CN108809189B - 一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，采用连续参考转速曲线减小系统充电过程中转子承受的振动和冲击；对于轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，在外环转速控制中，通过自适应补偿方法，对内部参数和外部负载进行估算；随后将估算结果与鲁棒控制器的输出结果叠加，作为q轴参考电流提供给内环电流控制，然后获得q轴控制输入电流，精确控制转子转速。本发明将连续参考转速曲线、鲁棒控制、自适应补偿、线性控制相结合，能够有效提高调频型飞轮储能系统充电过程中的系统性能，改善转速跟踪误差。

Description

一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法

技术领域

本发明涉及应用于电网调频的飞轮储能系统，具体涉及一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法。

背景技术

随着风力、光伏等新能源发电大规模接入我国电网，其间歇性、不确定性及波动性均会对电网频率的稳定性产生不容忽视的影响。为了保证电网可靠、稳定运行，需要调节控制电网频率，即电网调频。现阶段国内的调频机组主要为火电机组，但由于其响应速度慢、爬坡速率低的缺点，调频质量与灵活性难以满足要求。

一个典型的飞轮储能系统(FESS)主要由飞轮转子、轴承支撑系统、双向能量变换器、飞轮电机和真空室组成。飞轮储能系统的调频效果远优于火电机组，能够有效提高电网频率稳定性，从而保证电网运行的可靠性和安全性。然而电网调频以秒级计算调整时间，同时飞轮储能系统具有大惯性、时变、非线性等特点,系统稳定性易受扰动(如电网波动)和系统参数变化的影响。因此，亟需提高上述条件下FESS系统充电过程的系统性能和转速跟踪精度，并减小飞轮转子的振动和冲击。

对于采用永磁同步电机(PMSM)的飞轮储能系统的充电控制，即转子转速控制，现有技术中或将改进型滑模观测器应用于基于PI控制器的速度外环、电流内环的充电控制方式，以实现无速度传感器控制；或应用外环转速内环电流的双闭环控制策略，通过神经网络算法来对控制器中的PID参数进行调整；或应用转速外环滑模控制，电流内环PI控制；然而，其均未考虑FESS系统在并网充电过程中电机的动力学参数变化和电网波动对系统性能和转速跟踪误差产生的影响。因此，亟待设计一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，解决充电过程中转子承受较大的振动和冲击以及电机的动力学参数变化和电网波动对系统性能和转速跟踪误差的影响。

发明内容

基于现有技术的不足之处，本发明提供了一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法。对轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机采用连续参考转速曲线来减小系统充电过程中的转子承受的振动和冲击；然后应用外环转速鲁棒控制和自适应补偿方法，内环电流线性控制的闭环控制方法；在外环转速控制中，通过自适应补偿方法，对内部参数和外部负载进行估算；随后将估算结果与鲁棒控制器的输出结果叠加后，作为参考电流提供给内环电流控制，进而通过q轴控制输入电流，控制永磁同步电机输出转速，实现转子转速的最小输出误差；从而解决系统充电过程中的转子承受较大振动和冲击以及电机的动力学参数变化和电网波动对系统性能和转速跟踪误差影响和技术难题，为并网调频型飞轮储能系统充电过程中精确的转速控制提供技术支持。

本发明解决上述问题的技术方案包括以下步骤：

1)为减小飞轮储能系统在充电过程中转子承受的振动和冲击，根据转子初始转速和最终期望转速，设定达到最终期望转速过程中转子转速、角加速度、角加加速度均连续，起始和结束的角加速度与角加加速度均为0，进而获得连续转速曲线，作为转速控制的参考输入曲线；

2)针对电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，应用转速-电流双闭环控制，外环为转速环，采用自适应补偿器和鲁棒控制器进行控制；内环为电流环，应用线性控制器进行控制；

外环转速控制中，连续参考转速曲线与实际转速反馈相减后的误差值，输入鲁棒控制器，获得输出结果；通过自适应补偿器对内部参数和外部负载进行估算；将估算结果与鲁棒控制器的输出结果叠加后，作为q轴参考电流提供给内环电流控制；在内环电流控制中，q轴参考电流与实际q轴反馈电流相减后的误差值，输入线性控制器，获得q轴控制输入电流；q轴控制输入电流输入永磁同步电机，进而控制永磁同步电机输出转速，从而实现对安装在电机轴上的飞轮转子转速的精确控制。

进一步地，所述连续参考转速曲线如下：

ω(t)＝ω₀+(ω_f-ω₀)·[6·(t/T_d)⁵-15·(t/T_d)⁴+10·(t/T_d)³] (1)

其中：ω₀为转子初始转速，ω_f为转子最终期望转速，T_d为时间周期，t∈[0 T_d]。

进一步地，针对电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，在同步旋转坐标d-q轴下，设定d轴的等效电流为零，系统动力学模型如下：

式中：J为电机和负载折算的转动惯量，B为电机的黏性摩擦系数，ω_m代表转子当前转速，T_e代表电机转矩，T_L为负载转矩或扰动集合，p代表电动机的极对数，ψ_f为电动机的磁通，i_q为q轴电流。

进一步地，将式(2)中第二个公式中的T_e代入第一个公式，并考虑系统动力学模型的不确定项，获得下述公式：

式中：k_t为力矩系数，

为转子转速对时间的导数，d代表模型的有界的非线性不确定项。

进一步地，考虑通过q轴电流来控制转子转速的控制方法，式(3)改写为下述形式:

式中：u为控制方法，x₁＝ω_m，θ₁＝J,θ₂＝B,θ₃＝T_L。

进一步地，设定未知参数向量θ＝[θ₁ θ₂ θ₃]^T＝[J B T_L]^T，

使未知参数向量θ和非线性不确定项d的范围满足如下条件：

式(5)中，非线性不确定项d的范围为δ_d，未知参数向量θ的最大值为θ_max＝[θ_1maxθ_2max θ_3max]^T，最小值为θ_min＝[θ_1min θ_2min θ_3min]^T皆已知；

分别定义未知参数向量θ的估算值和估算误差为

和

向量θ通过如下参数投影自适应算法估算：

式(6)中τ为自适应函数，Γ为用于未知参数向量辨识的正定对角矩阵；

式(6)中的投影定位为(i＝1，2，3)：

式(7)中的投影定位满足下述条件：

进一步地，设定x₁为转子当前转速，设计如下控制方法u,获得系统内部参数和外部负载变化下的q轴参考电流,进而通过内环电流控制，得到q轴控制输入电流，控制永磁同步电机输出转速，实现转子转速的最小输出误差，

式中u_a为自适应补偿方法，u_s为鲁棒控制方法，i_q*为q轴参考电流。

设定：

式中转子的理想转速为x_1d(t)＝ω(t)，

定义反馈控制函数u_s1，鲁棒控制函数u_s2如下：

式中z₁＝x₁-x_1d，k₁为正增益，h为平滑函数并满足

θ_M＝θ_max-θ_min,ε为正的设定参数；

设定自适应补偿函数

结合式(6)，获得系统内部参数和外部负载变化下的自适应补偿方法u_a；通过自适应补偿方法u_a和鲁棒控制方法u_s，获得q轴的参考电流。

本发明的技术效果在于：首先对轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，采用连续参考转速曲线来减小系统充电过程中的转子承受的振动和冲击；然后应用外环转速鲁棒控制和自适应补偿方法，内环电流线性控制的闭环控制方法；在外环转速控制中，通过自适应补偿方法，对内部参数和外部负载进行估算；随后将估算结果与鲁棒控制器的输出结果叠加，作为q轴参考电流提供给内环电流控制；通过内环电流控制，获得q轴控制输入电流，控制永磁同步电机输出转速，实现转子转速的最小输出误差。在FESS系统充电过程中，通过本发明方法对轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机系统进行连续参考转速曲线、转速鲁棒控制、电机动力学参数变化和外部电网波动的自适应补偿，其实时性强，补偿效果明显，进而获得准确的内环q轴控制输入电流，精确控制永磁同步电机输出转速，有效解决了并网调频型飞轮储能系统充电过程中转子承受较大的振动和冲击以及电机的动力学参数变化和电网波动对系统性能和转速跟踪误差影响的技术难题。

附图说明

图1所示为并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法流程图；

图2所示为连续参考转速曲线下转速鲁棒控制和自适应补偿方法与PID方法的转子转速；

图3所示为连续参考转速曲线下转速鲁棒控制和自适应补偿方法与PID方法的转子角加速度；

图4所示为等加速度参考转速曲线下PID控制方法的转子转速；

图5所示为等加速度参考转速曲线下PID控制方法的转子角加速度。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中的仿真设备为国家重点研发计划(2017YFC0805905)资助项目提供。

如图1所示，一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，包括以下步骤：

1)根据转子初始转速和最终期望转速，设定达到最终期望转速过程中转子转速、角加速度、角加加速度均连续，起始和结束的角加速度与角加加速度均为0，进而获得连续转速曲线，作为转速控制的参考输入曲线；

ω(t)＝ω₀+(ω_f-ω₀)·[6·(t/T_d)⁵-15·(t/T_d)⁴+10·(t/T_d)³]

其中：ω₀为转子初始转速，ω_f为转子最终期望转速，T_d为时间周期，t∈[0 T_d]。

2)针对电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，应用转速-电流双闭环控制，外环为转速环，采用鲁棒控制和自适应补偿方法，电流环作为内环，应用线性控制方法。在同步旋转坐标d-q轴下，设定d轴的等效电流为零，系统动力学模型描述如下：

式中：J为电机和负载折算的转动惯量，B为电机的黏性摩擦系数，ω_m代表转子当前转速，T_e代表电机转矩，T_L为负载转矩或扰动集合，p代表电动机的极对数，ψ_f为电动机的磁通，i_q为q轴电流。

将上式中第二个公式中的T_e代入第一个公式，并考虑系统动力学模型的不确定项，获得下述公式：

其中

Te＝k_ti_q

式中k_t为力矩系数，

为转子转速对时间的导数，d代表模型的有界的非线性不确定项。

考虑通过q轴电流来控制转子转速的控制方法，上式改写为下述形式：

式中u为控制方法，x₁＝ω_m，θ₁＝J,θ₂＝B,θ₃＝T_L。

3)设定未知参数向量θ＝[θ₁ θ₂ θ₃]^T＝[J B T_L]^T，

使未知参数向量θ和非线性不确定项d的范围满足如下条件：

θ∈Ω_θ＝{θ:θ_min≤θ≤θ_max}

d∈Ω_d＝{d:|d|≤δ_d}

式中，非线性不确定项d的范围为δ_d，未知参数向量θ的最大值为θ_max＝[θ_1max θ_2maxθ_3max]^T，最小值为θ_min＝[θ_1min θ_2min θ_3min]^T皆已知。

分别定义向量θ的估算值和估算误差为

和

向量θ可通过如下参数投影自适应算法估算：

式中τ为自适应函数，Γ为用于未知参数向量辨识的正定对角矩阵，式中的投影定位为：

式中投影定位满足下述条件：

设定x₁为转子当前转速，设计如下控制方法u,通过获得系统内部参数和外部负载变化下的q轴参考电流,进而通过内环电流控制，获得q轴控制输入电流，控制永磁同步电机输出转速，实现转子转速的最小输出误差，

式中u_a为自适应补偿方法，u_s为鲁棒控制方法，，i_q*为q轴参考电流。

设定：

式中电机的理想转速为x_1d(t)＝ω(t)，

定义比例反馈控制函数u_s1，鲁棒控制函数u_s2如下：

其中

式中z₁＝x₁-x_1d，k₁为正增益，ε为正的设定参数，h为平滑函数并满足

及θ_M＝θ_max-θ_min。

设定自适应补偿函数

结合上述

获得系统内部参数和外部负载变化下的自适应补偿方法u_a；通过自适应补偿方法u_a和鲁棒控制方法u_s，获得q轴的参考电流。

为了验证连续参考转速曲线、转速鲁棒控制方法、电机动力学参数变化和外部电网波动的转子转速自适应补偿方法，建立了FESS充电过程的仿真模型，其中永磁同步电机额定转速为5000rpm，额定转矩为14Nm。电机采用外环转速鲁棒控制和自适应补偿方法，内环电流线性比例控制的闭环控制方法。设定电机的黏性摩擦系数变化范围为±1％。设定负载扰动为幅值0.3Nm的白噪声，占电机额定转矩的2.1％，来等效模拟电网的小幅波动。

FESS系统充电过程中，应用本发明的控制方法，获得转子转速连续参考曲线、鲁棒控制器和自适应扰动补偿器，仿真结果如图2、3所示，其中参考转速从0加速至5000rpm，转速稳态误差为0.03％，角加速度最大误差为1.2％。进一步地，基于根轨迹法设计转速PID控制器，仍然采用连续参考转速曲线，仿真结果如图2、3所示，系统的转速稳态误差为0.05％，角加速度最大误差为2.9％。

进一步地，设定转子转速为加速度恒定，进而获得等加速度的转子转速参考转速曲线，采用转速PID控制器，仿真结果如图4-5所示，其中转速稳态误差为0.07％，角加速度最大误差为3.3％。

由此可见，本发明的FESS系统充电控制方法，有效减小了转子承受的振动和冲击，解决了电机的动力学参数和电网波动对系统性能和转速跟踪误差的影响，尤其适用于并网调频型FESS系统在充电过程中的精确转速控制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限制于本文所示的实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)为减小飞轮储能系统在充电过程中转子承受的振动和冲击，根据转子初始转速和最终期望转速，设定达到最终期望转速过程中转子转速、角加速度、角加加速度均连续，起始和结束的角加速度与角加加速度均为0，进而获得连续转速曲线，作为转子转速控制的参考输入曲线；

所述连续转速曲线如下：

ω(t)＝ω₀+(ω_f-ω₀)·[6·(t/T_d)⁵-15·(t/T_d)⁴+10·(t/T_d)³] (1)

其中：ω₀为转子初始转速，ω_f为转子最终期望转速，T_d为时间周期，t∈[0 T_d]；2)针对电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，应用转速-电流双闭环控制，外环为转速环，采用自适应补偿器和鲁棒控制器进行控制；内环为电流环，应用线性控制器进行控制；

外环转速控制中，连续转速曲线与实际转速反馈相减后的误差值，输入鲁棒控制器，获得输出结果；通过自适应补偿器对内部参数和外部负载进行估算；将估算结果与鲁棒控制器的输出结果叠加后，作为q轴参考电流提供给内环电流控制；在内环电流控制中，q轴参考电流与实际q轴反馈电流相减后的误差值，输入线性控制器，获得q轴控制输入电流；q轴控制输入电流输入永磁同步电机，进而控制永磁同步电机输出转速，从而实现对安装在电机轴上的飞轮转子转速的精确控制。

2.根据权利要求1所述的一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，其特征在于，

针对电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，在同步旋转坐标d-q轴下，设定d轴的等效电流为零，系统动力学模型如下：

式中：J为电机和负载折算的转动惯量，B为电机的黏性摩擦系数，ω_m代表转子当前转速，T_e代表电机转矩，T_L为负载转矩或扰动集合，p代表电动机的极对数，ψ_f为电动机的磁通，i_q为q轴电流。

3.根据权利要求2所述的一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，其特征在于，

将式(2)中第二个公式中的T_e代入第一个公式，并考虑系统动力学模型的不确定项，获得下述公式：

其中

式中：k_t为力矩系数，

为转子转速对时间的导数，d代表模型的有界的非线性不确定项。

4.根据权利要求3所述的一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，其特征在于，

考虑通过q轴电流来控制转速的控制方法，式(3)改写为下述形式:

式中：u为控制变量，x₁＝ω_m，θ₁＝J,θ₂＝B,θ₃＝T_L；

设定未知参数向量θ＝[θ₁ θ₂ θ₃]^T＝[J B T_L]^T，

使未知参数向量θ和非线性不确定项d的范围满足如下条件：

式(5)中，非线性不确定项d的范围为δ_d，未知参数向量θ的最大值为θ_max＝[θ_1max θ_2maxθ_3max]^T，最小值为θ_min＝[θ_1min θ_2min θ_3min]^T皆已知；

分别定义未知参数向量θ的估算值和估算误差为

和

向量θ通过如下参数投影自适应算法估算：

式(6)中τ为自适应函数，Γ为用于未知参数向量辨识的正定对角矩阵；

式(6)中的投影定位为(i＝1，2，3)：

式(7)中的投影定位满足下述条件：

设定x₁为转子当前转速，设计如下控制变量u,通过获得系统内部参数和外部负载变化下的q轴参考电流,进而通过内环电流控制，获得q轴控制输入电流，控制永磁同步电机输出转速，实现转子转速的最小输出误差，

式中u_a为自适应补偿变量，u_s为鲁棒控制变量，i_q*为q轴参考电流；

设定：

式中转子的理想转速x_1d(t)＝ω(t)，

定义反馈控制函数u_s1，鲁棒控制函数u_s2如下：

其中

式中z₁＝x₁-x_1d，k₁为正增益，h为平滑函数并满足

θ_M＝θ_max-θ_min,ε为正的设定参数；

设定自适应补偿函数

结合式(6)，获得系统内部参数和外部负载变化下的自适应补偿变量u_a；通过自适应补偿变量u_a和鲁棒控制变量u_s，获得q轴的参考电流。

Images