CN104682764A - 一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器 - Google Patents

Abstract

一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其组成包括：仿真模块、电流控制模块，控制系统、变流器、飞轮储能系统等效模型，其特征是仿真分析电网侧电力变换装置工作在整流和逆变状态时的动态响应性能，研究所设计系统和参数的正确性。研究电网侧变流器的拓扑结构，建立其数学模型，并搭建其仿真模型；根据飞轮储能系统与电网能量传递的平衡要求，研究电网侧变流器的电流控制技术，有功与无功功率的控制，解耦控制策略；给出解耦后控制系统的数学模型，基于工程设计法进行控制参数设计，构建控制系统的仿真程序；分析研究电网电压相角锁相环技术和变流器的PWM控制方式，选择合适的控制方式满足要求交流侧电网电流总谐波畸变率指标。

Description

一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器

技术领域

本发明涉及的是一种应用于电网变流装置的控制器，特别涉及的是一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器。

背景技术

飞轮储能是一种简单的机械储能装置,而作为电能储存装置是近年来才受到特别的关注。近代的飞轮系统由飞轮本体(转子)、保护罩、轴承及密封装置等机械部分和电动发电机组变频器等电力输人输出部分以及真空泵、润滑油供给等补给部分组成。飞轮储能电力变换装置是飞轮系统电能与机械能转换的桥梁，国内外科研人员主要针对飞轮电机的控制、变流器建模与仿真和并网技术进行研究。飞轮储能电力变换器由电网侧变流器和电机侧变流器组成，下面就对各自的国内外研究现状归纳如下。影响电机运行性能的主要有电机的驱动方式、PWM调制方式及控制策略。不同驱动方式适用于不同飞轮电机。美国Beacon公司的飞轮储能系统也采用的永磁同步飞轮电机，但其采用正弦波脉宽调制。对于电网侧变流器，本发明以三相电压型PWM变流器拓扑作为网侧变流器的研究对象。三相电压源型变流器的优点是网侧电流谐波小、允许能量双向流动、并网功率因数可控，近年来用于并网发电的研究，尤其是它的设计方法、控制策略均成为研究的热点。电网侧变流器的控制策略按照电流控制方式可分为“间接电流控制”和“直接电流控制”两种，但是因为间接电流控制不采用电流反馈，因此动态性能较差、对系统参数变化过为敏感，目前逐步被“直接电流控制”取代。三相电压源型PWM变流器相对不可控整流的显著优点为电流谐波小，并且功率因数可控。为了实现功率因数的可控，变流器并联运行是实际飞轮储能系统必须面临的问题。并联运行能够增大整个系统的容量，提高系统工作的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对三相电压型PWM变流器拓扑作为网侧变流器的电网设计一种高效可靠的控制方法。

本发明是这样实现的：

一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其组成包括：仿真模块、电流控制模块，控制系统、变流器、飞轮储能系统等效模型，其特征是仿真分析电网侧电力变换装置工作在整流和逆变状态时的动态响应性能，研究所设计系统和参数的正确性。

所述的一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其特征是：电网侧变流器在同步旋转坐标系下的数学模型：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_d+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_q-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d+e_q-u_q\\ L\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{2}(i_d\·{\mathrm{\ρ}}_d+i_q\·{\mathrm{\ρ}}_q)-i_L\end{array}\right.$

所述的一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其特征是：直流母线电容：

$C=\frac{2P_0}{(U_{\max }^2-U_{\min }^2)\·f_R}=\frac{2\·100000}{[{(\sqrt{2}\·700)}^2-{((1-5\%)\·\sqrt{2}\·700)}^2]\·300}=6977\mathrm{\μF}$

所述的一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其特征是：采用双闭环控制结构的电网侧变流器，以电压环作为其内环，电流环作为其外环。

研究电网侧变流器的拓扑结构，建立其数学模型，并搭建其仿真模型；根据飞轮储能系统与电网能量传递的平衡要求，研究电网侧变流器的电流控制技术，有功与无功功率的控制，解耦控制策略；给出解耦后控制系统的数学模型，基于工程设计法进行控制参数设计，构建控制系统的仿真程序；分析研究电网电压相角锁相环技术和变流器的PWM控制方式，选择合适的控制方式满足要求交流侧电网电流总谐波畸变率指标。最后结合飞轮储能系统的等效模型，仿真分析电网侧电力变换装置工作在整流和逆变状态时的动态响应性能，研究所设计系统和参数的正确性。

本发明还包括：

电网侧变流器的闭环控制方法：

采用双闭环控制结构的电网侧变流器，以电压环作为其内环，电流环作为其外环。网侧变流器吸收的有功功率与轴电流有关，无功功率与轴电流有关。调节轴电流，若使网侧变流器输入的有功功率与电机侧变流器消耗的功率相比较大时，多余的功率就会使电网侧变流器直流母线电压上升，反之若网侧变流器输入的有功功率与电机侧变流器消耗的功率相比较小时，直流母线电压便会下降，因此直流电压的调节通过控制轴电流来实现。而控制系统的功率因数可通过调节轴电流来实现。

本发明的优点：

（1）降低主电源谐波，浪涌和峰值电流并限制换相时电网侧的压降；

（2）减小电网系统变化时所产生的电流冲击并且防止主电源的电压脉冲引起的跳闸。

（3）提高低频传导抗干扰性和功率因数；

附图说明

图1为电网侧变流器的拓扑结构；

图2为电网侧变流器的闭环控制框图；

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，图1是电网侧变流器的拓扑结构。为了简化电网侧变流器的数学模型，通常作如下假设：（1）忽略电感饱和；（2）忽略开关管及反并联二极管的导通压降；（3）不考虑死区的影响，并且认为上下桥臂开关管驱动信号互补。对上述电路列写电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+R\·i_a=e_a-(u_{\mathrm{ao}}-u_{\mathrm{no}})\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}+R\·i_b=e_b-(u_{\mathrm{bo}}-u_{\mathrm{no}})\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+R\·i_c=e_c-(u_{\mathrm{co}}-u_{\mathrm{no}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

假定系统三相完全对称则：i_a+i_b+i_c=0；e_a+e_b+e_c=0，将(2-1)式中的三个等式相加：

$u_{\mathrm{no}}=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{ao}}+u_{\mathrm{bo}}+u_{\mathrm{co}})---\left(2\right)$

根据PWM面积等效原理，忽略变流器输出电压、电流中的高次谐波，设A、B、C三相桥臂开关管驱动信号的占空比为ρ_a，ρ_b，ρ_c。则

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ao}}={\mathrm{\ρ}}_a\·V_{\mathrm{dc}}\\ u_{\mathrm{bo}}={\mathrm{\ρ}}_b\·V_{\mathrm{dc}}\\ u_{\mathrm{co}}={\mathrm{\ρ}}_c\·V_{\mathrm{dc}}\\ i_{\mathrm{dc}}={\mathrm{\ρ}}_a\·i_a+{\mathrm{\ρ}}_b\·i_b+{\mathrm{\ρ}}_c\·i_c\end{array}\right.---\left(3\right)$

直流母线处的电压电流方程为：

$C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{dc}}-i_L---\left(4\right)$

联立（1）、（2）、（3）、（4）可以得出电机侧变流器在静止坐标系下，占空比描述函数数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\underset{k=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{i}_k\·{\mathrm{\ρ}}_k-i_L\\ L\frac{{\mathrm{di}}_k}{\mathrm{dt}}+R\·i_k=e_k-V_{\mathrm{dc}}\·({\mathrm{\ρ}}_k-\underset{j=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_j)\\ \underset{j=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{e}_j=\underset{j=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{i}_j=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中i_L——直流负载的电流。

电网侧变流器在静止坐标系下的数学模型简单直观，但其缺点是变流器交流侧的电压、电流均为交流量，不利于系统闭环设计。因此需要采用坐标变换，通过坐标变换可以使静止坐标系下的电压电流变换到同步旋转坐标，这样三相对称的正弦电流电压就转化为旋转坐标系统中的直流量，从而简化了系统的闭环设计。而且在旋转坐标系中，A、B、C三相电压电流的相位及幅值的控制可以通过控制电压或电流的dq轴分量来实现。为了将三相静止坐标系变换到同步旋转坐标系，一般先将三相静止坐标系变换为两相静止坐标系，并且引入零轴分量。三相静止坐标系变换到两相静止坐标系称为Clark变换，以电流变换为例采用等幅值变换时其变换矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_o\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right]---\left(6\right)$

两相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换称为Park变换，不考虑零轴分量以电流变换为例其坐标变换矩阵为：

将三相静止坐标系数学模型利用坐标变换得到同步旋转坐标系下的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_d+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_q-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d+e_q-u_q\\ L\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{2}(i_d\·{\mathrm{\ρ}}_d+i_q\·{\mathrm{\ρ}}_q)-i_L\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，i_d,i_q：电流矢量的dq轴分量；u_d,u_q：电压矢量的dq轴分量；e_d,e_q：电网电压的dq轴分量；ρ_d,ρ_q：占空比矢量的dq轴分量。

忽略u_d,u_q中高次谐波，其可以根据占空比矢量计算得到，关系式为：

u_d=ρ_d·V_dc

u_q=ρ_q·V_dc

结合图2，图2为电网侧变流器的闭环控制框图。采用双闭环控制结构的电网侧变流器，以电压环作为其内环，电流环作为其外环。d轴电流的给定是电压环的输出。q轴电流的给定大小由功率因数决定，当功率因数取1或-1时，q轴电流给定为0。dq轴电流给定值与实际反馈的电流值进行比较，经过PI调节器，再加上各自解耦项和电网电压前馈补偿，得到变流器给定输出，再经过Park反变换得到，最后送入SVPWM，这样便生成模块产生开关管SVPWM驱动信号。

下面分析飞轮系统在储能时，电网侧变流器工作情况。在飞轮由保持模式进入到储能模式时，电机侧变流器吸收的有功功率变大，从而使直流母线电压下降，此时电压环误差大于0，电压环PI调节器输出的d轴电流给定值变大，经过电流调节器作用，实际d轴电流跟踪电流给定值，这样一来电网侧变流器吸收功率也变大，从而使直流母线电压在电压给定值附近恒定不变。

在储能时电网侧变流器从电网吸收功率，此时d轴电流为正值，变流器工作在PWM整流模式。同理在飞轮释能时电网侧变流器把功率反馈给电网，d轴电流给定值为负，变流器工作在PWM逆变模式。

Claims (4)

1.一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其组成包括：仿真模块、电流控制模块，控制系统、变流器、飞轮储能系统等效模型，其特征是仿真分析电网侧电力变换装置工作在整流和逆变状态时的动态响应性能，研究所设计系统和参数的正确性。

2.根据权利要求1所述的一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其特征是：电网侧变流器在同步旋转坐标系下的数学模型：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_d+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+e_d-u_d\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_q-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d+e_q-u_q\\ L\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{3}{2}(i_d\·{\mathrm{\ρ}}_d+i_q\·{\mathrm{\ρ}}_q)-i_L\end{array}\right.$

3.根据权利要求2所述的一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其特征是：直流母线电容：

$C=\frac{2P_0}{(U_{\max }^2-U_{\min }^2)\·f_R}=\frac{2\·100000}{[{(\sqrt{2}\·700)}^2-{((1-5\%)\·\sqrt{2}\·700)}^2]\·300}=6977\mathrm{\μF}$

4.根据权利要求3所述的一种应用于飞轮储能系统电网侧变流装置控制器，其特征是：采用双闭环控制结构的电网侧变流器，以电压环作为其内环，电流环作为其外环。