基于電流前饋的儲(chǔ)能飛輪充放電功率控制

孟慶博，王志強(qiáng)

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

0 引 言

對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電能的頻率穩(wěn)定性是衡量其性能的重要指標(biāo)[1-2]。但隨著國(guó)家的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，居民及工業(yè)用電量不斷增大，再加上新能源發(fā)電的接入，電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重沖擊[3-4]?；痣姷葌鹘y(tǒng)發(fā)電形式的調(diào)頻響應(yīng)慢、靈活性差、調(diào)節(jié)效率低，對(duì)自動(dòng)增益控制指令的響應(yīng)速度遠(yuǎn)不能達(dá)到要求[5]。儲(chǔ)能技術(shù)憑借響應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)精度高、易于變換調(diào)節(jié)方向等優(yōu)點(diǎn)，已成為電網(wǎng)調(diào)頻的理想方案。

飛輪儲(chǔ)能是一種物理儲(chǔ)能技術(shù)，相比化學(xué)儲(chǔ)能，具有環(huán)保、無(wú)燃爆，可充放電次數(shù)高，功率密度高，維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)，飛輪儲(chǔ)能在提高電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力、提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平及經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)調(diào)頻的使用場(chǎng)景，要求飛輪能在指定頻率下平穩(wěn)地充電和放電，本文采取了“儲(chǔ)能變流器+充放電變流器+儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)”的雙PWM變流器結(jié)構(gòu)，通過(guò)功率/轉(zhuǎn)速外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)復(fù)合控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛輪充放電功率的精確控制。針對(duì)功率指令切換瞬間輸出功率波動(dòng)較大的問(wèn)題，提出基于電流前饋的功率環(huán)控制方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，飛輪系統(tǒng)能快速跟蹤充放電功率指令，穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率輸出穩(wěn)定。

1 儲(chǔ)能飛輪工作原理與系統(tǒng)建模

磁懸浮儲(chǔ)能飛輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由殼體、磁軸承、備用軸承、電機(jī)定子以及電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成。磁軸承由徑向及軸向磁軸承以及位移傳感器組成[6]，可確保轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)。飛輪工作時(shí)，利用真空泵將殼體內(nèi)抽成真空狀態(tài)。

圖1 磁懸浮儲(chǔ)能飛輪示意圖

飛輪采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)勵(lì)磁損耗，且擁有較大的功率密度，廣泛應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能。雙向能量變換器采用儲(chǔ)能變流器與充放電變流器結(jié)合的方式，由IGBT構(gòu)成三相橋式電路。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有三種工作模式[7]：充電模式，飛輪電機(jī)由外部供電，帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子升速，將能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來(lái)；穩(wěn)速模式，飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到指令值后不再升速，由小功率維持轉(zhuǎn)速不變；放電模式，飛輪減速運(yùn)行，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，向外釋放能量。

在d，q坐標(biāo)系下，建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，定子電壓方程[8]：

(1)

式中：ud，uq分別為d，q軸的定子電壓；id，iq為定子電流；ψd，ψq為定子磁鏈；ω為電機(jī)電角速度；Ld，Lq分別是電動(dòng)機(jī)的直軸電感和交軸電感，表貼式永磁同步電機(jī)的Ld與Lq相等；ψf是轉(zhuǎn)子上永磁體的磁鏈。

d，q坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程：

(2)

式中：Te是電磁轉(zhuǎn)矩。

由式(2)可知，永磁同步電機(jī)控制可通過(guò)以下幾種方式[9]：矢量控制，單位功率因數(shù)控制，弱磁控制以及最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。本文的儲(chǔ)能飛輪采用的是表貼式電機(jī)，其交直軸電感相等，故采用矢量控制，并設(shè)置參考id為零。

儲(chǔ)能飛輪電氣系統(tǒng)框圖如圖2所示，飛輪電流Iflywheel和變流器電流iinv都是以飛輪在充電狀態(tài)下的電流方向?yàn)檎较?，?dāng)飛輪放電時(shí)，電流方向與之相反[10]。

圖2 儲(chǔ)能飛輪電氣系統(tǒng)框圖

2 飛輪充放電功率控制方法

本文中的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用背靠背雙PWM變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[11]，由網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能變流器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PCS)和飛輪側(cè)充放電變流器實(shí)現(xiàn)能量交換，系統(tǒng)工作時(shí)，儲(chǔ)能變流器會(huì)提供恒定的直流母線電壓，通過(guò)對(duì)母線電流的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)飛輪充放電功率控制。儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。在充電模式下，飛輪接收功率指令以恒功率充電；在放電模式下，飛輪實(shí)時(shí)跟蹤功率指令以指定功率輸出電能從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。

圖3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 飛輪充放電控制策略

飛輪充放電采用雙閉環(huán)復(fù)合控制策略[12]，控制系統(tǒng)可以根據(jù)功率以及轉(zhuǎn)速指令自行選擇外環(huán)控制方式。在充電模式下，當(dāng)飛輪電機(jī)起動(dòng)后，進(jìn)入功率環(huán)進(jìn)行充電，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近指令轉(zhuǎn)速時(shí)，切換至轉(zhuǎn)速環(huán)，并進(jìn)入穩(wěn)速模式；在放電模式下，飛輪系統(tǒng)工作在功率環(huán)進(jìn)行放電。

該控制策略可實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)以指定功率進(jìn)行充放電，并且通過(guò)調(diào)整功率指令，可以調(diào)節(jié)飛輪電機(jī)升降速的快慢，提高飛輪充放電效率及深度。飛輪充放電復(fù)合控制方法示意圖如圖4所示。

圖4 飛輪充放電復(fù)合控制方法

2.2 飛輪充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 儲(chǔ)能飛輪充放電控制系統(tǒng)框圖

飛輪在充電時(shí)，采用“速度+功率外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)”的控制方式。電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置信息可通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器及解碼電路進(jìn)行采集。

3 電流前饋控制器設(shè)計(jì)

PI控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但其單獨(dú)作用有以下缺點(diǎn)：在進(jìn)行控制調(diào)整之前，系統(tǒng)必須等待一個(gè)誤差信號(hào)，PI增益越大，控制系統(tǒng)對(duì)誤差的響應(yīng)越快。然而，過(guò)大的增益會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲增多造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。本文在PI控制的基礎(chǔ)上加入電流前饋，減小對(duì)PI控制器的依賴性。

3.1 前饋數(shù)學(xué)模型的建立

飛輪系統(tǒng)中，逆變器功率可由逆變器電流iinv和直流母線電壓Vdc的乘積表示，本文忽略逆變器損耗，則逆變器功率Pinv與飛輪電機(jī)功率Pelec相等：

Pelec=Pinv=iinvVdc

(3)

飛輪電機(jī)機(jī)械功率Pmech等于電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te與機(jī)械轉(zhuǎn)速ωr的乘積：

Pmech=Teωr

(4)

儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子在工作中處于真空狀態(tài)，且由磁懸浮軸承系統(tǒng)保證轉(zhuǎn)子懸浮，消除了機(jī)械損耗、摩擦等影響，飛輪電機(jī)功率近似等于電機(jī)機(jī)械功率，故逆變器電流可以由電機(jī)轉(zhuǎn)矩、機(jī)械轉(zhuǎn)速和直流母線電壓表示：

(5)

(6)

3.2 基于電流前饋的外環(huán)控制器

圖6 加入前饋控制后的功率外環(huán)

在充電模式下，飛輪起動(dòng)后以功率模式充電。充電控制算法調(diào)節(jié)飛輪電機(jī)的加速度，使母線電流保持在指令設(shè)定值。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，切換至轉(zhuǎn)速環(huán)，為防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)速環(huán)加入積分清零判斷，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速的差值小于設(shè)定誤差時(shí)，將轉(zhuǎn)速環(huán)積分清零，使控制器及時(shí)切換至轉(zhuǎn)速環(huán)。

圖7 轉(zhuǎn)速環(huán)加入積分清零

飛輪進(jìn)入放電模式時(shí)，將功率指令設(shè)定為負(fù)值，則功率環(huán)輸出電流為負(fù)，控制器接入功率外環(huán)，飛輪以指令功率進(jìn)行放電。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

控制系統(tǒng)示意圖如圖8所示，控制器采用TMS320F28335，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器采集，電流、電壓、IGBT溫度等信息經(jīng)過(guò)傳感器和采樣電路后送入DSP芯片。通過(guò)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

圖8 飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本實(shí)驗(yàn)采用“儲(chǔ)能變流器+充放電變流器+飛輪”的組合方式，實(shí)驗(yàn)圖如圖9～圖11所示。儲(chǔ)能變流器接入電網(wǎng)，將母線電壓Vdc穩(wěn)定在600 V。飛輪系統(tǒng)由儲(chǔ)能飛輪本體、磁軸承控制板、真空泵等組成。控制調(diào)制界面如圖12所示。

圖9 儲(chǔ)能變流器圖10 充放電變流器

圖11 飛輪系統(tǒng)

圖12 控制調(diào)試界面

飛輪電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 飛輪電機(jī)參數(shù)

4.2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

圖13為直流母線電壓波形圖，電壓值穩(wěn)定在600 V左右。

圖13 母線電壓波形

圖14、圖15為飛輪從放電模式切換至充電模式時(shí)的功率及電流波形。圖中箭頭所指時(shí)刻，功率指令由-100 kW變?yōu)?00 kW，即飛輪由充電轉(zhuǎn)為放電。從波形圖可以看出，充放電狀態(tài)切換時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)，能快速跟蹤功率指令；穩(wěn)態(tài)時(shí)，充放電功率較平穩(wěn)，功率波動(dòng)在1%以下，可實(shí)現(xiàn)充放電模式的平滑切換。電流能快速跟蹤指令變化，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)較小，確保飛輪電機(jī)能穩(wěn)定進(jìn)行升/降速。

圖14 充放電模式切換功率波形

圖15 充放電模式切換電流波形

圖16、圖17為飛輪在放電模式時(shí)進(jìn)行放電功率切換時(shí)的功率及電流波形。圖中箭頭所指時(shí)刻，將功率指令由100 kW切換為80 kW?？梢钥闯觯w輪在放電時(shí)可以實(shí)現(xiàn)功率的毫秒級(jí)切換，切換過(guò)程無(wú)超調(diào)產(chǎn)生，輸出功率平穩(wěn)。

圖16 改變放電功率指令時(shí)的功率波形

圖17 改變放電功率指令時(shí)的電流波形

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)充放電模式的平滑切換；放電時(shí)可以快速進(jìn)行功率切換，系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，在不同狀態(tài)下的切換時(shí)間皆達(dá)到毫秒級(jí)，且在功率切換過(guò)程中未產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)儲(chǔ)能飛輪充放電功率控制展開(kāi)研究，采用“儲(chǔ)能變流器+充放電變流器+儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)”的雙PWM變流器結(jié)構(gòu)，基于永磁同步電機(jī)矢量控制提出“功率/轉(zhuǎn)速外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)”的雙閉環(huán)復(fù)合控制策略，并針對(duì)輸出頻率波動(dòng)、響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，在功率環(huán)中加入電流前饋控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能及時(shí)跟蹤充放電功率指令，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)，且穩(wěn)態(tài)時(shí)功率輸出波動(dòng)在1%以下。該方法為儲(chǔ)能飛輪功率控制的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。