CN117175649A - 一种永磁飞轮储能调相机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁飞轮储能调相机系统及其控制方法。本发明的永磁飞轮储能调相机系统包括控制器、变流器、飞轮、永磁调速电机、调相机和轴系；调相机和永磁调速电机挂载于电网；控制器用于获取飞轮转速、电网有功功率和频率，制定有功功率控制策略，发出控制信号；飞轮和调相机转子分别通过轴系与永磁调速电机的永磁转子和电枢转子连接；变流器与永磁调速电机的电枢转子绕组连接，依据控制器控制指令改变自身通电频率；变流器通过改变通电频率调节永磁同步电机和飞轮转速，从而改变飞轮储能状态，能量通过调相机和永磁调速电机实现双路馈送。本发明可以主动控制飞轮能量充放和发出有功功率的分配过程，提升调相机惯量支撑能力。

Description

一种永磁飞轮储能调相机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机与电器控制技术领域，具体地说是一种永磁飞轮储能调相机系统及其控制方法。

背景技术

传统电网频率调节，通过引入发电机组变频调速方法，利用发电机转子动能能够增加电力系统有功功率的输出或吸收能力，同时在电力系统频率发生震荡或即将崩溃时提供充分的有功惯量支撑，有效保证电力系统电能质量和系统安全稳定。但是在电力系统内新能源发电量占比不断上升的情况下，电网频率波动频次和幅度相应增大，发电机自身的惯量支撑能力和调频速度不再能满足电力系统的频率调节要求，同时在频率稳定回复转速阶段，容易给电网频率带来较为严重的二次跌落问题。此外，传统预留发电备用功率的方式也存在储存能量小、调节速度慢、能耗大的问题，对发电系统的稳定输出功率能力要求较高，无法匹配新能源发电系统发出功率波动较大的特性。

在高比例新能源发电系统中引入储能设备可以增大系统短时有功调节能力，系统频率下降时释放能量，频率上升时吸收发电系统多余能量，能够有效提升电力系统频率稳定性。然而，传统化学储能调频受限于电池自身寿命较短、功率密度低的特点不能够很好地解决电网短时大功率和长期稳定性调频的需求，且电池储能控制激励过于复杂，影响其大范围使用。飞轮储能作为机械储能方式的一种，具有秒级瞬时功率响应的能力，同时飞轮自身存在成本低和寿命长的优势，成为储能技术领域的研究重点。

大型调相机具有强无功输出能力，但是其转动惯量只有同容量发电机组的30％-50％，其对系统惯量支撑能力相比于发电机组更加不足。

现有基于飞轮储能与转速控制的有功补偿方法采用双馈电机直连电网调节飞轮储能，双馈电机由于在转速较低时有停机风险，转子转速较低时需要速度保护算法限制有功输出，使其在电网大频率波动时失去频率调节能力。同时该系统并未考虑利用飞轮吸收电网无功实现降低电网频率的情形，且该系统无调相机，不具备强无功调节能力。

因此，利用机械储能系统扩展、提升大型调相机系统的惯量支撑能力，开发其一次调频功能对于提升电能质量十分关键。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种永磁飞轮储能调相机系统及其控制方法。

第一方面，本发明提供一种永磁飞轮储能调相机系统，其包括飞轮、永磁调速电机、同步调相机、控制器、变流器、第一轴系和第二轴系；

所述同步调相机的电枢定子与电网相连接，同步调相机的励磁转子与第二轴系一端相连接；所述永磁调速电机包括电枢转子和永磁转子，电枢转子与第二轴系另一端相连接，使得同步调相机的励磁转子和永磁调速电机的电枢转子能同步旋转；

所述的永磁转子与第一轴系的一端相连接，所述飞轮与第一轴系的另一端相连接，使得飞轮和永磁转子能同步旋转；

所述控制器包括电网频率检测单元、功率计算单元和指令决策单元；所述电网频率检测单元用于获取电网电流频率信号和功率信号，并将获得的数据发送给指令决策单元；所述指令决策单元依据电网频率检测单元的数据和电网的调度指令生成指令决策发送给功率计算单元；所述功率计算单元接受指令决策单元的指令决策出当前所需的系统惯量支撑功率，传递变频信号给变流器。变流器实现飞轮转速的调节，最终改变系统的储能状态，平抑电网频率波动。

所述永磁调速电机包括永磁转子和电枢转子两个旋转机构，两个旋转机构之间无机械连接，二者通过旋转磁场实现电磁耦合。

进一步地，所述电枢转子包含电枢转子铁心和电枢转子绕组；所述电枢转子绕组安装在电枢转子铁心槽内；所述电枢转子绕组与变流器相连接，所述电枢转子铁心与第二轴系的另一端相连接；

所述永磁转子包含永磁体和永磁转子铁心；所述永磁体表贴于所述永磁转子铁心上；所述永磁转子铁心与第一轴系的一端相连接。

更进一步地，永磁转子与第一轴系的一端相连接改为永磁转子与第二轴系的另一端相连接，电枢转子与第二轴系的另一端相连接改为电枢转子与第一轴系的一端相连接；所述电枢转子铁心与第二轴系的另一端相连接改为电枢转子铁心与第一轴系的一端相连接，使所述电枢转子与飞轮转速保持相同；所述永磁转子铁心与第一轴系的一端相连接改为永磁转子铁心与第二轴系的另一端相连接，使永磁转子与飞轮转速保持相同。采用此技术方案，实现永磁转子和电枢转子的位置相互对调，由原先的飞轮-第一轴系-永磁转子-电枢转子-第二轴系-励磁转子的体系变化为飞轮-第一轴系-电枢转子-永磁转子-第二轴系-励磁转子的体系。

进一步地，所述永磁调速电机通过变流器及控制器控制电枢转子实现变频调速，变流器电源取自同步调相机机端电网。

第二方面，本发明提供上述永磁飞轮储能调相机系统的控制方法，具体步骤为：

S1：建立永磁飞轮储能调相机系统数学模型，将该数学模型作为控制对象；

S2：针对所述控制器和控制对象，建立调频功率响应控制方法，实现对电网频率和所述系统惯量支撑功率的控制；

S3：依照所述控制器的系统惯量支撑功率控制指令，实现所述永磁飞轮储能调相机系统的有功功率馈送控制。

进一步地，步骤S2中，通过调节飞轮转速实现调频功率响应控制方法，具体步骤为：

S21：电网频率检测单元获取电网电流频率信号和功率信号，并将获得的数据发送给指令决策单元，指令决策单元依据当前电力系统调度指令和当前检测电网频率及反馈有功功率出力信息给出所述永磁飞轮储能调相机系统的调频决策指令；

S22：功率计算单元依照S21中生成的调频决策指令，计算永磁调相机飞轮储能系统释放或吸收的有功功率，综合调频决策指令和计算的有功功率给出所述永磁飞轮储能调相机系统的有功功率控制指令；

S23：变流器接受所述控制器提供的有功功率控制指令，转换成驱动所述永磁调速电机的控制电信号，控制所述永磁调速电机永磁转子转速，使得所述永磁飞轮储能调相机系统输出指定的有功功率。

进一步地，所述永磁飞轮储能调相机系统数学模型，包括与频率支撑和有功补偿有关的永磁调速电机数学模型；

所述的永磁调速电机数学模型基于两相旋转坐标系下的磁链方程，所推导出的定、转子回路电压方程组为：

式中，R为电枢转子电阻，u_q和u_d分别是电枢转子电压的d轴和q轴分量，i_q和i_d分别是电枢转子电流的d轴和q轴分量，ω_e是永磁转子磁链相对于电枢转子磁链的相对电角速度，L_d和L_d分别是d轴和q轴的电感分量，ψ_f是永磁体磁链，ω_re是永磁转子磁链电角速度，ω_se是电枢转子磁链电角速度；

在飞轮释放或吸收能量过程中，所述永磁调速电机产生的用于支撑飞轮加减速的电磁转矩表示为：

式中，J_r为永磁转子和飞轮转动惯量之和，ω_mr为飞轮和永磁转子的机械转速，T_Lr为永磁转子上施加的负载扭矩，T_er为永磁调速电机生成的电磁扭矩，B为空气阻尼系数；

所述电枢转子产生的支撑有功功率传递至同步调相机的反向电磁扭矩表示为：

式中，J_s为电枢转子和同步调相机励磁转子转动惯量之和，ω_ms为同步调相机励磁转子和电枢转子的机械转速，T_Ls为作用在第二轴系的负载力矩，T_es为永磁调速电机生成的反向电磁扭矩。

更进一步地，忽略变流器的开关损耗和线路损耗以及摩擦损耗，飞轮的机械能E、发出的机械功率P、系统自身惯量H分别为：

式中，ω_gn为电网额定电角频率，p_n为永磁调速电机永磁体极对数，S_n为所述永磁飞轮储能调相机系统额定容量。

再进一步地，步骤S3中，有功功率馈送控制包括与频率支撑和有功补偿有关的功率分配关系；

所述功率分配关系，具体为：

飞轮释放的瞬时功率，一路通过同步调相机电枢定子输入到电网中，另一路通过永磁调速电机的电枢转子绕组输入到电网中，具体表示为：

P＝P_s+P_r；

所述同步调相机电枢定子输入到电网中的功率表示为：

该部分功率受同步调相机励磁转子转速控制；

所述永磁调速电机的电枢转子绕组输入到电网中的功率表示为

该部分功率受同步调相机励磁转子转速和变流器通电频率共同影响；

所述飞轮释放的瞬时功率最终表示为电流的形式，表示为：

通过控制i_d、i_q和ω_mr改变所述永磁飞轮储能调相机系统释放的功率。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中飞轮作为储能模块，使得传统同步调相机的有功调节能力得以增强，自身惯量得以拓展，使其具备了类似双馈电机的功能，同时又具备比双馈电机更宽的调速范围和更强的有功输出能力；

(2)本发明中，引入新型双转子式永磁调速电机，实质上形成了储能系统和同步调相机的机械隔离，仅依靠电磁扭矩传递功率，增强了系统安全性；使得永磁调速电机电枢绕组与同步调相机电枢绕组同时并网，避免了类似双馈电机所需的对转子绕组控制方法的改造，降低了控制成本；同时通过对永磁调速电机输出功率的控制代替对整体输出功率的控制，可以实现变流器中电流的大幅减小，降低控制难度，提升控制安全性；

(3)本发明中引入的控制器是一种具备主动控制系统惯量的控制器，可以在系统自身惯量得以扩展的基础上，进一步灵活调节所述系统惯量，使其能够针对复杂电网环境做出更为智能的有功功率输出决策，增强电网的鲁棒性。

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为本发明永磁飞轮储能调相机系统的结构框图；

图2为本发明永磁调速电机双转子磁链分布示意图；

图3为本发明永磁调速电机的受力分析示意图；

图4为本发明永磁飞轮调相机系统功能关系示意图；

图5为本发明永磁飞轮调相机系统的控制方法流程图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、飞轮；2、永磁调速电机；21、电枢转子；211、电枢转子铁心；212、电枢转子绕组；22、永磁转子；221、永磁体；222、铁心；3、同步调相机；31、同步调相机电枢定子；32、同步调相机励磁转子；4、控制器；41、电网频率检测单元；42、功率计算单元；43、指令决策单元；5、变流器；6、第一轴系；7、第二轴系。

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。

如图1和图2所示，本实施例提供一种永磁飞轮储能调相机系统，包括飞轮1、永磁调速电机2、同步调相机3、控制器4、变流器5、第一轴系6和第二轴系7。

所述电枢转子21包含电枢转子铁心211和电枢转子绕组212；所述电枢转子绕组212安装在电枢转子铁心槽内；所述电枢转子绕组212与变流器5相连接，所述电枢转子铁心211与第二轴系7的另一端相连接。

所述永磁转子22含永磁体221和永磁转子铁心222；所述永磁体221表贴于所述永磁转子铁心222上；所述永磁转子铁心222与第一轴系6的一端相连接。

电网与变流器5和同步调相机3相连接，电网的其中一路母线通过变流器5的绕组与所述永磁调速电机2交换功率，另一路母线与同步调相机3励磁定子绕组相连接，与同步调相机3交换功率；控制器4获取电网频率信号和有功功率信号，结合电力系统调度指令生成控制变流器5的变频信号；变流器5接受控制器的变频信号产生对应频率的电流注入永磁调速电机2中；永磁调速电机2受控后自身的永磁转子22转速得以改变；飞轮1通过第一轴系6与永磁调速电机2刚性连接，永磁转子22的转速与飞轮1同步变化，飞轮1转速在控制器4的指令下随永磁调速电机2转速变化而变化，自身储能状态随之改变，飞轮1转速下降时向电网馈送功率，飞轮1转速上升时从电网吸收功率；永磁调速电机2分别于飞轮1和同步调相机3通过第一轴系6和第二轴系7实现刚性连接，当飞轮1转速变化后生成的扭矩经过永磁调速电机的电磁转换关系传递至同步调相机3，同步调相机受力矩作用，将飞轮产生的有功功率通过定子电枢31绕组传递到电网中，同时永磁调速电机2自身由于与电网有电气连接，自身受力矩作用的同时将一部分有功功率馈送到电网1中。

在本实施例的一个具体实施方式中，控制器4包括电网频率检测单元41、功率计算单元42和指令决策单元43；电网频率检测单元41可以通过配备电流计、电压表和锁相环计算电网当前有功出力以及电流电压相位，通过检测电流周期波形实现电网频率监测，在指定检测频率下用电网频率检测值乘以检测频率计算得出当前电网频率变化率；指令决策单元43接受频率检测单元41的数据后，结合系统所设定的电网频率安全阈值决定当前永磁飞轮储能调相机系统是否进行惯量支撑和一次调频，并生成决策指令信号；功率计算单元42受控于当前决策指令信号进行响应的有功出力计算，生成变频信号传递至变流器5。

具体地，所述指令决策单元包含惯量支撑和一次调频两个具体指令，依据当前电网频率偏离额定值的大小和电网频率跌落速率是否超过当前阈值来进行具体指令决策。

当电网频率跌落速率超过频率跌落率阈值时，所述指令决策单元发出惯性支撑指令，否则所述指令决策单元不会发出指令，所述功率计算单元的计算方法表达为：

式中，P_i为所述永磁飞轮储能调相机系统输出电磁功率，P_i0为系统频率未跌落时永磁飞轮储能调相机系统的输出电磁功率，T_J为所述永磁飞轮储能调相机系统的惯性时间常数，为系统频率变化率，f_g为电网额定频率，S_n为所述永磁飞轮储能调相机系统额定容量，f为电网当前频率。

更进一步地，当电网频率跌落后与额定频率差值大于设定频率差值阈值Δf_d时，所述指令决策单元发出一次调频指令，所述功率计算单元计算方法为：

式中，K_p为一次调频有功调频系数。

所述频率差值阈值判断决策优先级高于频率跌落率阈值，即当频率差值超过差值阈值时，优先决策进行一次调频指令；当频率差值未超过差值阈值时，再进行指令决策判断。

如图2所示，在本实施例的一个具体实施方式中，永磁调速电机2采用内永磁转子的类永磁同步电机构型；飞轮1通过第一轴系将力矩传递至永磁转子22；永磁转子22通过旋转磁场于电枢转子21旋转磁场相互作用产生电磁扭矩，电枢转子21上产生的反向电磁扭矩通过第二轴系作用在同步调相机3的励磁转子32上，实现扭矩的传递和功率的交换。

所述永磁飞轮调相机系统机械模型(动力学方程)的表达式为：

式中，J_r为永磁转子和飞轮转动惯量之和，ω_mr为飞轮和永磁转子的机械转速，T_Lr为永磁转子上施加的负载扭矩，T_er为永磁调速电机生成的电磁扭矩，T_es为永磁调速电机生成的反向电磁扭矩，T_er与T_es大小相等方向相反，B为空气阻尼系数，J_s为电枢转子和同步调相机转子转动惯量之和，ω_ms为同步调相机转子和电枢转子的机械转速，T_Ls为作用在轴系上的负载力矩。

如图3所示，永磁转子22通过旋转磁场于电枢转子21旋转磁场相互作用产生电磁扭矩，所述扭矩产生过程具体为：电枢转子绕组三相磁链矢量在空间中以ω_es的电角速度旋转，对应的已知永磁体磁链的旋转电角速度为ω_er；二者磁链旋转速度存在转速差即为稳态时变流器5中电流通电频率。将该永磁调速电机电枢转子三项坐标系变换到同步旋转坐标系d-q后，新的同步旋转坐标系旋转同步速度等效为电枢绕组三相磁链矢量在空间中转速和永磁体磁链的旋转电角速度之差。

依据等效同步旋转坐标系的基本特性，即可建立如下所示的系统电磁模型：

式中，R为电枢转子电阻，u_q和u_d分别是电枢转子电压的d轴和q轴分量，i_q和i_d分别是电枢转子电流的d轴和q轴分量，ω_e是永磁转子磁链相对于电枢转子磁链的相对电角速度，L_d和L_d分别是d轴和q轴的电感分量，ψ_f是永磁体磁链，ω_re是永磁转子磁链电角速度，ω_se是电枢转子磁链电角速度。

为了保证永磁调速电机转速稳定可控，所述变流器需要通入电流的频率需要等于所述电枢转子和永磁转子磁链电角频率之差。

所述系统并网运行时，所述同步调相机定子侧绕组与频率为f₁的电网相连，定子三相绕组电流形成相对定子以同步速ω₁旋转的磁动势同时在电枢转子三相绕组中注入频率为f₂的三相对称电流，产生相对于电枢转子角频率为ω₂的旋转磁动势/>已知调相机转子电角速度为ω_se，则电枢转子磁势/>相对于调相机定子的电角频率为ω₂+ω_se。根据交流电机工作原理，电枢转子磁势/>与调相机定子磁势/>在电角度空间必须保持相对静止，才能实现机电能量转换。因此，电网电角频率、电枢转子旋转电角频率和电枢内交流变频调速合成旋转磁势的电角频率满足：

ω_se+ω₂＝ω₁。

对于永磁调速电机，永磁转子形成相对于静止坐标空间电角频率为ω_re的旋转磁势F₃，永磁体旋转角频率、电枢转子旋转电角频率和电枢内交流变频调速合成旋转磁势的电角频率满足：

ω_se+ω₂＝ω_re

通过改变所述变流器中交流电流频率ω₂，可以改变永磁调速电机永磁转子的转速，进而实现飞轮转速调节，达到机械能和电能相互转换的目的。

在本实施例的一个具体实施方式中，在所述系统中储存能量E、瞬时输出功率P和惯量系数H表示如下：

式中，ω_gn为电网额定电角频率，p_n为永磁调速电机永磁体极对数，S_n为所述永磁飞轮储能调相机系统额定容量。

在本实施例的一个具体实施方式中，双路功率馈送具体可以表述为：

飞轮借助所述永磁调速电机传递的电磁扭矩作为驱动同步调相机的动力扭矩，功率通过同步调相机定子电枢输入到电网中的一部分功率(称为定子功率)：

飞轮作为原动机带动永磁调速电机转动，由此在电枢转子绕组中产生感应电流，功率通过电枢转子输入到电网中的一部分功率(称为转差功率)：

所述定子功率在稳态时仅与调相机转子运行同步速有关；所述转差功率则与飞轮和调相机转速之差有关；所述定子功率和飞轮功率之和在忽略损耗和摩擦的影响后与飞轮瞬时输出功率相等。

所述转差功率的正负在稳态下与飞轮和调相机转速之差有关；当飞轮转速低于调相机转速时，转差功率为负，永磁调速电机向电网发送功率；当飞轮转速高于调相机转速时，转差功率为正，永磁调速电机向电网吸收功率。

所述飞轮输出功率稳态时仅与飞轮自身转速有关，当飞轮减速时，飞轮功率为负，所述飞轮永磁储能调相机系统向电网发送功率；当飞轮升速时，飞轮功率为正，所述飞轮永磁储能调相机系统向电网吸收功率。

如图4所示，存在等价于本实施例系统模型的另一种分析方法，即将图2所示的永磁调整电机的电枢转子与同步调相机励磁转子合并为第一转子，飞轮和永磁调整电机的永磁转子合并为第二转子，同步调相机电枢定子视为定子，形成第一转子-第二转子-定子的双转子电机结构。图中，P_mec为飞轮输入的机械功率，P_s为定子侧发出的有功功率，P_c为网侧变换器从电网获得的有功功率，P_g为永磁飞轮调相机系统馈入电网的有功功率，P_r为电枢转子侧吸收的有功功率。依据图3的受力分析结果，所述的等效系统中，等效电机定子为同步调相机电枢定子，直接接入电网。第一转子为同步调相机励磁转子-轴系-电枢转子的等效结构，通过交-直-交变换器与电网相连，交-直-交变换器由两个背靠背连接的电压型PWM变换器构成，靠近第一转子的一侧称为转子侧变换器，靠近电网一侧成为网侧变换器。网侧变换器一般运行在高功率因数整流模式，为转子侧变换器提供恒定的直流母线电压；转子侧变换器通过控制转子电流电压，实现永磁调速电机的变速恒频运行。第二转子为永磁调速电机的永磁转子，该部分与飞轮轴系(即第一轴系)实现机械连接，接收来自飞轮的功率交换。在无外界扭矩交换，忽略空气阻力和绕组损耗后，飞轮输出的机械功率和定转子输出有功功率之间的关系为：

P_g＝P_s+P_c＝P_s+P_r＝P_mec。

根据同步电机的功能关系可知，由于调速电机定转子磁链之间存在转速差，因而调速电机需要额外吸收转差功率用以维持其转速运行稳定，永磁飞轮调相机系统向电网发出的有功功率和电枢转子有功功率之间的关系为：

所得电枢转子侧有功功率流向与永磁转子和电枢转子转速差的方向有关，规定功率流向电网时值为正：当飞轮转速下降，飞轮转速的一次导数为负，P_s为正，调相机定子电枢向电网输出有功，由于永磁转子转速下降后，转差为负，P_r为负，电枢转子向电网吸收有功。

在本实施例的一个具体实施方式中，系统的调频功率响应控制方法表示为：

步骤一：控制器依据当前电力系统调度指令和当前检测电网频率及反馈有功出力信息给出所述永磁飞轮储能调相机系统调频决策指令。步骤一所述系统调频决策指令，具体为：当检测到电网频率偏差值过大，所述决策模块生成一次调频指令；当检测到电网频率偏差值小于设定阈值且电网频率变化率偏差过大，所述决策模块生成惯量响应指令；当检测到电网频率偏差值小于设定阈值且电网频率变化率偏差小于设定阈值，所述决策模块转入电力调度运行，生成可控的输出功率指令。

步骤二：控制器依照步骤一中生成的调频决策指令，同时结合采集到的电网频率和电压电流信息计算出永磁调相机飞轮储能系统释放或吸收的有功功率，综合调频决策指令和所述计算功率给出所述飞轮储能调相机有功功率控制指令。

步骤三：变流器接受所述控制器提供的有功功率控制指令，转换成对应驱动所述永磁调速电机的控制电信号，控制所述永磁电机永磁转子转速，使得所述永磁飞轮调相机系统输出指定的有功功率。

所述系统输出指定的有功功率包含转差功率和定子功率两部分，通过调整所述变流器通电频率可以实现双路馈送有功功率的分配和飞轮转速的调节。

在本实例的一个具体实施方式中，控制器的指令单元还包含如图5所示的决策和有功功率计算流程，依照该流程可以实现所述永磁飞轮储能调相机系统的功率控制，所述控制方法具体为：

步骤一，确定所属系统挂载电网频率变化率和频率变化值的最大容忍限度和安全阈值；

步骤二，依据外界调度指令要求确定是否处于输出功率可控模式，当外界存在明确输出功率指令，直接决策输出指定的有功功率值，否则进入调频决策模式；

步骤三，当控制器选择进入调频决策模式，所述模式具体为：首先判断当前电网频率是否跌落或上升至超出安全阈值，若是，进入一次调频决策，利用下垂控制系数和惯量调节共同作用输出有功功率指令：

若否，进入惯量支撑决策；

步骤四，当控制器进入惯量支撑决策，所属系统输出功率仅受当前电网频率变化率影响，电网频率变化越快，所产生的惯量功率指定值越大。首先判断当前电网频率变化率是否跌落或上升至超出安全阈值，若是，进入惯量支撑决策，输出有功功率指令为：

若否，决策当前时刻输出有功功率为0；

步骤五，为输出有功功率指令添加比例-积分环节，确保输出功率无静差，同时保证输出功率精度：

式中，P_out为控制器最终输出功率指令，K_p1为功率环比例系数，K_i1为功率环积分系数。

Claims (10)

1.一种永磁飞轮储能调相机系统，其特征在于，包括飞轮(1)、永磁调速电机(2)、同步调相机(3)、控制器(4)、变流器(5)、第一轴系(6)和第二轴系(7)；

所述同步调相机(3)的电枢定子(31)与电网相连接，同步调相机的励磁转子(32)与第二轴系(7)一端相连接；所述永磁调速电机(2)包括电枢转子(21)和永磁转子(22)，电枢转子(21)与第二轴系(7)另一端相连接，使同步调相机的励磁转子(32)和永磁调速电机的电枢转子(21)同步旋转；

所述的永磁转子(22)与第一轴系(6)的一端相连接，所述飞轮(1)与第一轴系(6)的另一端相连接，使飞轮(1)和永磁转子(22)同步旋转；

所述控制器(4)包括电网频率检测单元(41)、功率计算单元(42)和指令决策单元(43)；所述电网频率检测单元(41)用于获取电网电流频率信号和功率信号，并将获得的数据发送给指令决策单元(43)；所述指令决策单元(43)依据电网频率检测单元(41)的数据和电网的调度指令生成指令决策发送给功率计算单元(42)；所述功率计算单元(42)接受指令决策单元(43)的指令决策出当前所需的系统惯量支撑功率，传递变频信号给变流器(5)。

2.根据权利要求1所述的永磁飞轮储能调相机系统，其特征在于，所述电枢转子(21)包含电枢转子铁心(211)和电枢转子绕组(212)；所述电枢转子绕组(212)安装在电枢转子铁心槽内；所述电枢转子绕组(212)与变流器(5)相连接，所述电枢转子铁心(211)与第二轴系(7)的另一端相连接。

3.根据权利要求2所述的永磁飞轮储能调相机系统，其特征在于，所述永磁转子(22)包含永磁体(221)和永磁转子铁心(222)；所述永磁体(221)表贴于所述永磁转子铁心(222)上；所述永磁转子铁心(222)与第一轴系(6)的一端相连接。

4.根据权利要求3所述的永磁飞轮储能调相机系统，其特征在于，永磁转子(22)与第一轴系(6)的一端相连接改为永磁转子(22)与第二轴系(7)的另一端相连接，电枢转子(21)与第二轴系(7)的另一端相连接改为电枢转子(21)与第一轴系(6)的一端相连接；

所述电枢转子铁心(211)与第二轴系(7)的另一端相连接改为电枢转子铁心(211)与第一轴系(6)的一端相连接，使所述电枢转子与飞轮转速保持相同；所述永磁转子铁心(222)与第一轴系(6)的一端相连接改为永磁转子铁心(222)与第二轴系(7)的另一端相连接，使永磁转子与飞轮转速保持相同。

5.根据权利要求1所述的永磁飞轮储能调相机系统，其特征在于，所述永磁调速电机通过变流器及控制器控制电枢转子实现变频调速，变流器电源取自同步调相机机端电网。

6.一种永磁飞轮储能调相机系统的控制方法，用于控制权利要求1-4任一项所述的永磁飞轮储能调相机系统，其特征在于，包括步骤：

S1：建立永磁飞轮储能调相机系统数学模型，将该数学模型作为控制对象；

S2：针对所述控制器和控制对象，建立调频功率响应控制方法，实现对电网频率和所述系统惯量支撑功率的控制；

S3：依照所述控制器的系统惯量支撑功率控制指令，实现所述永磁飞轮储能调相机系统的有功功率馈送控制。

7.根据权利要求6所述的永磁飞轮储能调相机系统的控制方法，其特征在于，步骤S2中，通过调节飞轮转速实现调频功率响应控制方法，具体步骤为：

S21：电网频率检测单元获取电网电流频率信号和功率信号，并将获得的数据发送给指令决策单元，指令决策单元依据当前电力系统调度指令和当前检测电网频率及反馈有功功率出力信息给出所述永磁飞轮储能调相机系统的调频决策指令；

S22：功率计算单元依照S21中生成的调频决策指令，计算永磁调相机飞轮储能系统释放或吸收的有功功率，综合调频决策指令和计算的有功功率给出所述永磁飞轮储能调相机系统的有功功率控制指令；

S23：变流器接受所述控制器提供的有功功率控制指令，转换成驱动所述永磁调速电机的控制电信号，控制所述永磁调速电机永磁转子转速，使得所述永磁飞轮储能调相机系统输出指定的有功功率。

8.根据权利要求6所述的永磁飞轮储能调相机系统的控制方法，其特征在于，所述永磁飞轮储能调相机系统数学模型，包括与频率支撑和有功补偿有关的永磁调速电机数学模型；

所述的永磁调速电机数学模型基于两相旋转坐标系下的磁链方程，所推导出的定、转子回路电压方程组为：

式中，R为电枢转子电阻，u_q和u_d分别是电枢转子电压的d轴和q轴分量，i_q和i_d分别是电枢转子电流的d轴和q轴分量，ω_e是永磁转子磁链相对于电枢转子磁链的相对电角速度，L_d和L_d分别是d轴和q轴的电感分量，ψ_f是永磁体磁链，ω_re是永磁转子磁链电角速度，ω_se是电枢转子磁链电角速度；

在飞轮释放或吸收能量过程中，所述永磁调速电机产生的用于支撑飞轮加减速的电磁转矩表示为：

式中，J_r为永磁转子和飞轮转动惯量之和，ω_mr为飞轮和永磁转子的机械转速，T_Lr为永磁转子上施加的负载扭矩，T_er为永磁调速电机生成的电磁扭矩，B为空气阻尼系数；

所述电枢转子产生的支撑有功功率传递至同步调相机的反向电磁扭矩表示为：

式中，J_s为电枢转子和同步调相机励磁转子转动惯量之和，ω_ms为同步调相机励磁转子和电枢转子的机械转速，T_Ls为作用在第二轴系的负载力矩，T_e为永磁调速电机生成的反向电磁扭矩。

9.根据权利要求8所述的永磁飞轮储能调相机系统的控制方法，其特征在于，

忽略变流器的开关损耗和线路损耗以及摩擦损耗，飞轮的机械能E、发出的机械功率P、系统自身惯量H分别为：

式中，ω_gn为电网额定电角频率，p_n为永磁调速电机永磁体极对数，S_n为所述永磁飞轮储能调相机系统额定容量。

10.根据权利要求9所述的永磁飞轮储能调相机系统的控制方法，其特征在于，步骤S3中，有功功率馈送控制包括与频率支撑和有功补偿有关的功率分配关系；

所述功率分配关系，具体为：

飞轮释放的瞬时功率，一路通过同步调相机电枢定子输入到电网中，另一路通过永磁调速电机的电枢转子绕组输入到电网中，具体表示为：

P＝P_s+P_r；

所述同步调相机电枢定子输入到电网中的功率表示为：

该部分功率受同步调相机励磁转子转速控制；

所述永磁调速电机的电枢转子绕组输入到电网中的功率表示为

该部分功率受同步调相机励磁转子转速和变流器通电频率共同影响；

所述飞轮释放的瞬时功率最终表示为电流的形式，表示为：

通过控制i_d、i_q和ω_mr改变所述永磁飞轮储能调相机系统释放的功率。