基於廣義動量的飛輪陣列儲能系統協調控制方法研究

《基於廣義動量的飛輪陣列儲能系統協調控制方法研究》是依託中國科學院電工研究所，由周龍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於廣義動量的飛輪陣列儲能系統協調控制方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：周龍
• 依託單位：中國科學院電工研究所

項目摘要

受到材料和成本的制約，飛輪儲能系統的單體容量非常有限，需多單元並聯構成飛輪陣列才能用於大容量高功率的套用領域，而飛輪陣列的能量控制方法則是保證系統高效穩定運行的關鍵。本項目以交流母線並聯結構的飛輪陣列儲能系統作為研究對象，結合廣義動量、全局最佳化方法以及模糊控制理論，利用仿真和實驗研究的手段，重點解決飛輪陣列儲能系統的數學模型以及飛輪陣列儲能系統的能量協調控制方法這兩個關鍵科學問題。項目通過建立一個準確描述飛輪陣列系統電氣和動力學特性的綜合數學模型，提出一套飛輪陣列內部的能量調度規則，最終實現協調控制，並達到飛輪陣列儲能系統高效、經濟、穩定運行的目標。項目獲得的研究成果可為飛輪陣列儲能技術在我國的推廣奠定理論基礎，對於推動大容量飛輪儲能技術在國內的規模化套用具有重要意義。

結題摘要

由於飛輪受其轉子材料的強度以及電機和軸承的成本制約，飛輪儲能系統的單體容量非常有限，需要多個單體並聯構成規模化的飛輪陣列儲能系統才能套用於大容量高功率的領域，將特定功率等級的模組化單體組成飛輪陣列，可提高系統整體效率及經濟性，是飛輪儲能技術的發展趨勢。為實現以上目的，需解決兩個科學問題：一是能準確表達飛輪陣列儲能系統的電氣及動力學特性的數學模型，二是飛輪陣列儲能系統的能量協調控制方法。本項目基於廣義動量的理論框架體系，對飛輪陣列儲能系統的能量協調控制方法進行研究。首先將飛輪儲能系統分為電機、轉子、變流器和濾波器四個部分，分別建立各部分在同步旋轉坐標系下的數學模型和dq等效電路模型。通過模型集成，建立了飛輪陣列儲能系統在同步旋轉坐標系下的dq等效電路模型。然後，為實現飛輪儲能系統的併網運行，提出一種用於飛輪儲能系統的多模式直接功率控制方法。該方法含有充電、預併網和併網運行三個階段：在充電和預併網階段，網側變流器不控整流，機側變流器分別採用控制轉速與控制電壓的方式；在併網運行階段，網側變流器採用直接功率控制策略，控制飛輪儲能系統的併網有功功率的大小及流向；機側變流器控制控制直流母線電壓恆定。完成了飛輪儲能系統充電、預併網和併網運行仿真和實驗，驗證所提併網控制方法的可行性。最後，通過建立飛輪陣列系統的能量函式，在廣義向量空間中構建一種基於等微增率準則的飛輪陣列能量協調控制算法，解決了多個飛輪儲能單體並聯運行時能量的合理分配問題，該算法建立了以並聯運行總功率損耗最小為最佳化目標的飛輪陣列儲能系統能量協調控制數學模型，設定飛輪儲能單元過充及過放等多個等式及不等式約束條件，以等微增率準則求解目標函式，給出能量最佳化分配方案，通過算例和仿真的對比分析結果驗證了基於等微增率準則的飛輪陣列儲能系統能量協調控制方法的有效性。