CN108565878A - 用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法及装置 - Google Patents

用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法及装置，其中，方法包括：由多个飞轮经过并联构成的飞轮储能阵列拓扑；阵列中单个飞轮的控制策略；并联到同一直流母线的多个飞轮构成的储能单元中各个飞轮的协调控制策略；并联到微电网交流母线的多个储能单元构成的储能阵列中各个储能单元的协调控制策略。该方法能够实现飞轮储能阵列的协调控制，保证飞轮储能阵列高效率稳定运行，实现功率的合理分配，并保证了电压幅值和频率在合理范围内。

Description

用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法及装置
技术领域
本发明涉及交流微电网中的储能技术领域，特别涉及一种用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法及装置。
背景技术
与传统的大电网不同，微网的惯性小，阻尼小，导致其抗干扰能力弱；另外，微网中接入了大量的间歇性可再生能源，如风力发电、光伏发电等等，运行时需要解决外界扰动的问题，维持微网稳定运行的难度较大。特别在微网孤岛模式下，失去大电网的支撑，难以维持交流电压的幅值和频率，从而可能导致负荷和风机无法正常运行等问题。储能系统动态特性好，效率高，成本高，能够快速提供有功及无功功率，支撑微网正常运行。因此，储能成为微网中提高安全性和提高电能质量的关键部分。
微网中的可再生能源一般规模较大，且波动较大，对储能提出了更高的要求，例如更大的储能量、更高的功率及更长的后备时间等。有两种对应解决的方法：一，研制更大容量的飞轮储能单体；二，串并联多个飞轮储能单体组成飞轮阵列储能系统。更大容量的飞轮储能单体需要的成本大大提升，并且对于飞轮本体的材料也提出了更高的要求；飞轮阵列储能系统相对来说成本更低，并且研发过程也更为简单，更适合大容量储能的要求。
目前主要的飞轮储能阵列系统拓扑主要包括两种：一是并联到直流母线，多个飞轮单体通过AC/DC变流器并联到直流母线后，通过一个DC/AC变流器连接到交流母线；二是并联到交流母线，各个飞轮单体通过AC/DC-DC/AC变流器并联到交流母线。
相关技术包括并联到直流母母线的飞轮阵列协调控制方式。(1)研究了并联到直流母线的飞轮阵列常用的策略：等功率、等转矩、等放电时间，并进行仿真验证有效性。(2)对于多飞轮的优化控制，以尽量减少损耗为控制目标分配功率：也使尽量少飞轮单元在线运行；(3)按照等增量速度原则分配功率指令。(4)研究了多个飞轮并联到交流母线的下垂协调控制，但较少涉及多个储能单元的功率分配问题
以上的相关技术涉及的是多个飞轮直接并联到直流母线或交流母线构成的飞轮储能阵列的控制，相对简单。然而多个飞轮先通过各自的变流器并联到直流母线构成一个飞轮储能单元，多个飞轮储能单元通过各自的变流器并联到交流母线构成一个复杂的飞轮储能阵列的协调控制更加复杂。另一方面，对于大规模储能，功率分配及效率提高也是需要考虑的重要问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，该方法能够实现飞轮储能阵列的协调控制，保证飞轮储能阵列高效率稳定运行，实现功率的合理分配，并保证了电压幅值和频率在合理范围内。
本发明的另一个目的在于提出一种用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，飞轮储能阵列包括所述飞轮储能阵列所接入的交流微电网、并网开关、直流母线电容、电力电子变流器和多个飞轮储能单体，且每个飞轮储能单体包括同轴连接的飞轮电机和飞轮转子，其中，所述控制方法包括：获取微电网交流母线电压的当前频率f和并联到所述微电网交流母线的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi，并根据所述当前频率f和频率参考值f*的差值与所述各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到参与调频的多个飞轮储能单元；根据参与调频的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到所述各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi；获取所述参与调频的各个飞轮储能单元的电压和电流，以得到每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi；根据每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi和所述各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi获取所述各个单元的并网变流器的电压幅值m和相角参考值θ，并进行PWM调制后得到控制所述并网变流器的PWM信号；获取所述各个飞轮储能单元的直流母线电容的电压Udci和直流母线电压参考值Udci *，并通过比例积分环节得到预设的飞轮储能单元总参考转矩Tei *；根据所述飞轮储能单元总参考转矩Tei *平均分配得到所述飞轮储能单元中各个飞轮电机的给定转矩Teij *；根据最大转矩电流比控制策略和各个飞轮电机的给定转矩Teij *得到所述飞轮电机的定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值idij*和iqij*；获取所述飞轮电机的位置信息θeij，并根据所述位置信息θeij将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将所述两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系；获取所述飞轮电机的定子三相电流iaij、ibij和icij经过坐标变换后得到两相旋转坐标系下的直流分量idij和iqij；根据idij*和idij、iqij和iqij*得到电压的d轴分量参考值ud*和q轴分量参考值uq*，并进行PWM调制后得到控制所述电力电子变流器的PWM信号。
本发明实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，在飞轮储能单元内，考虑到了实现飞轮的稳定控制，同时拥有转速变化范围大、直流母线电压稳定、控制策略简单等优点，维持直流电压稳定，从而可以将并联到同一直流母线的各个飞轮储能单体一起看作一个单元；同时，在整个飞轮储能阵列的层面上选择下垂控制，尽量减少通信，以保证控制的安全性，从而能够实现飞轮储能阵列的协调控制，保证飞轮储能阵列高效率稳定运行，实现功率的合理分配，并保证了电压幅值和频率在合理范围内。
另外，根据本发明上述实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述当前频率f和所述频率参考值f*的差值进行分段，其中，所述参与调频的飞轮储能单元的数量根据所述差值得到。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，如果需要放电，则根据所述荷电状态SOCi从大到小的优先原则选择单元；如果需要充电，则根据所述荷电状态从小到大的优先原则选择单元。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述最大转矩电流比控制策略通过如下公式计算：
其中，Te *为飞轮电机给定转矩，id*、iq*为飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值，p为飞轮电机极对数，Ld、Lq为飞轮电机d轴及q轴电感，ψf为飞轮电机磁链。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述飞轮电机为永磁同步电机。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置，飞轮储能阵列包括所述飞轮储能阵列所接入的交流微电网、并网开关、直流母线电容、电力电子变流器和多个飞轮储能单体，且每个飞轮储能单体包括同轴连接的飞轮电机和飞轮转子，其中，所述控制装置包括：第一获取模块，用于获取微电网交流母线电压的当前频率f和并联到所述微电网交流母线的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi，并根据所述当前频率f和频率参考值f*的差值与所述各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到参与调频的多个飞轮储能单元；第一处理模块，用于根据参与调频的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到所述各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi；第二获取模块，用于获取所述参与调频的各个飞轮储能单元的电压和电流，以得到每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi；第二处理模块，根据每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi和所述各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi获取所述各个单元的并网变流器的电压幅值m和相角参考值θ，并进行PWM调制后得到控制所述并网变流器的PWM信号；第三获取模块，用于获取所述各个飞轮储能单元的直流母线电容的电压Udci和直流母线电压参考值Udci *，并通过比例积分环节得到预设的飞轮储能单元总参考转矩Tei *；分配模块，用于根据所述飞轮储能单元总参考转矩Tei *平均分配得到所述飞轮储能单元中各个飞轮电机的给定转矩Teij *；第三处理模块，用于根据最大转矩电流比控制策略和各个飞轮电机的给定转矩Teij *得到所述飞轮电机的定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值idij*和iqij*；第一坐标变换模块，用于获取所述飞轮电机的位置信息θeij，并根据所述位置信息θeij将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将所述两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系；第二坐标变换模块，用于获取所述飞轮电机的定子三相电流iaij、ibij和icij经过坐标变换后得到两相旋转坐标系下的直流分量idij和iqij；调制模块，用于根据idij*和idij、iqij和iqij*得到电压的d轴分量参考值ud*和q轴分量参考值uq*，并进行PWM调制后得到控制所述电力电子变流器的PWM信号。
本发明实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置，在飞轮储能单元内，考虑到了实现飞轮的稳定控制，同时拥有转速变化范围大、直流母线电压稳定、控制策略简单等优点，维持直流电压稳定，从而可以将并联到同一直流母线的各个飞轮储能单体一起看作一个单元；同时，在整个飞轮储能阵列的层面上选择下垂控制，尽量减少通信，以保证控制的安全性，从而能够实现飞轮储能阵列的协调控制，保证飞轮储能阵列高效率稳定运行，实现功率的合理分配，并保证了电压幅值和频率在合理范围内。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述当前频率f和所述频率参考值f*的差值进行分段，其中，所述参与调频的飞轮储能单元的数量根据所述差值得到。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，如果需要放电，则根据所述荷电状态SOCi从大到小的优先原则选择单元；如果需要充电，则根据所述荷电状态从小到大的优先原则选择单元。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述最大转矩电流比控制策略通过如下公式计算：
其中，Te *为飞轮电机给定转矩，id*、iq*为飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值，p为飞轮电机极对数，Ld、Lq为飞轮电机d轴及q轴电感，ψf为飞轮电机磁链。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述飞轮电机为永磁同步电机。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的飞轮储能阵列及其电气连接示意图；
图2为根据本发明一个实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法的流程图；
图3为根据本发明一个具体实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法的流程图；
图4为根据本发明一个实施例的应用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法中飞轮储能阵列中改进下垂控制控制原理图；
图5为根据本发明一个实施例的应用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法中飞轮储能单元内等转矩控制原理图；
图6为根据本发明一个实施例的应用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法中飞轮储能单体控制原理图；
图7为根据本发明一个实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在介绍用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法及装置之前，先简单介绍一下飞轮储能阵列。
飞轮储能阵列主要由以下部分组成，分别是交流微电网、并网开关、滤波器、直流母线电容、电力电子变流器、飞轮储能单体。飞轮储能单体由飞轮转子、轴承、真空室和永磁同步电机组成。
具体而言，如图1所示，本发明实施例涉及到的飞轮储能阵列例如包括：飞轮储能系统所接入的交流微电网1、并网开关2、滤波器3、并网变流器4、直流母线电容5、机侧变流器6、飞轮电机7和飞轮转子8。其中，飞轮电机7和飞轮转子8同轴连接。飞轮电机7采用永磁同步电机，其中，飞轮转子8和永磁同步电机同轴连接，置于真空室中，永磁同步电机定子的A相绕组、B相绕组、C相绕组引出真空室。并网变流器4由三个桥臂组成，三个桥臂的正端相互连接在一起，负端相互连接在一起，分别引出作为并网变流器4的直流正极输出端和直流负极输出端。每个桥臂的两个IGBT管中间连接部位引出作为交流输出端，三个桥臂的交流输出端分别构成了并网变流器4的交流A相输出端、B相输出端、C相输出端。机侧变流器6由三个桥臂组成，三个桥臂的正端相互连接在一起，负端相互连接在一起，分别引出作为机侧变流器6的直流正极输出端和直流负极输出端。每个桥臂的两个IGBT管中间连接部位引出作为交流输出端，三个桥臂的交流输出端分别构成了机侧变流器6的交流A相输出端、B相输出端、C相输出端。
另外，飞轮储能阵列的电气连接为：多个飞轮电机7的定子A相绕组、B相绕组、C相绕组分别和电机侧变流器6交流侧的A相输出端、B相输出端、C相输出端相连；电机侧变流器6直流侧的正极输出端和直流母线电容5的正极相连，直流母线电容5的正极与直并网变流器4的正极相连；机侧变流器6直流侧的负极输出端和直流母线电容5的负极相连，直流母线电容5的负极与直并网变流器4的正极相连；多个机侧变流器6交流侧的A相输出端、B相输出端、C相输出端分别通过并网开关2和滤波器3与交流微电网1的A相、B相、C相相连。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法。
图2是本发明一个实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法的流程图。
如图2所示，该用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，其中，飞轮储能阵列包括飞轮储能阵列所接入的交流微电网、并网开关、直流母线电容、电力电子变流器和多个飞轮储能单体，且每个飞轮储能单体包括同轴连接的飞轮电机和飞轮转子，其中，控制方法包括：：
在步骤S201中，获取微电网交流母线电压的当前频率f和并联到微电网交流母线的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi，并根据当前频率f和频率参考值f*的差值与各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到参与调频的多个飞轮储能单元。
可以理解的是，如图3所示，本发明实施例获取微电网交流母线电压的当前频率f和并联到微网交流母线的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi，根据频率f和频率参考值f*的差值，以及各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi决定参与投入调频的飞轮储能单元。
具体而言，决定投入调频的飞轮储能单元数n的策略为：
其中，N为并联的飞轮储能单元的个数，△fmax为微网频率幅值允许波动的最大值。对各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi进行排序：如果△f>0,需要飞轮储能进行充电，则选择荷电状态SOCi最小的n个单元参与调频；如果△f≤0,需要飞轮储能进行充电，则选择荷电状态SOCi最大的n个单元参与调频。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据当前频率f和频率参考值f*的差值进行分段，其中，参与调频的飞轮储能单元的数量根据差值得到。
可以理解的是，本发明实施例根据频率f和频率参考值f*的差值进行分段，差值越大，投入更多的飞轮储能单元。
在步骤S202中，根据参与调频的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi。
可以理解的是，如图3所示，本发明实施例根据的参与调频的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi，计算得到各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi。
其中，计算方法为：
kf1SOC1＝kf2SOC2＝…＝kfiSOCi＝Δfmax。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，如果需要放电，则根据荷电状态SOCi从大到小的优先原则选择单元；如果需要充电，则根据荷电状态从小到大的优先原则选择单元。
可以理解的是，当需要放电时，优先选择荷电状态SOCi大的单元，当需要充电时，优先选择荷电状态SOCi小的单元。
在步骤S203中，获取参与调频的各个飞轮储能单元的电压和电流，以得到每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi。
可以理解的是，本发明实施例获取的参与调频的各个飞轮储能单元的电压和电流，计算得到各个单元的有功及无功功率Pi和Qi
在步骤S204中，根据每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi和各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi获取各个单元的并网变流器的电压幅值m和相角参考值θ，并进行PWM调制后得到控制并网变流器的PWM信号。
可以理解的是，如图4所示，本发明实施例根据各个单元的有功及无功功率Pi和Qi，以及下垂控制系数kfi，由各个单元的下垂控制策略，计算得到各个单元并网变流器的电压幅值和相角参考值m和θ，进行PWM调制后得到控制变流器的PWM信号。其中，下垂控制方程为：
在步骤S205中，获取各个飞轮储能单元的直流母线电容的电压Udci和直流母线电压参考值Udci *，并通过比例积分环节得到预设的飞轮储能单元总参考转矩Tei *。
可以理解的是，如图5所示，本发明实施例获取储能单元的直流母线电容的电压Udci和直流母线电压参考值Udci *，并通过比例积分环节计算得到给定的飞轮储能单元总参考转矩Tei *。
在步骤S206中，根据飞轮储能单元总参考转矩Tei *平均分配得到飞轮储能单元中各个飞轮电机的给定转矩Teij *。
可以理解的是，如图6所示，本发明实施例获取的飞轮储能单元总参考转矩Tei *，平均分配计算得到飞轮储能单元中各个飞轮电机的给定转矩Teij *
可选地，在本发明的一个实施例中，飞轮电机可以为永磁同步电机。
在步骤S207中，根据最大转矩电流比控制策略和各个飞轮电机的给定转矩Teij *得到飞轮电机的定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值idij*和iqij*。
可以理解的是，根据的最大转矩电流比控制策略，给定转矩Teij*计算得到得到飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值idij*、iqij*。
进一步地，在本发明的一个实施例中，最大转矩电流比控制策略通过如下公式计算：
其中，Te *为飞轮电机给定转矩，id*、iq*为飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值，p为飞轮电机极对数，Ld、Lq为飞轮电机d轴及q轴电感，ψf为飞轮电机磁链。
在步骤S208中，获取飞轮电机的位置信息θeij，并根据位置信息θeij将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系。
可以理解的是，如图3所示，获取飞轮电机的位置信息θeij，并根据位置信息θeij将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系。
在步骤S209中，获取飞轮电机的定子三相电流iaij、ibij和icij经过坐标变换后得到两相旋转坐标系下的直流分量idij和iqij。
可以理解的是，获取飞轮电机定子三相电流iaij、ibij、icij经过坐标变换后得到两相旋转坐标系下的直流分量idij、iqij，其中，将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系的坐标系变换公式为：
将两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系的坐标系变换公式为：
在步骤S210中，根据idij*和idij、iqij和iqij*得到电压的d轴分量参考值ud*和q轴分量参考值uq*，并进行PWM调制后得到控制电力电子变流器的PWM信号。
可以理解的是，如图3所示，根据idij*和idij、iqij和iqij*计算得到电压的d轴分量参考值ud*和q轴分量参考值uq*，进行PWM调制后得到控制电力电子变流器的PWM信号。
进一步地，本发明实施例的方法主要包括三层控制：在飞轮储能阵列的层面上，各个飞轮储能单元之间采取改进下垂控制；在飞轮储能单元层面上，各个飞轮储能单体之间采取等转矩控制；在飞轮单体层面上，采取最大转矩电流比控制。即上层控制为改进下垂控制，下层控制为等转矩控制。
具体地，上层控制只需要下层控制的SOC信息，并且由于实际使用的飞轮一般转动惯量较大，因此SOC的值变化较为缓慢，控制时可以以秒为单位进行采样，大大减少了上层和下层之间的通信，提高了控制系统安全性；第二，考虑到飞轮储能的优势在于短时间大功率充放电，在需要调用飞轮储能的时候，连入尽量少的储能单元并以尽量大的功率运行，从而尽量提高储能充放电效率；第三，改进下垂控制能够使得各个储能单元按照SOC自动进行功率分配，使得各个飞轮储能单元SOC值趋向于一致，避免飞轮转速过高或者过低。飞轮转速过高时，易出现安全问题，并且高转速状态下损耗较大；飞轮转速过低时，易于退出运行，影响稳定性，并且失去阵列大功率的优点。下层控制的等转矩控制及最大转矩电流比控制，具有转速变化范围大、直流母线电压稳定、控制策略简单的优点，并有利于SOC值的均一化。
综上，由多个飞轮经过并联构成的飞轮储能阵列拓扑；阵列中单个飞轮的控制策略；并联到同一直流母线的多个飞轮构成的储能单元中各个飞轮的协调控制策略；并联到微电网交流母线的多个储能单元构成的储能阵列中各个储能单元的协调控制策略，从而能够实现飞轮储能阵列的协调控制，保证飞轮储能阵列高效率稳定运行，实现功率的合理分配。
根据本发明实施例提出的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，在飞轮储能单元内，考虑到了实现飞轮的稳定控制，同时拥有转速变化范围大、直流母线电压稳定、控制策略简单等优点，维持直流电压稳定，从而可以将并联到同一直流母线的各个飞轮储能单体一起看作一个单元；同时，在整个飞轮储能阵列的层面上选择下垂控制，尽量减少通信，以保证控制的安全性，从而能够实现飞轮储能阵列的协调控制，保证飞轮储能阵列高效率稳定运行，实现功率的合理分配，并保证了电压幅值和频率在合理范围内。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置。
图7是本发明一个实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置的结构示意图。
如图7所示，该用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置10，飞轮储能阵列包括飞轮储能阵列所接入的交流微电网、并网开关、直流母线电容、电力电子变流器和多个飞轮储能单体，且每个飞轮储能单体包括同轴连接的飞轮电机和飞轮转子，其中，控制装置10包括：第一获取模块100、第一处理模块200、第二获取模块300、第二处理模块400、第三获取模块500、分配模块600、第三处理模块700、第一坐标变换模块800、第二坐标变换模块900和调制模块1000。
其中，第一获取模块100用于获取微电网交流母线电压的当前频率f和并联到微电网交流母线的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi，并根据当前频率f和频率参考值f*的差值与各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到参与调频的多个飞轮储能单元。第一处理模块200用于根据参与调频的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi。第二获取模块300用于获取参与调频的各个飞轮储能单元的电压和电流，以得到每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi。第二处理模块400根据每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi和各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi获取各个单元的并网变流器的电压幅值m和相角参考值θ，并进行PWM调制后得到控制并网变流器的PWM信号。第三获取模块500用于获取各个飞轮储能单元的直流母线电容的电压Udci和直流母线电压参考值Udci *，并通过比例积分环节得到预设的飞轮储能单元总参考转矩Tei *。分配模块600用于根据飞轮储能单元总参考转矩Tei *平均分配得到飞轮储能单元中各个飞轮电机的给定转矩Teij *。第三处理模块700用于根据最大转矩电流比控制策略和各个飞轮电机的给定转矩Teij *得到飞轮电机的定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值idij*和iqij*。第一坐标变换模块800用于获取飞轮电机的位置信息θeij，并根据位置信息θeij将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系。第二坐标变换模块900用于获取飞轮电机的定子三相电流iaij、ibij和icij经过坐标变换后得到两相旋转坐标系下的直流分量idij和iqij。调制模块1000用于根据idij*和idij、iqij和iqij*得到电压的d轴分量参考值ud*和q轴分量参考值uq*，并进行PWM调制后得到控制电力电子变流器的PWM信号。本发明实施例的装置10能够实现飞轮储能阵列的协调控制，保证飞轮储能阵列高效率稳定运行，实现功率的合理分配，并保证了电压幅值和频率在合理范围内。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据当前频率f和频率参考值f*的差值进行分段，其中，参与调频的飞轮储能单元的数量根据差值得到。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，如果需要放电，则根据荷电状态SOCi从大到小的优先原则选择单元；如果需要充电，则根据荷电状态从小到大的优先原则选择单元。
进一步地，在本发明的一个实施例中，最大转矩电流比控制策略通过如下公式计算：
其中，Te *为飞轮电机给定转矩，id*、iq*为飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值，p为飞轮电机极对数，Ld、Lq为飞轮电机d轴及q轴电感，ψf为飞轮电机磁链。
进一步地，在本发明的一个实施例中，飞轮电机为永磁同步电机。
需要说明的是，前述对用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，在飞轮储能单元内，考虑到了实现飞轮的稳定控制，同时拥有转速变化范围大、直流母线电压稳定、控制策略简单等优点，维持直流电压稳定，从而可以将并联到同一直流母线的各个飞轮储能单体一起看作一个单元；同时，在整个飞轮储能阵列的层面上选择下垂控制，尽量减少通信，以保证控制的安全性，从而能够实现飞轮储能阵列的协调控制，保证飞轮储能阵列高效率稳定运行，实现功率的合理分配，并保证了电压幅值和频率在合理范围内。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，其特征在于，飞轮储能阵列包括所述飞轮储能阵列所接入的交流微电网、并网开关、直流母线电容、电力电子变流器和多个飞轮储能单体，且每个飞轮储能单体包括同轴连接的飞轮电机和飞轮转子，其中，所述控制方法包括：
获取微电网交流母线电压的当前频率f和并联到所述微电网交流母线的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi，并根据所述当前频率f和频率参考值f*的差值与所述各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到参与调频的多个飞轮储能单元；
根据参与调频的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到所述各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi；
获取所述参与调频的各个飞轮储能单元的电压和电流，以得到每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi；
根据每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi和所述各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi获取所述各个单元的并网变流器的电压幅值m和相角参考值θ，并进行PWM调制后得到控制所述并网变流器的PWM信号；
获取所述各个飞轮储能单元的直流母线电容的电压Udci和直流母线电压参考值Udci *，并通过比例积分环节得到预设的飞轮储能单元总参考转矩Tei *；
根据所述飞轮储能单元总参考转矩Tei *平均分配得到所述飞轮储能单元中各个飞轮电机的给定转矩Teij *；
根据最大转矩电流比控制策略和各个飞轮电机的给定转矩Teij *得到所述飞轮电机的定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值idij*和iqij*；
获取所述飞轮电机的位置信息θeij，并根据所述位置信息θeij将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将所述两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系；
获取所述飞轮电机的定子三相电流iaij、ibij和icij经过坐标变换后得到两相旋转坐标系下的直流分量idij和iqij；以及
根据idij*和idij、iqij和iqij*得到电压的d轴分量参考值ud*和q轴分量参考值uq*，并进行PWM调制后得到控制所述电力电子变流器的PWM信号。
2.根据权利要求1所述的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，其特征在于，根据所述当前频率f和所述频率参考值f*的差值进行分段，其中，所述参与调频的飞轮储能单元的数量根据所述差值得到。
3.根据权利要求1所述的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，其特征在于，其中，
如果需要放电，则根据所述荷电状态SOCi从大到小的优先原则选择单元；
如果需要充电，则根据所述荷电状态从小到大的优先原则选择单元。
4.根据权利要求1所述的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，其特征在于，所述最大转矩电流比控制策略通过如下公式计算：
其中，Te *为飞轮电机给定转矩，id*、iq*为飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值，p为飞轮电机极对数，Ld、Lq为飞轮电机d轴及q轴电感，ψf为飞轮电机磁链。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制方法，其特征在于，所述飞轮电机为永磁同步电机。
6.一种用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置，其特征在于，飞轮储能阵列包括所述飞轮储能阵列所接入的交流微电网、并网开关、直流母线电容、电力电子变流器和多个飞轮储能单体，且每个飞轮储能单体包括同轴连接的飞轮电机和飞轮转子，其中，所述控制装置包括：
第一获取模块，用于获取微电网交流母线电压的当前频率f和并联到所述微电网交流母线的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi，并根据所述当前频率f和频率参考值f*的差值与所述各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到参与调频的多个飞轮储能单元；
第一处理模块，用于根据参与调频的各个飞轮储能单元的荷电状态SOCi得到所述各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi；
第二获取模块，用于获取所述参与调频的各个飞轮储能单元的电压和电流，以得到每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi；
第二处理模块，根据每个单元的有功功率Pi和无功功率Qi和所述各个飞轮储能单元下垂控制的系数kfi获取所述各个单元的并网变流器的电压幅值m和相角参考值θ，并进行PWM调制后得到控制所述并网变流器的PWM信号；
第三获取模块，用于获取所述各个飞轮储能单元的直流母线电容的电压Udci和直流母线电压参考值Udci *，并通过比例积分环节得到预设的飞轮储能单元总参考转矩Tei *；
分配模块，用于根据所述飞轮储能单元总参考转矩Tei *平均分配得到所述飞轮储能单元中各个飞轮电机的给定转矩Teij *；
第三处理模块，用于根据最大转矩电流比控制策略和各个飞轮电机的给定转矩Teij *得到所述飞轮电机的定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值idij*和iqij*；
第一坐标变换模块，用于获取所述飞轮电机的位置信息θeij，并根据所述位置信息θeij将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将所述两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系；
第二坐标变换模块，用于获取所述飞轮电机的定子三相电流iaij、ibij和icij经过坐标变换后得到两相旋转坐标系下的直流分量idij和iqij；以及
调制模块，用于根据idij*和idij、iqij和iqij*得到电压的d轴分量参考值ud*和q轴分量参考值uq*，并进行PWM调制后得到控制所述电力电子变流器的PWM信号。
7.根据权利要求6所述的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置，其特征在于，根据所述当前频率f和所述频率参考值f*的差值进行分段，其中，所述参与调频的飞轮储能单元的数量根据所述差值得到。
8.根据权利要求6所述的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置，其特征在于，其中，
如果需要放电，则根据所述荷电状态SOCi从大到小的优先原则选择单元；
如果需要充电，则根据所述荷电状态从小到大的优先原则选择单元。
9.根据权利要求6所述的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置，其特征在于，所述最大转矩电流比控制策略通过如下公式计算：
其中，Te *为飞轮电机给定转矩，id*、iq*为飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值，p为飞轮电机极对数，Ld、Lq为飞轮电机d轴及q轴电感，ψf为飞轮电机磁链。
10.根据权利要求6-9任一项所述的用于微电网孤岛状态的飞轮储能阵列协调控制装置，其特征在于，所述飞轮电机为永磁同步电机。
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