基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法技术方案

本发明专利技术提出了基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法，包括：利用电机的电压电流测量值及坐标变换估算机侧变换器电流；引入机侧变换器的电流作为前馈项，叠加到网侧变换器的电压外环的输出端；网侧变换器的电流内环附加电容电流控制环，通过对电容电流的直接控制，补偿因外界扰动引发电容上的不平衡电流。通过仿真验证了控制策略的有效性，能够实现两侧变换器的一体化协调控制，整体提高飞轮储能系统的动态性能。高飞轮储能系统的动态性能。高飞轮储能系统的动态性能。

【技术实现步骤摘要】
基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法


[0001]本专利技术属于电力系统优化控制
，尤其涉及基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]在能源消费清洁低碳化的进程中，电力系统必将占据着能源体系的主导地位，承担构建清洁低碳安全高效能源体系的重要任务，因此需要大力促进新能源发展，建设以新能源为主体的新型电力系统。在新型电力系统中，高比例新能源发电系统和新型负荷具有很强的波动性和随机性，将带来电力电量平衡概率化、电网潮流双向化、运行方式多样化、稳定机理复杂化等系列技术挑战。储能具有双向功率特性和快速调节能力，能够实现削峰填谷、平滑新能源出力波动、频率及电压支撑等功能，必将成为构建新型电力系统的基础和关键技术。
[0004]飞轮储能是一种起源于航天领域的物理储能技术，相比其他传统储能技术，具有分秒级、大功率、长寿命、高效率、密度大等特性，对环境的要求和影响非常低，充放电深度和健康状态预测相对简单，且方便实现模块化应用。随着电力电子技术、磁悬浮技术、物理材料技术的飞速发展，飞轮储能技术的单体容量会越来越大，甚至实现兆瓦级，相应的配套安全和并网控制策略也将越来越先进，其必将成为未来新型电力系统最具有开发潜力和应用前景的储能技术之一。
[0005]常规的背靠背变频器控制策略均为两侧独立控制，那么对于电网侧变换器来说，电机侧变换器与飞轮储能可整体作为前者的负载，而由于飞轮储能的工作性质，这个负载变化频繁，幅度较大，属于很强的外部扰动。负载电流的变化必然引起直流母线电压变化，然后网侧变换器电压外环输出改变，电流内环接收到电压外环的信息后才开始发挥调节作用，经过数个环节的滞后，导致网测电流必然不能快速匹配负载的需求，造成两侧电流的不平衡，根据基尔霍夫电流定律，不平衡电流将通过直流电容，从而引起直流电压的波动。
[0006]因此，从飞轮储能并网控制技术方面进行研究发现，系统在飞轮储能不同工况切换过程中存在抗扰动能力不足导致直流母线电压波动较大的问题。

技术实现思路

[0007]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法，提出了双侧PWM变换器的优化双回路前馈协调控制策略，基于仿真建模验证其准确性与有效性。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0009]第一方面，公开了基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法，包括：
[0010]利用电机的电压电流测量值及坐标变换估算机侧变换器电流；
[0011]引入机侧变换器的电流作为前馈项，叠加到网侧变换器的电压外环的输出端；
[0012]网侧变换器的电流内环附加电容电流控制环，通过对电容电流的直接控制，补偿因外界扰动引发电容上的不平衡电流。
[0013]进一步的技术方案，还包括：在负载电流前馈环节中加入限幅环节，以保证对低转速工况动态性能改善的同时维持系统的稳定性。
[0014]进一步的技术方案，通过对电容电流的直接控制，具体步骤为：
[0015]将电容电流给定值设为零，与电容电流采样值的偏差经PI调节器输出至电流内环终端，其中设置微分环节以补偿电流内环中的积分项，消除动态延时，同时，在电流内环中加入电网电压d
‑
q轴前馈分量，补偿电网电压扰动的影响。
[0016]进一步的技术方案，所述网侧变换器的电流内环控制方程如下：
[0017][0018]式中：K
pq
、K
pd
、K
pc
为PI调节器比例系数，K
iq
、K
id
、K
ic
为PI调节器积分系数，u
f*
为前馈总量，K
f
为前馈系数，i
cap
为电容电流。
[0019]进一步的技术方案，根据机侧变换器出口功率，利用电机的电压电流传感器测量值及坐标变换理论进行估算机侧变换器电流。
[0020]第二方面，公开了基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰系统，包括：
[0021]机侧控制器，被配置为：利用电机的电压电流测量值及坐标变换估算机侧变换器电流；
[0022]引入机侧变换器的电流作为前馈项，叠加到网侧变换器的电压外环的输出端；
[0023]网侧控制器，被配置为：网侧变换器的电流内环附加电容电流控制环，通过对电容电流的直接控制，补偿因外界扰动引发电容上的不平衡电流。
[0024]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0025]本专利技术在传统网侧变换器电流内环控制结构中附加了电容电流控制环，作用于电压外环输出端，同时引用负载电流估算值和电网电压作为前馈项，作用于电流内环输出端，最后通过仿真验证了控制策略的有效性，能够实现两侧变换器的一体化协调控制，整体提高飞轮储能系统的动态性能。
[0026]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0027]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0028]图1为飞轮储能系统工作原理图；
[0029]图2为飞轮储能单体并网系统结构图；
[0030]图3为网侧变换器控制策略图；
[0031]图4为网侧变换器控制策略图；
[0032]图5为飞轮电机转速仿真结果图；
[0033]图6为飞轮电机电磁转矩仿真结果图；
[0034]图7为飞轮电机q轴电流仿真结果图；
[0035]图8为飞轮电机d轴电流仿真结果图；
[0036]图9为机侧变换器三相电流仿真结果图；
[0037]图10为机侧变换器有功功率仿真结果图；
[0038]图11为直流母线电压仿真结果图；
[0039]图12为直流母线电压仿真结果局部放大分析图；
[0040]图13为基于双回路前馈控制策略的电流内环控制结构图；
[0041]图14为不同控制策略下两侧电流仿真结果，a)基于传统基本控制策略，b)基于优化双回路前馈控制策略；
[0042]图15为不同控制策略下电容电流仿真结果图；
[0043]图16为不同控制策略下直流母线电压仿真结果图。
具体实施方式
[0044]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0045]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。
[0046]在不冲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法，其特征是，包括：利用电机的电压电流测量值及坐标变换估算机侧变换器电流；引入机侧变换器的电流作为前馈项，叠加到网侧变换器的电压外环的输出端；网侧变换器的电流内环附加电容电流控制环，通过对电容电流的直接控制，补偿因外界扰动引发电容上的不平衡电流。2.如权利要求1所述的基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法，其特征是，还包括：在负载电流前馈环节中加入限幅环节，以保证对低转速工况动态性能改善的同时维持系统的稳定性。3.如权利要求1所述的基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法，其特征是，通过对电容电流的直接控制，具体步骤为：将电容电流给定值设为零，与电容电流采样值的偏差经PI调节器输出至电流内环终端，其中设置微分环节以补偿电流内环中的积分项，消除动态延时，同时，在电流内环中加入电网电压d
‑
q轴前馈分量，补偿电网电压扰动的影响。4.如权利要求1所述的基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法，其特征是，所述网侧变换器的电流内环控制方程如下：式中：K
pq
、K
pd
、K
pc
为PI调节器比例系数，K
iq
、K
id
、K
ic
为PI调节器积分系数，u
f*
为前馈总量，K
f
为前馈系数，i
cap
为电容电流。5.如权利要求1所述的基于双回路优化前馈协调控制的飞轮储能系统自抗扰方法，其特征是，根据机侧变换器出口功率，利用电机的电压电流传感器测量值及坐标变换理论进行估算机侧变换器电流。6.基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑博文，刘春晖，李军，高春辉，许才，王纯，杨朋威，陈肖璐，任正，陈更，鲍音夫，陈浩然，王新宇，窦宇宇，王俊芳，陈财福，张爽，赵振宇，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司电力科学研究院国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：