CN111082443B - 一种并网调频型飞轮储能系统放电过程中电机侧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种并网调频型飞轮储能系统放电过程中的电机侧控制方法。对由轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机、电机侧脉冲宽度调制(PWM)变流器、直流母线电容组成的飞轮储能系统电机侧放电过程，采用外环直流母线电压线性二次调节器(LQR)控制和功率观测方法，内环电流线性控制的闭环控制方法；在外环直流母线电压控制中，通过功率观测方法，对外部负载功率进行估算；随后将估算结果与LQR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，控制永磁同步电机输出电流；永磁同步电机输出电流经过电机侧PWM变流器和直流母线电容，获得实际的直流母线电压，实现对输出的直流母线电压的精确控制。本发明将LQR控制、功率观测补偿、线性控制相结合，能够有效提高调频型飞轮储能系统放电过程中的电机侧输出的直流母线电压性能。

Description

一种并网调频型飞轮储能系统放电过程中电机侧控制方法

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放电过程中的电机侧控制方法。

背景技术

风力、光伏等新能源发电系统的发电量具有间歇性、不确定性、波动性的特点，其大规模接入我国电网，会对电网频率稳定产生不容忽视的影响。因此需要调节控制电网频率(即电网调频)，以便保证电网可靠、稳定运行。现阶段，国内主要采用火电机组进行电网调频，由于机组存在响应速度慢、爬坡速率低的缺点，调频的质量与灵活性均难以满足需求。

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。并网调频型飞轮储能系统(FESS)电机侧主要由飞轮转子、永磁同步电机(PMSM)、电机侧脉冲宽度调制(PWM)变流器、直流母线电容组成。并网调频型FESS系统的同步电机放电阶段，电机侧需要输出稳定的直流母线电压，电网侧变流器再将其转化为并网所需的交流电，是系统参与电网调频的关键技术之一，但是由于负载功率变化，会引起直流母线电压波动，进而影响电网调频质量。因此亟需研究在负载功率波动下的并网调频FESS系统的电机侧控制方法。

对于采用永磁同步电机(PMSM)的飞轮储能系统电机侧的放电控制，现有技术中或将改进型滑模观测器应用于基于PI控制器的直流母线电压外环、电流内环的放电控制方式；或应用外环电压内环电流的双闭环PI控制策略；或应用广义动量补偿控制直流母线电压；或应用电压外环控制方式；或采用调频功率外环和永磁电机电流内环的双闭环控制方式，但系统响应速度慢。然而,上述方法均未考虑FESS系统在并网放电过程中外部负载功率波动对系统性能产生的影响。因此，亟待设计一种并网调频型飞轮储能系统放电过程中的电机侧控制方法，解决放电过程中负载功率变化对输出的直流母线电压的影响。

专利申请号为201410455298.5的专利申请公开了一种基于模糊控制的永磁直驱风力发电系统参与电网频率调节方法，该专利申请考虑了直流侧电机对电网侧的影响，改善风机参与电网频率调节的效果。但是该专利存在着控制复杂，调节效果差的问题。

发明内容

本发明是受到中央高校基本科研业务费专项资金资助的发明专利，项目编号为：(2017MS074)；项目名称为：变工况下燃机压气机喘振边界建模及控制研究。

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放电过程中的电机侧控制方法。对轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机、电机侧PWM变流器、直流母线电容，采用外环直流母线电压线性二次调节器(LQR)控制和功率观测方法，内环电流线性控制的闭环控制方法；在外环直流母线电压控制中，通过功率观测方法，对外部负载功率进行估算；随后将估算结果与LQR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，控制永磁同步电机输出电流；永磁同步电机输出电流经过电机侧PWM变流器和直流母线电容，获得实际的直流母线电压，实现对输出的直流母线电压的精确控制，提高系统性能；从而解决系统放电过程中的负载功率波动对系统性能影响的技术难题，为并网调频型飞轮储能系统放电过程中电机侧精确的直流母线电压控制提供技术支持。

本发明解决上述问题的技术方案包括以下步骤：

针对由电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机、电机侧PWM变流器、直流母线电容组成的飞轮储能系统电机侧，应用直流母线电压-电流双闭环控制，外环为直流母线电压环，采用LQR控制器和功率观测补偿器进行控制；内环为电流环，应用线性控制器进行控制；

外环电压控制中，设定的直流母线电压与实际直流母线电压反馈相减后的误差值，输入LQR，获得输出结果；通过功率观测补偿器对外部负载功率进行估算；将估算结果与LQR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，输入线性控制器和永磁同步电机，进而控制永磁同步电机输出电流，永磁同步电机输出电流经过电机侧PWM变流器和直流母线电容，获得实际的直流母线电压，从而实现对输出的直流母线电压的精确控制。

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_r代表转子当前转速，T_e代表电机转矩，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。

永磁同步电机的电磁功率模型如下：

式中：P_e为电机的电磁功率；ω_e为电机电气角速度。

进一步地，忽略电机侧变流器损耗，获得电机侧变流器模型：

i_dc＝-K_qi_q (3)

式中：i_dc为通过电机侧变流器的直流母线电流；K_q为变流器比例系数。

忽略电机内部损耗，由外部负载功率和直流母线电压，获得负载电流：

i_L＝P₀/U_dc (4)

式中：i_L为外部负载电流；P₀为外部负载功率；U_dc为直流母线电压。

根据电容器件方程，获得直流母线电容模型：

式中：C为直流母线电容，i_dc为直流母线电流。

由式(4)和(5)可得：

进一步地，为减少瞬态流出直流母线电容的电流，维持直流母线电压稳定，由式(2)和(6)，设计功率观测补偿器如下：

式中：i_qc为q轴补偿电流。

根据式(1)-(5)中的永磁同步电机模型、电机侧变流器模型、直流母线电容模型，设计LQR控制器，将通过LQR控制器获得的q轴电流与根据式(7)计算得到的q轴补偿电流相叠加，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轴控制电压，控制永磁同步电机输出电流，永磁同步电机输出电流经过电机侧PWM变流器和直流母线电容，获得实际的直流母线电压，从而实现对输出的直流母线电压的精确控制。

首先对电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机、电机侧PWM变流器、直流母线电容，采用外环直流母线电压LQR控制和负载功率观测方法，内环电流线性控制的闭环控制方法；在外环电压控制中，通过功率观测方法对外部负载功率进行估算；随后将估算结果与LQR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，控制永磁同步电机输出电流；永磁同步电机输出电流经过电机侧PWM变流器和直流母线电容，获得实际的直流母线电压，实现对输出的直流母线电压的精确控制。

在FESS系统放电过程中，通过本发明方法对由轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机、电机侧PWM变流器和直流母线电容所组成的系统电机侧，进行外环电压LQR控制和外部负载功率波动的观测补偿，其实时性强，补偿效果明显，进而获得准确的内环q轴参考电流，精确控制永磁同步电机输出电流，有效解决了并网调频型飞轮储能系统放电过程中外部负载功率波动对系统性能影响的技术难题。

附图说明

图1所示为并网调频型飞轮储能系统放电过程中的电机侧控制方法流程图；

图2所示为采用LQR控制方法和功率补偿器时的外部负载功率；

图3所示为采用LQR控制方法和功率补偿器的直流母线电压；

图4所示为采用PI控制方法的直流母线电压。

具体实施方式

1)针对电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机、电机侧PWM变流器、直流母线电容，应用直流母线电压-电流双闭环控制，外环为直流母线电压环，采用LQR控制器和功率观测补偿器进行控制；内环为电流环，应用线性控制器进行控制。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_r代表转子当前转速，T_e代表电机转矩，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。

永磁同步电机的电磁功率模型如下：

式中：P_e为电机的电磁功率；ω_e为电机电气角速度。

2)忽略电机侧变流器损耗，获得电机侧变流器模型：

i_dc＝-K_qi_q

式中：i_dc为通过电机侧变流器的直流母线电流；K_q为变流器比例系数。

忽略电机内部损耗，由外部负载功率和直流母线电压，获得负载电流模型：

i_L＝P₀/U_dc

式中：i_L为外部负载电流；P₀为外部负载功率；U_dc为直流母线电压。

根据电容器件方程，获得直流母线电容模型：

式中：C为直流母线电容，i_dc为直流母线电流。

由负载电流模型和直流母线电容模型可得外部负载功率模型为：

3)为减少瞬态流出直流母线电容的电流，维持直流母线电压稳定，由永磁同步电机的电磁功率模型和外部负载功率，设计功率观测补偿器如下：

式中：i_qc为q轴补偿电流。

根据永磁同步电机模型、电机侧变流器模型、直流母线电容模型，设计LQR控制器，将通过LQR控制器获得的q轴电流与功率观测补偿器计算得到的q轴补偿电流相叠加，获得q轴的参考电流。

为了验证在外部负载功率波动下的LQR控制方法和功率观测补偿方法，建立了FESS放电过程的电机侧仿真模型，其中永磁同步电机额定转速为5000rpm，额定转矩为14Nm，变流器比例系数K_q＝0.337，直流母线电容C＝1100μF。电机侧采用直流母线电压外环LQR控制器和功率观测补偿方法，内环电流线性比例控制的闭环控制方法。设定负载功率最大值为3KW，扰动为幅值0.3KW的白噪声(占最大负载功率的10％)，来模拟电网的调频负载功率波动，如图2所示。

FESS系统放电过程中，应用本发明的控制方法，获得LQR控制器和功率观测补偿器，仿真结果如图2、3所示。采用LQR和功率观测补偿器的控制方法时，直流母线电压稳态最大绝对误差为0.2481％，稳态平均误差为0.053％。负载功率观测的稳态平均误差为11.1647％。

进一步地，基于根轨迹法设计直流母线电压PI控制器，仿真结果如图4所示，直流母线电压稳态最大误差为0.3589％，稳态平均误差为0.1155％。

由此可见，本发明的FESS系统放电过程中的电机侧控制方法，有效减小了直流母线电压的波动，解决了外部负载功率波动对系统性能的影响，尤其适用于并网调频型FESS系统在放电过程中的精确直流母线电压控制。

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 (1)

1.一种并网调频型飞轮储能系统放电过程中的电机侧控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

针对由电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机、电机侧脉冲宽度调制PWM变流器、直流母线电容组成的飞轮储能系统电机侧，应用直流母线电压-电流双闭环控制，外环为直流母线电压环，采用线性二次调节器LQR和功率观测补偿器进行控制；内环为电流环，应用线性控制器进行控制；

外环电压控制中，设定的直流母线电压与实际直流母线电压反馈相减后的误差值，输入LQR，获得输出结果；通过功率观测补偿器对外部负载功率进行估算；将估算结果与LQR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，输入线性控制器和永磁同步电机，进而控制永磁同步电机输出放电电流，永磁同步电机输出放电电流经过电机侧PWM变流器和直流母线电容，获得实际的直流母线电压，从而实现对输出的直流母线电压的精确控制；

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_r代表转子当前转速，T_e代表电机转矩，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；

永磁同步电机的电磁功率模型如下：

式中：P_e为电机的电磁功率；ω_e为电机电气角速度；

忽略电机侧变流器损耗，获得电机侧变流器模型：

i_dc＝-K_qi_q (3)

式中：i_dc为通过电机侧变流器的直流母线电流；K_q为变流器比例系数；

忽略电机内部损耗，由外部负载功率和直流母线电压，获得负载电流：

i_L＝P₀/U_dc (4)

式中：i_L为外部负载电流；P₀为外部负载功率；U_dc为直流母线电压；

根据电容器件方程，获得直流母线电容模型：

式中：C为直流母线电容，i_dc为直流母线电流；

由式(4)和(5)可得：

为减少瞬态流出直流母线电容的电流，维持直流母线电压稳定，由式(2)和(6)，设计功率观测补偿器如下：

式中：i_qc为q轴补偿电流；

根据式(1)-(5)中的永磁同步电机模型、电机侧变流器模型、直流母线电容模型，设计LQR控制器，将通过LQR控制器获得的q轴电流与根据式(7)计算得到的q轴补偿电流相叠加，获得q轴的参考电流。

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