根据《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》的要求,新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备,是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。飞轮储能系统具有储能密度高、瞬时功率大、充放电速度快、使用寿命长、能量转换效率高等优点,可应用于新能源发电、分布式电源系统、不间断电源、新型动力车辆等领域。磁悬浮轴承解决了机械轴承摩擦、磨损和需要润滑的问题,适用于飞轮储能支承系统。因此,研究用于提高飞轮储能系统性能的磁轴承支承系统成为目前国际前沿的一个课题。径向对称八极磁轴承使用两个双极性开关功率放大器进行驱动,而三极磁轴承仅需一个三相逆变器,所以三极磁轴承控制系统具有体积小、成本低等优点,但是三极磁轴承的不对称结构会造成径向两自由度之间的耦合性大、悬浮力和控制电流之间的线性度差等问题,结构对称的六极磁轴承可以有效地降低径向两自由度之间的耦合,并且改善了悬浮力和控制电流之间的线性度,有利于实现飞轮储能磁轴承支承系统的精确控制。本文的研究对于提高飞轮储能的关键技术水平、突破飞轮储能技术瓶颈,提高我国飞轮储能工程应用能力和国际竞争力具有重要意义。本文针对飞轮储能磁轴承支承系统开展了参数优化设计、数学建模、无传感控制和自抗扰解耦控制的理论和实验研究工作。论文的主要工作和创新成果如下:1、设计了飞轮储能磁轴承支承系统的总体方案,对三自由度六极外转子径向-轴向混合磁轴承的原理进行分析,使用等效磁路法建立三自由度六极外转子径向-轴向混合磁轴承的数学模型,并通过参数设计得到具体数值。对二自由度六极外转子径向混合磁轴承的原理进行分析,使用麦克斯韦张量法建立二自由度六极外转子径向混合磁轴承的数学模型,并通过参数设计得到具体数值。2、对飞轮储能磁轴承支承系统参数进行参数优化设计。详细地介绍了磁轴承的参数优化设计过程,首先以六极外转子径向混合磁轴承径向最大悬浮力以及体积作为优化目标,选定八个参数作为优化变量,并通过灵敏度分析得到四个显著性参数;之后构建响应面模型,使用多目标遗传算法对其进行多目标优化;最后得到六极外转子径向混合磁轴承的最优参数。通过构建有限元仿真模型,对优化前后的六极外转子径向混合磁轴承的性能进行对比分析,结果表明所设计的多目标优化方法可以显著提升六极外转子径向混合磁轴承的综合性能。使用同样的方法得到了六极外转子径向-轴向混合磁轴承的优化参数。3、针对飞轮储能磁轴承支承系统位移传感器体积大、成本高等问题以及传感器失效时的容错控制,提出了基于改进粒子群最小二乘支持向量机的无传感控制方法。该方法使用改进粒子群算法对最小二乘支持向量机的参数进行寻优,将最优参数应用于最小二乘支持向量机中,并通过最小二乘支持向量机建立位移预测模型。对基于改进粒子群最小二乘支持向量机的无传感控制系统进行仿真,仿真对比结果表明所提方法具有准确的预测能力。4、针对飞轮储能磁轴承支承系统不同自由度之间耦合的问题,提出了基于改进粒子群算法的自抗扰解耦控制方法。利用自抗扰解耦控制器的扩张状态观测器进行动态补偿,使用改进粒子群算法对扩张状态观测器的三个参数进行调节,使自抗扰解耦控制器达到更好的控制效果。对基于改进粒子群算法的自抗扰控制器进行仿真,仿真结果表明所提算法的解耦控制效果和抗干扰能力优于传统的自抗扰控制器。5、设计并制造了磁轴承支承的飞轮储能样机,对飞轮储能磁轴承数字控制系统的硬件和软件进行设计,最终研制了飞轮储能实验平台。基于该实验平台完成了转子起浮、稳定悬浮、抗干扰和带载等实验,根据实验结果分析了数字控制系统的运行性能。在该实验平台上使用无传感控制方法进行了起浮实验和动态悬浮实验,验证了基于改进粒子群最小二乘支持向量机位移预测模型的控制系统具有良好的悬浮控制性能;同时进行了抗干扰实验,结果表明该系统具有较强的抗干扰能力。在该实验平台上使用自抗扰控制器方法进行了抗干扰实验,结果表明基于改进粒子群算法的自抗扰控制器的抗干扰能力优于传统自抗扰控制器,实验结果验证了理论和仿真的有效性和正确性。