基于交流并网飞轮储能系统的快速动态响应控制方法

摘要

本发明提出一种基于交流并网飞轮储能系统的快速动态响应控制方法，包括电网侧变流器控制策略和飞轮侧变流器控制策略，在充电模式下，电网侧变流器控制目标是飞轮储能系统中的直流母线电压U_dc保持在给定值U_dc*以及电网侧变流器的单位功率因数输入，飞轮侧变流器的控制目标是飞轮迅速升速至最高转速；放电模式下，电网侧变流器的控制目标是按照给定的有功功率指令P*和无功功率指令Q*发出相应的有功功率P和无功功率Q，使得P＝P*，Q＝Q*。飞轮侧变流器的控制目标是维持飞轮储能系统直流母线电压U_dc恒定，等于给定值U_dc*。本发明能够提高控制的响应速度及开环控制的精确度。

主权项

一种基于交流并网飞轮储能系统的快速动态响应控制方法，其特征在于，所述飞轮储能系统包括所述飞轮储能系统接入的电网、LCL滤波器、电网侧变流器、直流母线电容、飞轮侧变流器和飞轮，其中，所述飞轮包括同轴连接的飞轮电机和飞轮转子，所述控制方法包括以下步骤：对所述电网侧变流器的控制：获取所述电网电压的相位信息ω_gt，并根据所述相位信息ω_gt将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将所述两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系，其中，ω_g为电网角频率；获取所述电网的三相电压u_sa、u_sb和u_sc经过坐标变换后得到的两相旋转坐标系下的直流分量u_sd、u_sq；判断所述飞轮储能系统的工作模式，如果所述飞轮储能系统处于充电控制模式，则获取所述飞轮储能系统的功率参考值P*，并根据所述功率参考值P*和所述三相电压在q轴的直流分量u_sq计算得到所述电网侧变流器的输出电流q轴参考值i_1q*，并将所述电网侧变流器的输出电流q轴参考值i_1q*与ω_g(L₁+L₂)相乘并取反后与所述三相电压在d轴的直流分量u_sd和d轴误差校正值相加得到所述电网侧变流器交流侧输出电压d轴参考值u_1d*，并通过滤波电容对所述三相电压在q轴的直流分量u_sq、所述电网侧变流器交流侧输出电压q轴参考值u_1q*进行电流补偿，得到所述电网侧变流器输出电流d轴参考值i_1d*，其中，将所述电网侧变流器输出电流d轴参考值i_1d*与ω_g(L₁+L₂)相乘后与所述三相电压在q轴的直流分量u_sq相加得到所述电网侧变流器交流侧输出电压q轴参考值u_1q*，其中，所述充电控制模式下d轴误差校正值根据所述飞轮储能系统的直流母线电压U_dc计算得到，以及如果所述飞轮储能模式处于放电控制模式，则获取所述电网侧变流器交流输出侧三相电流i_1a、i_1b和i_1c经过坐标变换后得到的两相旋转坐标系下的直流分量i_1d、i_1q，并获取所述飞轮储能系统的功率参考值P*，并根据所述功率参考值P*和所述三相电压在q轴的直流分量u_sq计算得到所述电网侧变流器的输出电流q轴参考值i_1q*，并将所述电网侧变流器的输出电流q轴参考值i_1q*与ω_g(L₁+L₂)相乘并取反后与所述三相电压在d轴的直流分量u_sd和d轴误差校正值相加得到所述电网侧变流器交流侧输出电压d轴参考值u_1d*，并获取所述飞轮储能系统的无功功率参考值Q*，并根据所述无功功率参考值Q*、所述三相电压在q轴的直流分量u_sq和滤波电容电流补偿值计算得到所述电网侧变流器的输出电流q轴参考值i_1d*，其中，所述放电控制模式下d轴误差校正值根据所述三相电流在d轴的直流分量i_1d计算得到，其中，通过滤波电容对所述三相电压在q轴的直流分量u_sq和所述电网侧变流器交流侧输出电压q轴参考值u_1q*进行电流补偿后得到所述滤波电容电流补偿值，其中，将所述电网侧变流器的输出电流q轴参考值i_1d*与ω_g(L₁+L₂)相乘后与所述三相电压在q轴的直流分量u_sq和q轴误差校正值相加得到所述电网侧变流器交流侧输出电压q轴参考值u_1q*，其中，q轴误差校正值根据所述三相电流在d轴的直流分量i_1d计算得到，其中，L₁为电力电子变换器的并网LCL滤波器的电网侧电感，L₂为电力电子变换器的并网LCL滤波器的变换器侧电感；对所述电网侧变流器交流侧输出电压d轴参考值u_1d*和所述电网侧变流器交流侧输出电压q轴参考值u_1q*进行坐标变换后得到两相静止坐标系下的交流分量u_1α*和u_1β*；以及对所述两相静止坐标系下的交流分量u_1α*、u_1β*和所述飞轮储能系统的直流母线电压U_dc进行PWM调制后得到控制所述电网侧变流器的PWM信号。对所述飞轮侧变流器的控制：获取所述飞轮电机的位置信息θ_e，并根据所述位置信息θ_e将三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，并将所述两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系；获取飞轮电机定子三相电流i_2a、i_2b、i_2c经过坐标变换后得到两相旋转坐标系下的直流分量i_2d、i_2q；获取所述飞轮的转速n和飞轮的参考转速n*，并根据所述飞轮的转速n和飞轮的参考转速n*计算得到功率参考值P*；根据所述功率参考值P*和飞轮的转速n计算得到飞轮电机定子电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值i_2d*、i_2q*；判断所述储能系统的工作模式，如果所述储能系统处于充电控制模式，则将所述i_2q*和ω_eL_q相乘并取反后与R_si_2d和d轴误差校正值相加得到所述飞轮侧变流器交流侧输出电压d轴分量参考值u_2d*，并将所述飞轮电机定子电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值i_2d*和ω_eL_d相乘，再与R_si_2q、ω_eΨ_r和q轴误差校正值相加得到所述飞轮侧变流器交流侧输出电压q轴分量参考值u_2q*，其中，所述充电控制模式下d轴误差校正值根据所述飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量i_2d、i_2q及转速n计算得到，所述充电控制模式下q轴误差校正值根据所述飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量i_2d及转速n计算得到，以及如果所述储能系统处于放电控制模式，则将所述飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量参考值i_2d*和ω_eL_d相乘，再与所述R_si_2q、ω_eΨ_r和q轴误差校正值相加得到所述飞轮侧变流器交流侧输出电压q轴分量参考值u_2q*，并将所述i_2q*和ω_eL_q相乘并取反后与R_si_2d和d轴误差校正值相加得到所述飞轮侧变流器交流侧输出电压d轴分量参考值u_2d*，其中，所述放电控制模式下d轴误差校正值根据所述飞轮储能系统的直流母线电压U_dc计算得到，所述放电控制模式下q轴误差校正值根据所述飞轮电机定子三相电流在两相旋转坐标系中的直流分量i_2d及转速n计算得到，其中，ω_e为飞轮电机的旋转电角速度，L_q为飞轮电机的定子q轴电感，R_s为飞轮电机的定子电阻，L_d为飞轮电机的定子d轴电感，Ψ_r表示飞轮电机的永磁磁链；对所述飞轮侧变流器交流侧输出电压d轴分量参考值u_2d*及所述飞轮侧变流器交流侧输出电压q轴分量参考值u_2q*进行坐标变换后得到两相静止坐标系下的交流分量u_2α*和u_2β*；以及对所述两相静止坐标系下的交流分量u_2α*、u_2β*及所述飞轮储能系统的直流母线电压U_dc进行PWM调制后得到控制所述电力电子变流器的PWM信号。