一种用于机械储能系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种用于机械储能系统的控制方法，步骤如下：1)将一个飞轮储能单元与一台风力发电机并联，或与其他多个飞轮储能单元一起组成飞轮储能矩阵；2)转子位置传感器采集飞轮电机的转速；电流传感器采集直流母线电流信号；3)计算转速误差的采样值；4)应用神经元自适应PID控制器作为转速控制器，计算其输出控制量；5)计算直流母线电流误差信号；6)将电流误差信号输入电流控制器，用于控制PWM波的输出，PWM驱动双向变流器控制飞轮电机加速或减速运行。该控制方法从根本上不同于其它的针对三相永磁同步式飞轮驱动电机设计的控制方法，无需进行矢量控制，大大提高了飞轮储能系统的转速控制精度和系统的鲁棒性。

主权项

一种用于机械储能系统的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1）将一个飞轮储能单元与一台风力发电机并联在一条直流母线上，组成一个发电单元；或者将多个飞轮储能单元并联在一条直流母线上，组成飞轮储能矩阵系统，飞轮储能矩阵的直流母线通过双向变流器与风电场的交流母线连接；2）采用转子位置传感器采集飞轮电机的转速，电机实际输出转速为y(k)；采用电流传感器采集飞轮储能单元输出的直流母线电流信号I_dc；3）计算转速误差的采样值e(k)：e(k)＝y(k)‑r(k)，其中，r(k)为飞轮参考转速；4）应用神经元自适应PID控制器作为转速控制器，计算其控制量u(k)：先计算变化量△u(k)：△u(k)=w₁[e(k)‑e(k‑1)]+w₂e(k)+w₃[e(k)‑2e(k‑1)+e(k‑2)]；e(k)、e(k‑1)和e(k‑2)为转速误差的采样值，k、k‑1和k‑2分别为采样时刻；w₁为转速误差的比例权值，w₂为转速误差的积分权值，w₃为转速误差的微分权值；再由△u(k)=u(k)‑u(k‑1)计算出控制量u(k)，并将其作为直流母线电流的参考输出信号输入电流内环控制；其中，转速误差的比例权值w₁、积分权值w₂和微分权值w₃能够通过自主学习过程自适应的调节，控制器的比例、积分、微分状态变量x_i，i=1,2,3表示为：$\{\begin{array}{c}{x}_1\left(k\right)=\Delta e\left(k\right)=e\left(k\right)-e(k-1)\\ x_2\left(k\right)=e\left(k\right)\\ x_3\left(k\right)={\Delta }^{2}e\left(k\right)=e\left(k\right)-2e(k-1)+e(k-2)\end{array};$通过调节权值w_i，为了使系统误差e(k)趋于0，引入一个二次型性能指标函数J(k)：$J\left(k\right)=\frac{1}{2}{[r\left(k\right)-y\left(k\right)]}^2=\frac{1}{2}{e}^2\left(k\right);$权值的自适应调节目标是J(k)沿着负梯度方向变化，即使误差e(k)变小；J(k)与w_i(k)的关系可表示为：$\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta w}}_i\left(k\right)=-{\eta }_i[\partial \mathrm{J/}\partial w_i\left(k\right)]=-{\eta }_i[\partial \mathrm{J/}\partial y\left(k\right)][\partial y/\partial w_i\left(k\right)]\\ ={\eta }_{i}e\left(k\right)[\partial y/\partial \Delta u\left(k\right)][\partial \Delta u\left(k\right)/\partial w_i\left(k\right)]\end{array};$其中，△w_i(k)=w_i(k+1)‑w_i(k)；η_i，η_i>0，i=1,2,3分别表示比例、积分、微分环节的学习率；在神经网络有监督的Hebb学习算法下，J(k)与w_i(k)的关系式重写为：${\mathrm{\Delta w}}_i\left(k\right)={\eta }_{i}e\left(k\right)x_i\left(k\right)[\partial y/\partial \Delta u\left(k\right)],i=1,2,3;$为了简化学习率η_i初始值的选择，引入K作为学习率的系数，K>0；因此变化量△u(k)的方程被重写为：$\Delta u\left(k\right)=K\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}{w}_i^0\left(k\right)x_i\left(k\right);$其中，为归一化权值，$w_i^0\left(k\right)=w_i\left(k\right)/\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}\left|w_i\left(k\right)\right|;$在这种情况下，三个变量i=1,2,3随着i=1,2,3的自适应调节而改变；5）计算电流误差信号e_i：$e_i=I_{dc}^{*}-I_{dc},$式中：为直流母线电流的参考输出信号，I_dc为飞轮储能单元输出的直流母线电流信号；6）将电流误差信号e_i输入电流控制器，电流控制器的输出信号d^*用于控制PWM波的输出，PWM驱动双向变流器控制飞轮电机加速或减速运行。