一种提升高速飞轮储能阵列直流母线电压鲁棒性的方法技术

一种提升高速飞轮储能阵列直流母线电压鲁棒性的方法，涉及飞轮储能技术领域。本发明专利技术将直流母线电压的参考值和实时值作为阵列控制器的输入信号，在设计比例环节和微分环节的跟踪微分器同时，构建状态观测器和误差反馈控制器。其中，状态观测器根据输入信号估计系统内外扰动的实时值，误差反馈控制器将观测到的扰动量反馈给控制器前级。最后，将阵列控制器应对直流母线电压波动的实时调节信号，通过等转矩充放电策略方式分配给底层高速飞轮单元控制器。与现有技术相比，该方法提升了高速飞轮阵列的母线电压稳定性。轮阵列的母线电压稳定性。轮阵列的母线电压稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种提升高速飞轮储能阵列直流母线电压鲁棒性的方法


[0001]本专利技术涉及飞轮储能
，具体的说是涉及一种提升高速飞轮储能阵列直流母线电压鲁棒性的方法。

技术介绍

[0002]随着高速飞轮储能系统（FESS）的运用场景越来越广泛，大家逐渐关注高速飞轮储能系统容量。与低速飞轮储能不同，单个高速飞轮储能系统的容量受到飞轮材料、电力电子变流器等因素的制约，集成多个模块化的FESS单元形成飞轮储能阵列（FESA）成为较为可行的解决方案。目前，飞轮储能阵列有两种典型拓扑结构，分别是直流母线并联和交流母线并联。
[0003]飞轮储能阵列解决了飞轮储能单机容量受限和灵活扩容得问题，但是，不同高速飞轮单机存在参数不一致问题，对多机协同充放电一致性产生影响，对飞轮储能阵列的能量管理提出了较高要求。目前，常用的飞轮储能阵列的放电策略有三种，分别是等功率放电策略、等转矩放电策略和等时间长度放电策略。对于同一个飞轮储能阵列而言，等功率放电策略放电速度最快，等转矩放电策略其次，等时间长度放电策略最慢。等转矩放电策略相对于其他两种放电策略的优点是简单实用。在飞轮阵列频繁与电网之间进行功率交互的场景下，传统直流母线电压控制器抑制直流母线电压波动响应慢和控制效果差。
[0004]自抗扰控制依据先进的现代控制理论消除误差，其算法简单和鲁棒性强，能够自动检测并补偿控制对象的内外扰动。该控制方法不会因扰动过大而导致性能急剧恶化，可以明显提高多机并联系统协同运行的稳定性和抗扰性，在飞轮储能阵列母线电压稳定控制上具有较好得应用前景。r/>
技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术提出了一种鲁棒性强、用于飞轮储能阵列的功率分配方法，改善了由于电网与飞轮阵列之间的功率交换引起的飞轮储能阵列直流母线电压波动的问题。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术中将直流母线电压的参考值和实时值作为阵列控制器的输入信号，在设计比例环节和微分环节的跟踪微分器同时，构建状态观测器和误差反馈控制器，状态观测器根据输入信号估计系统内外扰动的估计值、、，误差反馈控制器将观测到的扰动量反馈给控制器前级。在前述基础上，将飞轮阵列控制器应对直流母线电压波动的调节信号，通过等转矩充放电策略方式分配给底层单元控制器。单元控制器采用的控制策略实现dq轴的静态解耦。
[0007]本专利技术采用强鲁棒性的自抗扰控制器用于稳定高速飞轮阵列直流母线电压。以下给出本文设计高速飞轮阵列自抗扰控制器的步骤：不计变流器的开关损耗，交直流侧功率平衡方程如式（1）所示，永磁电机电流方程如式（2）所示。
[0008](1)（2）联立式（1）和式（2），可得： (3)式中，是直流侧电压，是直流侧电流，是直流侧电容，是电机的机械角速度，、是d轴电压和电流，、是q轴电压和电流，是d轴电感，是q轴电感，是永磁体磁链，是电机定子电阻；定义：(4)式中，定义为状态变量，定义为总扰动，为控制输入系数，为控制输出；即可将式（3）表示成状态方程形式：
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(5)为使受控量以有限时间无超调的进入稳态，安排过渡过程如下式：
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(6)为了跟踪外部扰动，构建的状态观测器如下式： (7)基于比例微分调节和扰动补偿后控制器输出如下式：
(8)上式中，为直流侧电压参考值；、、为误差信号；为符号函数；、、为扰动的估计值；为可调参数；、为跟踪微分器的参数；为比例系数。
[0009]阵列控制器应对直流母线电压波动的调节信号，通过等转矩充放电策略方式分配给底层高速飞轮储能单元控制器，每个高速飞轮储能单机控制器的转矩指令表示为式（9）；在dq0坐标轴下，采用将dq轴静态解耦，得到电磁转矩公式的简化形式，如式（10）所示，进而得出单元控制器的参考值：
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(9)
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(10)式中， 为飞轮阵列的总转矩，为飞轮单元的个数，、、为每台飞轮单元的电磁转矩，为第i抬飞轮单元的电磁转矩，为PMSM的极对数，为q轴电感，为PMSM的磁链，为q轴电流。
[0010]有益效果：本专利技术公开了一种提升高速飞轮储能阵列直流母线电压鲁棒性的方法。与现有技术相比，该方法既保证了飞轮阵列的母线电压稳定性，又提升飞轮阵列与电网功率交互的运行平稳性。
附图说明
[0011]图1为直流母线型高速飞轮储能阵列拓扑图；图2为高速飞轮阵列系统控制器的控制框图。
具体实施方式
[0012]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0013]本专利技术中将直流母线电压的参考值和实时值作为阵列控制器的输入信号，在设计比例环节和微分环节的跟踪微分器同时，构建状态观测器和误差反馈控制器，状态观测器根据输入信号估计系统内外扰动的估计值、、，误差反馈控制器将观测到的扰动量反馈给控制器前级。在前述基础上，将阵列控制器应对直流母线电压波动的调节信号，通过等转矩充放电策略方式分配给底层单元控制器。单元控制器采用的控制策略实现dq轴
的静态解耦。
[0014]图1为直流母线型高速飞轮储能阵列拓扑图，该专利技术中的高速飞轮储能阵列由阵列能量管理中心、各个飞轮单元控制器、AC/DC变流器、直流母线和DC/AC变流器等组成。飞轮储能采用永磁同步电机（PMSG）作为驱动电机，这里将飞轮储能阵列中所有的飞轮储能单元进行编号为1～N，每个飞轮储能单元通过AC/DC变换器与直流母线相连。直流母线型相比较于交流型高速飞轮储能阵列拓扑，避免了多个背靠背变流器并网的复杂结构，仅仅通过一个逆变器即可实现飞轮阵列的并网。
[0015]图2为高速飞轮阵列系统控制器的控制框图。由图可知，阵列控制器采用强鲁棒性的自抗扰控制策略，用于稳定飞轮阵列直流母线电压。飞轮单元控制器采用采用的控制策略将dq轴静态解耦，简化飞轮单元的充放电控制。以下给出本文设计飞轮阵列自抗扰控制器的步骤，不计变流器的开关损耗，交直流侧功率平衡方程如式（1）所示，永磁电机电流方程如式（2）所示。
[0016] (1)（2）联立式（1）和式（2），可得：(3)式中，是直流侧电压，是直流侧电流，是直流侧电容，是电机的机械角速度，、是d轴电压和电流，、是q轴电压和电流，是d轴电感，是q轴电感，是永磁体磁链，是电机定子电阻。定义：(4)式中，定义为状态变量，定义为总扰动，为控制输入系数，为控制输出。即可将式（3）表示成状态方程形式：
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(5)为使受控量以有限时间无超调的进入稳态，安排过渡过程如下式：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升高速飞轮储能阵列直流母线电压鲁棒性的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用强鲁棒性的自抗扰控制器稳定飞轮阵列直流母线电压，控制器将直流母线电压的参考值和实时值作为阵列控制器的输入信号，构建状态观测器和误差反馈控制器，状态观测器根据输入信号估计系统内外扰动的估计值、、，误差反馈控制器将观测到的扰动量反馈给控制器前级；步骤2：将阵列控制器应对直流母线电压波动的调节信号，通过等转矩充放电策略方式分配给底层单元控制器；单元控制器采用的控制策略实现dq轴的静态解耦。2.根据权利要求1所述的一种提升高速飞轮储能阵列直流母线电压鲁棒性的方法，其特征在于：所述步骤1中采用强鲁棒性的自抗扰控制器，具体过程为：不计变流器的开关损耗，交直流侧功率平衡方程如式（1）所示，永磁电机电流方程如式（2）所示：(1) (2)联立式（1）和式（2），可得： (3)式中，是直流侧电压，是直流侧电流，是直流侧电容，是电机的机械角速度， 、是d轴电压和电流，、是q轴电压和电流，是d轴电感，是q轴电感，是永磁体磁链，是电机定子电阻；定义：(4)式中，定义为状态变量，定义为总扰动，为控制输入系数， 为控制输出；即可将式（3）表示成状态方程形式：(5)

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，陈杰，张丹，水恒华，陈鹰，赵思锋，韦统振，王金浩，杨波，陶以彬，周云红，桑丙玉，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：