[发明专利]一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法

说明书

本发明提出了一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，采用连续参考转速曲线减小系统充电过程中转子承受的振动和冲击；对于轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，在外环转速控制中，通过自适应补偿方法，对内部参数和外部负载进行估算；随后将估算结果与鲁棒控制器的输出结果叠加，作为q轴参考电流提供给内环电流控制，然后获得q轴控制输入电流，精确控制转子转速。本发明将连续参考转速曲线、鲁棒控制、自适应补偿、线性控制相结合，能够有效提高调频型飞轮储能系统充电过程中的系统性能，改善转速跟踪误差。

技术领域

本发明涉及应用于电网调频的飞轮储能系统，具体涉及一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法。

背景技术

随着风力、光伏等新能源发电大规模接入我国电网，其间歇性、不确定性及波动性均会对电网频率的稳定性产生不容忽视的影响。为了保证电网可靠、稳定运行，需要调节控制电网频率，即电网调频。现阶段国内的调频机组主要为火电机组，但由于其响应速度慢、爬坡速率低的缺点，调频质量与灵活性难以满足要求。

一个典型的飞轮储能系统(FESS)主要由飞轮转子、轴承支撑系统、双向能量变换器、飞轮电机和真空室组成。飞轮储能系统的调频效果远优于火电机组，能够有效提高电网频率稳定性，从而保证电网运行的可靠性和安全性。然而电网调频以秒级计算调整时间，同时飞轮储能系统具有大惯性、时变、非线性等特点,系统稳定性易受扰动(如电网波动)和系统参数变化的影响。因此，亟需提高上述条件下FESS系统充电过程的系统性能和转速跟踪精度，并减小飞轮转子的振动和冲击。

对于采用永磁同步电机(PMSM)的飞轮储能系统的充电控制，即转子转速控制，现有技术中或将改进型滑模观测器应用于基于PI控制器的速度外环、电流内环的充电控制方式，以实现无速度传感器控制；或应用外环转速内环电流的双闭环控制策略，通过神经网络算法来对控制器中的PID参数进行调整；或应用转速外环滑模控制，电流内环PI控制；然而，其均未考虑FESS系统在并网充电过程中电机的动力学参数变化和电网波动对系统性能和转速跟踪误差产生的影响。因此，亟待设计一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法，解决充电过程中转子承受较大的振动和冲击以及电机的动力学参数变化和电网波动对系统性能和转速跟踪误差的影响。

发明内容

基于现有技术的不足之处，本发明提供了一种并网调频型飞轮储能系统充电过程中的转速控制方法。对轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机采用连续参考转速曲线来减小系统充电过程中的转子承受的振动和冲击；然后应用外环转速鲁棒控制和自适应补偿方法，内环电流线性控制的闭环控制方法；在外环转速控制中，通过自适应补偿方法，对内部参数和外部负载进行估算；随后将估算结果与鲁棒控制器的输出结果叠加后，作为参考电流提供给内环电流控制，进而通过q轴控制输入电流，控制永磁同步电机输出转速，实现转子转速的最小输出误差；从而解决系统充电过程中的转子承受较大振动和冲击以及电机的动力学参数变化和电网波动对系统性能和转速跟踪误差影响和技术难题，为并网调频型飞轮储能系统充电过程中精确的转速控制提供技术支持。

本发明解决上述问题的技术方案包括以下步骤：

1)为减小飞轮储能系统在充电过程中转子承受的振动和冲击，根据转子初始转速和最终期望转速，设定达到最终期望转速过程中转子转速、角加速度、角加加速度均连续，起始和结束的角加速度与角加加速度均为0，进而获得连续转速曲线，作为转速控制的参考输入曲线；

2)针对电机轴上安装有飞轮转子的永磁同步电机，应用转速-电流双闭环控制，外环为转速环，采用自适应补偿器和鲁棒控制器进行控制；内环为电流环，应用线性控制器进行控制；