이휠 에너지 저장장치의 사진은 그림 1 의 5kWh급 플라이휠 에너지 저장장치 시스템이다. 이 시스템에서 실험하고 있는 회전축은 두 가지이며 첫 번째는 회전에너지를 주로 저장하는 부위가 회전축의 복합재 부위로써, 정격속도(18,000rpm)에서 사용가능한 저장 에너지가 5kWh인 회전축 이며, 두 번째는 고속회전 및 전동/발전기 검증용으로 사용하는 스틸로터형(steel rotor) 회전축으로써 회전에너지를 주로 저장하는 부위가 STS304로 제작된 형태이며, 본 논문에서는 스틸로터형 회전축에 대해 시뮬레이션 및 실험을 하였다. 그림 1 5kWh급 플라이휠 에너지 저장장치Fig. 1 5kWh flywheel energy storage그림 2는 본 논문에서 사용한 플라이휠 에너지저장장치의 주요구성품들의 개략도를 보여준다. 본 플라이휠 에너지저장장치는 스틸로터 휠, 전동/발전기, 자기베어링, 회전축으로 구성되어 있다. 회전축은 비자성체이며 가공성이 양호한 STS304를 사용하였다. 전동/발전기는 slotless형 동기 영구자석 전동/발전기로써 정격출력 10kW, 정격속도 22,000rpm, 최대토크는 4.53 Nm의 성능을 가진다. 본 전동/발전기는 회전손실을 최소화 하기위해 slotless형으로 설계/제작 하였다.