CN116454906A - 基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法 - Google Patents

基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，获取机侧转矩误差、机侧电压误差、直流支撑电容电压误差、网侧电流误差、网侧与机侧无功功率误差，并基于所述统一型自抗扰控制器算法计算获得机侧调制波q轴直流分量、机侧调制波d轴直流分量、网侧调制波d轴直流分量、网侧参考有功电流i d_ref 、网侧调制波有功分量与网侧调制波无功分量；将机侧调制波有功分量、机侧调制波无功分量、网侧调制波有功分量与网侧调制波无功分量形成机侧变换器、网侧变换器的控制信号，以实现飞轮储能系统无功功率补偿的控制。本发明能够及时、迅速地响应电网需求，并且所述方法的实现原理简单易行，具有实际的工程应用意义。

Description

基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法
技术领域
本发明涉及飞轮储能系统领域，具体涉及一种基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法。
背景技术
飞轮储能是机械储能的一种方式，在飞轮储能系统中需要将机械能再转化为电能，且已经实现了与电网并接送电的功能。但由于电网应用中，随着用户负载的随机变化，经常需要进行无功功率补偿，但在飞轮储能系统中所涉及的控制策略一般使用线性控制器与传统自抗扰控制器，其中，线性控制器对于无功功率补偿的快速反应存在速度较慢的问题，而传统自抗扰控制器在加快动态响应的同时会放大噪声，影响闭环性能。为及时动态补偿飞轮储能系统输电的无功功率，对我们的工作提出了挑战。
发明内容
本发明提供了一种基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，其目的在于将飞轮储能系统中所涉及所有无功补偿的控制环节，均基于统一型自抗扰控制器的控制策略，以提高飞轮储能系统输电无功功率补偿的动态响应，维持电网稳定运行。
具体的，本发明提供一种基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，包含以下步骤：
A、构建统一型自抗扰控制器，包含统一型观测器UESO；所述统一型自抗扰控制器包含算法模型：，其中bu为补偿因子，ku为统一型自抗扰控制器增益，x为变量反馈，/>为变量指令,/>为统一型观测器UESO的输出，y为统一型自抗扰控制器的输出；所述统一型观测器UESO包含如下关系：
，
其中，u为统一型观测器UESO的中间变量，ω 0，ω 1为统一型观测器UESO的增益；b 1,b 2为统一型观测器UESO的比例系数；
B、分别获取机侧转矩误差、机侧电压误差、直流支撑电容电压误差、网侧电流误差、网侧与机侧无功功率误差，并基于所述统一型自抗扰控制器算法模型计算获得机侧调制波q轴直流分量、机侧调制波d轴直流分量、网侧调制波d轴直流分量进一步的，所述机侧转矩误差为转矩电流指令、网侧参考有功电流i d_ref 、网侧调制波有功分量与网侧调制波无功分量；
C、将机侧调制波有功分量、机侧调制波无功分量、网侧调制波有功分量与网侧调制波无功分量形成机侧变换器、网侧变换器的控制信号，以实现飞轮储能系统的动态响应控制。
进一步的，所述机侧转矩误差为转矩电流指令与转矩电流反馈i qr的误差值；所述转矩电流指令/>包含转矩指令/>与角速度/>及相应系数K的乘积，；对应的机侧调制波的q轴直流分量/>计算方法为：，其中，
为飞轮储能系统驱动电机的q轴励磁解耦合分量。
进一步的，所述网侧与机侧无功功率误差为Q-Q G ，其中，Q为机侧无功功率反馈，Q G 为网侧无功功率反馈；该误差通过转换计算获得参考无功电流修正值，转换计算公式为：/>，其中，v gd为网侧d轴电压；机侧调制波的d轴分量修正值计算方法为：/>。
进一步的，所述机侧电压误差为其中，/>，其中，/>为定子电压d轴分量，X m为电抗值，/>为飞轮储能系统驱动电机的励磁电流反馈；对应的机侧调制波的d轴分量计算方法为：
；其中，/>为飞轮储能系统驱动电机的d轴励磁解耦合分量。
进一步的，所述直流支撑电容电压误差为，网侧有功电流指令/>计算方法为：/>；其中，/>为直流支撑电容电压指令的平方，/>为直流支撑电容电压的平方。
进一步的，所述网侧电流误差包含网侧有功电流误差i d_ref -i gd ，无功电流误差i q_ref -i gq +△i q_ref 。其中，i d_ref 为网侧参考有功电流，i gd 为有功电流反馈，△i q_ref 为网侧无功电流修正值，i q_ref 为网侧参考无功电流，i gq 为无功电流反馈；
所述网侧有功电流误差通过统一型自抗扰控制算法计算得出的值减去网侧无功解耦合项、并与网侧有功电压u gd相加后得出网侧调制波的d轴直流分量；网侧d轴电压v d计算方法为：/>；
所述网侧无功电流误差通过统一型自抗扰控制算法计算得出的值加上网侧有功解耦合项、并与网侧有功电压u gq相加后得出网侧调制波的q轴直流分量；网侧调制波的无功直流分量v q计算方法为:
。
本发明针对飞轮储能系统提供了一种基于统一型自抗扰控制器快速无功补偿的控制策略，为了使得观测器更快速预估扰动，因此构造了中间变量u的控制律，通过观测器增益的平方，/>分别与统一型自抗扰控制器UADRC输出的导数/>与x相乘得出，可将y的波动与x的波动情况更快速地体现在u中，加快观测器对误差的预估。
中间变量u的导数乘以比例系数b1作为补偿项，进而实时修正UESO输出的实时估值，补偿剩余扰动。/>与x的差值乘以比例系数b2可实现更快速地跟随变量反馈x，此外，/>的实时调节与中间变量u的导数密切相关，故拥有更快的响应速度。
通过使用统一型自抗扰控制器代替传统控制策略中的线性PI控制器，能够在无功功率指令变化的工况下能够迅速输出参考无功功率并处于稳定状态，补充网侧无功功率缺额，使得系统具备优良的抗扰性。其中，统一型观测器UESO可以对误差及误差噪声进行全面估计及统一处理。通过对误差的处理，实现对误差噪声的合理预估，并以此作为变量，修正误差估计值，在一定程度上实现误差的噪声抵消，最终实现了误差与噪声的统一处理。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为实施例中基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统无功功率补偿策略图；
图2为实施例中改进型自抗扰控制器UADRC2的算法框图；
图3为实施例中改进型自抗扰控制器UADRC3的算法框图；
图4为实施例中改进型自抗扰控制器UADRC4的算法框图；
图5为实施例中改进型自抗扰控制器UADRC5的算法框图；
图6为实施例中改进型自抗扰控制器UADRC6的算法框图；
图7为实施例中改进型自抗扰控制器UADRC1的算法框图。
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。
如图1所示，飞轮储能系统包含飞轮部分、永磁同步电机部分、机侧变换器部分、直流支撑电容部分Cdc、网侧变换器部分、网侧滤波器部分LCL以及电网部分。机侧变换器部分与网侧变换器部分皆采用三相、六开关的拓扑结构。在飞轮部分带动永磁同步电机转动发电，并通过光电编码器获取飞轮的转速、永磁同步电机角频率ω r 等情况；基于锁相环PLL获取角频率ω g参数信息。通过对机侧变换器部分与网侧变换器部分的开关根据实际变化情况及时做出准确的控制，即可使得飞轮储能并网系统提升其动态性能。本实施例中，相应的控制逻辑基于统一型自抗扰控制器。
本实施例提供的基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，包含以下步骤：
A、构建统一型自抗扰控制器，包含统一型观测器UESO；所述统一型自抗扰控制器包含算法模型：，其中bu为补偿因子，ku为统一型自抗扰控制器增益，x为变量反馈，/>为变量指令,/>为统一型观测器UESO的输出，y为统一型自抗扰控制器的输出；所述统一型观测器UESO包含如下关系：
，
其中，u为统一型观测器UESO的中间变量，ω 0，ω 1为统一型观测器UESO的增益；b 1,b 2为统一型观测器UESO的比例系数；其中变量反馈x，变量指令跟随对应传递的参数而定；
B、分别获取机侧转矩误差、机侧电压误差、直流支撑电容电压误差、网侧电流误差、网侧与机侧无功功率误差，并基于所述统一型自抗扰控制器算法模型计算获得机侧调制波q轴直流分量、机侧调制波d轴直流分量、网侧调制波d轴直流分量、网侧参考有功电流i d_ref 、网侧调制波有功分量与网侧调制波无功分量；
将机侧调制波有功分量、机侧调制波无功分量、网侧调制波有功分量与网侧调制波无功分量形成机侧变换器、网侧变换器的控制信号，以实现飞轮储能系统的动态响应控制。
具体的，所述机侧调制波与网侧调制波所述机侧转矩误差为转矩电流指令与转矩电流反馈i qr的误差值；所述转矩电流指令/>包含转矩指令/>与角速度/>及相应系数K的乘积，/>；对应的机侧调制波的q轴直流分量/>计算方法为：，其中，对应统一型自抗扰控制器UARDC1的算法逻辑参见图7；/>为飞轮储能系统驱动电机的q轴励磁解耦合分量，能够使转矩与磁场解耦。
所述网侧与机侧无功功率误差为Q-Q G ，其中，Q为机侧无功功率反馈，Q G 为网侧无功功率反馈；该误差通过转换计算获得参考无功电流修正值，转换计算公式为：，其中，v gd为网侧d轴电压；机侧调制波的d轴分量修正值计算方法为：/>，对应统一型自抗扰控制器UARDC2的算法逻辑参见图2。
所述机侧电压误差为，其中，/>，其中，/>为定子电压d轴分量，X m为电抗值，/>为飞轮储能系统驱动电机的励磁电流反馈；对应的机侧调制波的d轴分量计算方法为：
；其中，/>为飞轮储能系统驱动电机的d轴励磁解耦合分量。对应统一型自抗扰控制器UARDC3的算法逻辑参见图3。
所述直流支撑电容电压误差为，网侧有功电流指令/>计算方法为：，对应统一型自抗扰控制器UARDC4的算法逻辑参见图4；其中，/>为直流支撑电容电压指令的平方，/>为直流支撑电容电压的平方。
所述网侧电流误差包含网侧有功电流误差i d_ref -i gd ，无功电流误差i q_ref -i gq +△i q_ref 。其中，i d_ref 为网侧参考有功电流，i gd 为有功电流反馈，△i q_ref 为网侧无功电流修正值，i q_ref 为网侧参考无功电流，i gq 为无功电流反馈；
所述网侧有功电流误差通过统一型自抗扰控制算法计算得出的值减去网侧无功解耦合项、并与网侧有功电压u gd相加后得出网侧调制波的d轴直流分量；网侧d轴电压v d计算方法为：/>；对应统一型自抗扰控制器UARDC6的算法逻辑参见图6；
所述网侧无功电流误差通过统一型自抗扰控制算法计算得出的值加上网侧有功解耦合项、并与网侧有功电压u gq相加后得出网侧调制波的q轴直流分量；网侧调制波的无功直流分量v q计算方法为:
，对应统一型自抗扰控制器UARDC5的算法逻辑参见图5；
另外，具体的坐标变换如下：
电路坐标变换1：机侧三相电流，/>，/>通过坐标变换转换为/>，/>：
，
电路坐标变换2：网侧三相电压，/>通过坐标变换转换为/>，/>，/>：
，
控制坐标变换1~2：机侧调制波u d 与u q ，通过如下的坐标变换转化为和/>，以空间矢量调制(SVPWM)的方式向机侧变换器发出脉冲信号；
，
控制坐标变换3~4：网侧调制波v d 与v q ，通过如下的坐标变换转化为和/>，以空间矢量调制(SVPWM)的方式向机侧变换器发出脉冲信号。相关的坐标变换计算可在DSP或类似处理器、控制器中进行；
，
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，其特征在于：包含以下步骤：
构建统一型自抗扰控制器，包含统一型观测器UESO；所述统一型自抗扰控制器包含算法模型：，其中bu为补偿因子，ku为统一型自抗扰控制器增益，x为变量反馈，/>为变量指令,/>为统一型观测器UESO的输出，y为统一型自抗扰控制器的输出；所述统一型观测器UESO包含如下关系：
，
其中，u为统一型观测器UESO的中间变量，ω 0，ω 1为统一型观测器UESO的增益；b 1,b 2为统一型观测器UESO的比例系数；
B、分别获取机侧转矩误差、机侧电压误差、直流支撑电容电压误差、网侧电流误差、网侧与机侧无功功率误差，并基于所述统一型自抗扰控制器算法模型计算获得机侧调制波q轴直流分量、机侧调制波d轴直流分量、网侧调制波d轴直流分量、网侧参考有功电流i d_ref 、网侧调制波有功分量与网侧调制波无功分量；
C、将机侧调制波有功分量、机侧调制波无功分量、网侧调制波有功分量与网侧调制波无功分量形成机侧变换器、网侧变换器的控制信号，以实现飞轮储能系统的动态响应控制。
2.如权利要求1所述的基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，其特征在于：所述机侧转矩误差为转矩电流指令与转矩电流反馈i qr的误差值；所述转矩电流指令/>包含转矩指令/>与角速度/>及相应系数K的乘积，/>；对应的机侧调制波的q轴直流分量/>计算方法为：/>，其中，/>为飞轮储能系统驱动电机的q轴励磁解耦合分量。
3.如权利要求1所述的基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，其特征在于：所述网侧与机侧无功功率误差为Q-Q G ，其中，Q为机侧无功功率反馈，Q G 为网侧无功功率反馈；该误差通过转换计算获得参考无功电流修正值，转换计算公式为：，其中，v gd为网侧d轴电压；机侧调制波的d轴分量修正值计算方法为：/>。
4.如权利要求3所述的基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，其特征在于：所述机侧电压误差为，其中，/>，其中，/>为定子电压d轴分量，X m为电抗值，/>为飞轮储能系统驱动电机的励磁电流反馈；对应的机侧调制波的d轴分量计算方法为：
；其中，/>为飞轮储能系统驱动电机的d轴励磁解耦合分量。
5.如权利要求4所述的基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，其特征在于：所述直流支撑电容电压误差为，网侧有功电流指令/>计算方法为：；其中，/>为直流支撑电容电压指令的平方，/>为直流支撑电容电压的平方。
6.如权利要求5所述的基于统一型自抗扰控制器的飞轮储能系统功率补偿方法，其特征在于：所述网侧电流误差包含网侧有功电流误差i d_ref -i gd ，无功电流误差i q_ref -i gq +△i q_ref， 其中，i d_ref 为网侧参考有功电流，i gd 为有功电流反馈，△i q_ref 为网侧无功电流修正值，i q_ref 为网侧参考无功电流，i gq 为无功电流反馈；
所述网侧有功电流误差通过统一型自抗扰控制算法计算得出的值减去网侧无功解耦合项、并与网侧有功电压u gd相加后得出网侧调制波的d轴直流分量；网侧d轴电压v d计算方法为：/>；
所述网侧无功电流误差通过统一型自抗扰控制算法计算得出的值加上网侧有功解耦合项、并与网侧有功电压u gq相加后得出网侧调制波的q轴直流分量；网侧调制波的无功直流分量v q计算方法为:/>。
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韩雪冰 等: "基于自抗扰控制器的有源滤波器直接电流控制", 《电测与仪表》, vol. 45, no. 513, 30 September 2008 (2008-09-30), pages 11 - 14 *

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