CN116317327B - 月球基地储能供电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种月球基地储能供电系统及其控制方法，采用飞轮作为储能装置，飞轮主要由飞轮、电机、轴承、电磁悬浮轴承系统、变流器、电缆、托盘、地面支架及三角固定支架组成。飞轮内部设置隔断结构并填充不均匀月壤，能够解决现有月壤填充飞轮储能装置飞轮在运行过程中出现的偏心振动问题。本发明提出的月球基地飞轮储能系统控制方法，通过对系统状态的检测合理选择储能系统控制模式，保证月球基地供电系统运行效率和可靠性。

Description

月球基地储能供电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于飞轮储能技术领域，特别是涉及一种月球基地储能供电系统及其控制方法。

背景技术

储能是月球基地电力系统必不可少的组成部分，并且储能容量越大越有利于提升月球基地供电可靠性。然而目前化学储能电池能量密度低，在月球基地建立大容量化学电池储能站所需发射运输成本极高。此外，在月球极端环境下化学储能电池可靠性低、维修或更换成本高，成为制约月球基地储能容量提升关键因素。飞轮储能可靠性高、技术成熟、维护性好，并且由于月球没有空气，飞轮储能无需配备真空室，进一步降低飞轮储能维护性需求。最重要的是，利用月壤填充飞轮，可以极大降低月球基地储能材料的发射运输成本。然而考虑到月壤颗粒大小、质量等不均匀的特性，填充月壤的飞轮在飞速运转过程中容易因离心力出现偏心振动，会加速轴承磨损，严重时会毁损飞轮储能装置，从而降低月球基的飞轮储能可靠性。此外，月球基地供电系统中负载类型多样，其中不乏雷达等大功率脉冲负载，这些负载工作时会因电源供电不足造成母线电压跌落，严重影响月球供电系统可靠性。因此，寻求一种可靠的月球供电储能系统十分关键。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供月球基地储能供电系统，以解决不均匀月壤造成的飞轮偏心振动问题。

本发明的另一目的是提出月球基地飞轮储能系统控制方法，通过对系统状态的检测合理选择储能系统控制模式，保证月球基地供电系统运行效率和可靠性，解决大功率脉冲负载造成母线电压跌落问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种月球基地储能供电系统，包括：三角固定支架，飞轮，轴承，电机，电磁悬浮轴承系统，变流器，托盘，地面支架。所述地面支架以桩基础的形式搭建，支撑整个储能供电系统高于月球表面，托盘水平于月球表面通过螺丝固定在地面支架上，变流器和电磁悬浮轴承系统水平设置在托盘上；三角固定支架，飞轮，电机，电磁悬浮轴承系统通过轴承自上而下同轴分布；变流器通过第一电缆与电机相连，通过第二电缆与外部设施相连。

进一步的，所述飞轮为中空结构，飞轮内部采用同心圆即中心轴隔断方式，外壁及隔断均采用轻质高强度复合材料，隔断空间内填充月壤，其中，所述外壁及隔断均可拆卸折叠。

进一步的，所述飞轮内部隔断空间的结构是：相邻同心圆半径相差R/(N+1)，相邻中心轴对称间隔板之间的夹角为；R为飞轮半径，N为同心圆数量，M为隔板数量。

进一步的，所述飞轮内部隔断同心圆数量N≥4，所述中心轴对称间隔板数量M≥16，且M为偶数。

进一步的，月壤以不均匀的形式填充至飞轮隔断空间内，所述月壤颗粒大小、土质及密度接近的月壤填充至同一圆心隔断；其中颗粒较大、密度较大的月壤填充在靠近圆心的隔断，颗粒小及密度小的月壤填充值靠近飞轮外边缘的隔断；每个隔断的月壤须填满并压实。

进一步的，所述电机采用永磁同步电机，且通过第一电缆，第二电缆及变流器（8）接入直流电网，所述变流器为三相变流器。

本发明还提出一种月球基地储能供电系统控制方法，包括三种控制模式，模式1为基于转速－电流双闭环控制的储能充电控制方法，在电源发电高峰期给飞轮储能充电；模式2为基于直接电流控制的储能快速放电控制方法，在大功率脉冲负载工作期间通过直接电流控制为直流电网快速提供功率缺额；模式3为基于电压－电流双闭环控制的储能常规放电控制方法，在直流电网功率不足且或常规负载工作期间为直流电网提供功率支撑，具体为：

模式1：采用转速－电流双闭环控制，外环为转速环，内环为电流环，电机运行时，检测电机转速和角度/>，将给定转速/>与实际转速/>的差值作为速度外环比例积分PI控制器的输入，转速外环PI控制器的输出作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；电机（4）输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流；电流内环参考值/>和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到变流器控制信号，以此控制变流器对电机进行驱动；

模式2：采用直接电流控制，检测电机角度和输出三相电压/>，其中电压/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电压/>；大功率脉冲负载功率P为已知，功率P除以1.5/>得到的值作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；电机输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流；电流内环参考值/>和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到变流器控制信号，以此控制变流器快速输出功率；

模式3：用电压－电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环；PMSM运行时，检测电机角度，并检测直流电网母线电压/>，将给定电压/>与实际电压/>的差值作为电压外环PI控制器的输入，转速外环PI控制器的输出作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；电机输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流/>；电流内环参考值/>和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到变流器控制信号，以此控制变流器输出功率。

进一步的，模式1和模式3根据日常电源及负载用电情况制定模式切换计划，模式2通过直接检测大功率脉冲负载工作状态来判断是否切换，并且模式2切换检测的优先级高于模式1和3切换检测的优先级。

进一步的，模式1和模式2的切换计划替换为直接通过检测母线电压变化定制切换计划。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：（1）提出一种考虑不均匀月壤填充的月球基地大型飞轮储能系统月壤填充方法，通过设置飞轮隔断空间方法及不均匀月壤填充规则，保证填充不均匀的月壤后飞轮能够平稳运转；（2）提出月球基地飞轮储能系统控制策略，通过检测大功率脉冲负载工作状态及直流电网母线电压，合理选择储能系统控制模式，保证系统的运行效率和可靠性；（3）提出直接电流控制的储能系统控制模式，通过直接检测大功率脉冲负载工作状态并基于脉冲负载功率实现储能系统快速功率输出，保证大功率脉冲负载工作时飞轮储能系统能为电网快速提供功率支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明飞轮储能装置示意图；

图2是飞轮剖面图；

图3是本发明储能系统控制框图；

图4是本发明月球基地直流母线仿真结果，（a）是未采用本发明控制策略直接电流控制的直流母线电压仿真波形，（b）为本发明直接电流控制的直流母线电压仿真波形。

图中，1－三角固定支架，2－飞轮，3－轴承，4－电机，5－第一电缆，6－第二电缆，7－电磁悬浮轴承系统，8－变流器，9－托盘，10－地面支架，11－月壤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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

如图1，本实施例1提供的是月球基地大型飞轮储能系统，所述系统包括飞轮2、轴承3、电机4、电磁悬浮轴承系统7、变流器8。其中，托盘9水平放置于地面支架10上，地面支架10支撑整个飞轮储能系统略高于地面，同时调节系统水平，以桩基础形式搭建；三角固定支架1与轴承3通过铰接方式相连，起固定支撑飞轮2及轴承3作用，月球引力仅为地球的1/6，在月球上支撑起相同质量的飞轮系统对支架的强度要求远低于在地球上；飞轮2、电机4、电磁悬浮轴承系统7自上而下通过轴承3同轴连接并以螺丝连接的方式固定于托盘9之上；电机4采用永磁同步电机（PMSM），变流器8通过控制能量流向实现飞轮储能系统的充放电。电机4和飞轮2采用同轴方式连接，减少齿轮啮合带来的能量损失，并且不需要考虑对齿轮系统进行维护，减轻飞轮2储能系统维护工作量。变流器8与电机4通过第一电缆5连接，再通过第二电缆6与外部设施相连，变流器8通过螺丝固定在托盘9之上。飞轮2采用中空结构，内部填充月壤11，外壁采用碳纤维，或者酚醛树脂基等轻质高强度复合材料，也可以采用其他满足要求的复合材料；飞轮2体积越大，所能填充的月壤11越多，储能系统容量也就越大；飞轮2内部采用同心圆及中心轴对称的隔断方式，如图2所示，飞轮2内隔断板采用外壁相同材料。飞轮2外壁及隔板可拆卸折叠，便于运输和安装。如图2，飞轮2隔断空间设置规则如下：

（1）设飞轮2半径为R，设置飞轮2内部同心圆数量为N（其中N≥4，且N越大降低偏心振动效果越明显），则相邻同心圆半径相差R/(N+1)；

（2）设置中心轴对称间隔板数量为M（其中M为≥16的偶数，且M越大降低偏心振动效果越明显），相邻中心轴对称间隔板之间的夹角为；

在月球表面安装飞轮储能系统时，需要将不均匀月壤11按一定方法填充到飞轮2隔断空间，月壤11填充规则如下：

（1）颗粒大小、土质及密度接近的月壤11要填充到同一圆心隔间；

（2）颗粒较大、密度较大的月壤11填充在靠近圆心的隔间，颗粒小、密度小的月壤11填充到靠近飞轮2外边缘的隔间；

（3）填充过程中要保证每个隔间的月壤11填满、压实。

如图3所示，飞轮储能系统的永磁同步电机（PMSM）经变流器8接入直流电网，所述变流器8为三相变流器。直流电网中包含电源、常规负载、大功率脉冲负载。电源包括光伏发电，常规负载为月球基地日常用电及生命维持系统等负载，大功率脉冲负载包括雷达。

飞轮储能系统在直流电网电源发电高峰期吸收能量，即飞轮储能充电，在电网功率不足时（例如夜间光伏无法发电、大功率负载启用等情形下）放电，即飞轮储能放电，保证月球基地供电系统电力供应的可靠性。本发明提出一种模式切换的飞轮储能系统控制策略，该策略包含3种控制模式，如图3所示：模式①为基于转速－电流双闭环控制的储能充电控制方法，在电源发电高峰期给飞轮储能充电；模式②为基于直接电流控制的储能快速放电控制方法，在大功率脉冲负载工作期间通过直接电流控制为直流电网快速提供功率缺额；模式③为基于电压－电流双闭环控制的储能常规放电控制方法，在电网功率不足且或常规负载工作期间为电网提供功率支撑。

模式①和③可根据日常电源及负载用电情况制定模式切换计划，也可直接通过检测母线电压变化选择模式①充电（直流母线电压升到某一阈值）或模式③放电（直流母线电压降到某一阈值）；为保证大功率脉冲负载工作时飞轮储能系统能为电网快速提供功率缺额，模式②需要通过直接检测大功率脉冲负载工作状态来判断是否切换，并且模式②切换检测的优先级要高于模式①和③切换检测的优先级。

以下将分别描述3种模式具体控制方法。

模式①：采用转速－电流双闭环控制，外环为转速环，内环为电流环。PMSM运行时，检测PMSM转速和角度/>，将给定转速/>与实际转速/>的差值作为速度外环比例积分（PI）控制器的输入，转速外环PI控制器的输出作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；PMSM输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流/>；电流内环参考值/>和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到三相变流器控制信号，以此控制三相变流器对PMSM进行驱动。

模式②：采用直接电流控制，检测PMSM角度和输出三相电压/>，其中电压/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电压/>；大功率脉冲负载功率P为已知（可根据雷达等大功率负载运行参数计算出其需要的运行功率P），功率P除以1.5/>得到的值作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；PMSM输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流/>；电流内环参考值和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到三相变流器控制信号，以此控制三相变流器快速输出功率。

模式③：采用电压－电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环。PMSM运行时，检测PMSM角度，并检测直流电网母线电压/>，将给定电压/>与实际电压/>的差值作为电压外环PI控制器的输入，转速外环PI控制器的输出作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；PMSM输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流/>；电流内环参考值/>和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到三相变流器控制信号，以此控制三相变流器输出功率。

实施例2

图4为母线电压仿真波形，仿真中0.4s时刻脉冲负载开始工作，300ms后脉冲负载停止工作。图4（a）为未采用模式②直接电流控制的直流母线电压仿真波形，图中脉冲负载工作时直流母线电压跌落后缓慢恢复；图4（b）为采用了模式②直接电流控制的直流母线电压仿真波形，图中脉冲负载工作时直流母线电压跌落后能快速恢复。对比图4（a）和（b）可知，采用模式②直接电流控制可以在大功率脉冲负载工作时为电网提供快速功率支撑，以此保证直流母线电压稳定。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种月球基地储能供电系统，其特征在于，包括：

三角固定支架（1），飞轮（2），轴承（3），电机（4），电磁悬浮轴承系统（7），变流器（8），托盘（9），地面支架（10）；

地面支架（10）以桩基础的形式搭建，支撑整个储能供电系统高于月球表面，托盘（9）水平于月球表面通过螺丝固定在地面支架上，变流器（8）和电磁悬浮轴承系统（7）水平设置在托盘（9）上；三角固定支架（1），飞轮（2），电机（4），电磁悬浮轴承系统（7）通过轴承（3）自上而下同轴分布；变流器（8）通过第一电缆（5）与电机（4）相连，通过第二电缆（6）与外部设施相连；

所述飞轮（2）为中空结构，飞轮（2）内部采用同心圆即中心轴隔断方式，外壁及隔断均采用轻质高强度复合材料，隔断空间内填充月壤（11），其中，所述外壁及隔断均可拆卸折叠；

所述飞轮（2）内部隔断空间的结构是：相邻同心圆半径相差R/(N+1)，相邻中心轴对称间隔板之间的夹角为；R为飞轮（2）半径，N为同心圆数量，M为隔板数量；

月壤（11）以不均匀的形式填充至飞轮（2）隔断空间内，所述月壤（11）颗粒大小、土质及密度接近的月壤（11）填充至同一圆心隔断；其中颗粒较大、密度较大的月壤（11）填充在靠近圆心的隔断，颗粒小及密度小的月壤（11）填充值靠近飞轮（2）外边缘的隔断；每个隔断的月壤须填满并压实。

2.根据权利要求1所述的月球基地储能供电系统，其特征在于，所述飞轮（2）内部隔断同心圆数量N≥4，所述中心轴对称间隔板数量M≥16，且M为偶数。

3.根据权利要求1所述的月球基地储能供电系统，其特征在于，所述电机（4）采用永磁同步电机，且通过第一电缆（5），第二电缆（6）及变流器（8）接入直流电网，所述变流器（8）为三相变流器。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的月球基地储能供电系统的控制方法，其特征在于，包括三种控制模式，模式1为基于转速－电流双闭环控制的储能充电控制方法，在电源发电高峰期给飞轮（2）储能充电；模式2为基于直接电流控制的储能快速放电控制方法，在大功率脉冲负载工作期间通过直接电流控制为直流电网快速提供功率缺额；模式3为基于电压－电流双闭环控制的储能常规放电控制方法，在直流电网功率不足且或常规负载工作期间为直流电网提供功率支撑，具体为：

模式1：采用转速－电流双闭环控制，外环为转速环，内环为电流环，电机（4）运行时，检测电机（4）转速和角度/>，将给定转速/>与实际转速/>的差值作为速度外环比例积分PI控制器的输入，转速外环PI控制器的输出作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；电机（4）输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流/>；电流内环参考值/>和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到变流器（8）控制信号，以此控制变流器（8）对电机（4）进行驱动；

模式2：采用直接电流控制，检测电机（4）角度和输出三相电压/>，其中电压/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电压/>；大功率脉冲负载功率P为已知，功率P除以1.5/>得到的值作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；电机（4）输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流/>；电流内环参考值/>和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到变流器（8）控制信号，以此控制变流器（8）快速输出功率；

模式3：用电压－电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环；PMSM运行时，检测电机（4）角度，并检测直流电网母线电压/>，将给定电压/>与实际电压/>的差值作为电压外环PI控制器的输入，转速外环PI控制器的输出作为q轴电流的参考值/>，d轴电流的参考值/>取0；电机（4）输出三相电流/>经Clark变换和Park变换得到d轴和q轴电流/>；电流内环参考值/>和/>分别与实际电流/>作差作为电流PI控制器的输入，PI控制器的输出经Park反变换及SVPWM调制策略得到变流器（8）控制信号，以此控制变流器（8）输出功率。

5.根据权利要求4所述的月球基地储能供电系统的控制方法，其特征在于，模式1和模式3根据日常电源及负载用电情况制定模式切换计划，模式2通过直接检测大功率脉冲负载工作状态来判断是否切换，并且模式2切换检测的优先级高于模式1和3切换检测的优先级。

6.根据权利要求5所述的月球基地储能供电系统的控制方法，其特征在于，模式1和模式2的切换计划替换为直接通过检测母线电压变化定制切换计划。