一种接入直流微电网的飞轮储能系统的放电深度控制方法
【专利摘要】本发明属于智能电网【技术领域】，涉及一种接入直流微电网的飞轮储能系统的放电深度控制方法，包括以下步骤：（1）确定接入直流微电网的飞轮储能系统的动力学模型，建立飞轮储能系统平均化的状态方程组；（2）根据电网的本地量测量，结合飞轮储能系统的本地参数，形成飞轮储能系统临界稳定判别方程；（3）实时检测飞轮储能系统接入点端口电压电流，计算系统动态输入阻抗，形成系统等值参数；（4）在检测到系统电压跌落时，根据即时的系统等值参数形成确定的飞轮储能系统临界稳定判别方程，对飞轮储能系统放电深度进行控制。其优越性在于：（1）实现了飞轮储能系统的放电深度的稳定性控制，从根本上避免了接入系统的电压振荡。（2）一定程度上克服了飞轮储能系统放电深度无章可依的现状。
【专利说明】—种接入直流微电网的飞轮储能系统的放电深度控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于智能电网【技术领域】，涉及一种接入直流微电网的飞轮储能系统的放电深度控制方法。
【背景技术】
[0002]储能技术主要包括三大类，分别是物理储能(包括:抽水蓄能，飞轮储能，压缩空气储能等)、化学储能(包括:铅酸电池，镍系电池、锂系电池等)和电磁储能(包括:超级电容器、超导储能等)等[I]。其中，飞轮储能具有储能密度大、无污染、充放电速度快、循环次数无限制、运行维护方便的优点。在我国智能电网迅速发展的背景下，飞轮储能作为主要的储能支撑技术之一，受到了越来越多的关注。飞轮储能作为重要的新型机械式储能方式，它将能量或者是动能存储在高速旋转的飞轮转子中，实现电能到机械能再到电能的转换。独立飞轮储能系统一般由飞轮转子，支撑转子的轴承，高速发电/电动互逆式电机以及电力电子系统组成。飞轮储能系统接入直流微电网，主要功能是当直流微电网发生电压跌落故障或存在功率缺额时，转入释能运行状态，支撑其接入点的电压。在释能过程中其转速会随着飞轮储能系统储存能量的减少而不断下降。
[0003]现有的研究普遍认为，飞轮储能系统作为一种机械式储能系统，不存在放电深度限制的问题，但飞轮储能系统是强的机电耦合系统，其运行过程中，电气量(电压、电流)等的变化和机械量(飞轮转速)变化的速度存在明显的量级上的差异，使得飞轮储能系统成为一种由包含快状态变量(电压、电流等)的快子系统和包含慢状态变量(飞轮转速)的慢子系统组成的典型的两时间尺度系统。在两时间尺度系统中，快子系统和慢子系统之间存在复杂的非线性耦合关系，慢子系统的缓慢变化会导致快子系统平衡点稳定性发生变化，当慢子系统缓慢变化导致快子系统发生Hopf分岔时，全系统的动力学行为会出现复杂的不稳定振荡，亦即产生簇发动力学现象[2]。在飞轮储能系统释能过程中，系统的稳定运行状态会由于转速下降到簇发不稳定域而引起复杂的机械电气振荡，导致飞轮储能系统及其接入直流微电网的失稳，不仅大大降低能量传递的效率，更严重影响了直流微电网的安全。因此，如何求得并控制飞轮转速下降的最低值，亦即限制飞轮储能系统放电深度，成为飞轮储能系统运行和控制的重点和难点。
[0004]参考文献
[0005][I],王德明等，电能存储技术研究现状与发展趋势.化工自动化及仪表，2012(7):第 837-840 页.[0006][2],陈章耀与毕勤胜，非线性电路的簇发现象及分岔机制.控制理论与应用，2011(10):第 1413-1420 页.[0007][3],张志朝等，Hopf分岔的劳斯判据及其在电力系统中的应用.继电器，2005 (01): M 34-37+41 页.
【发明内容】
[0008]本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种接入直流微电网的飞轮储能系统的放电深度控制方法，为飞轮储能系统自身和其接入系统的安全和稳定运行提供可靠保障。
[0009]一种接入直流微电网的飞轮储能系统的放电深度控制方法，所述的飞轮储能系统作为直流微电网中的紧急电压补偿装置，接入在直流母线上，其电机采用无刷直流电机，通过三相全桥变换电路以及双向DC-DC变换电路接入系统，控制方式采用双环电压电流控制，该方法包括下列步骤:
[0010]I)先确定接入直流微电网的飞轮储能系统的动力学模型，建立飞轮储能系统平均化的状态方程组，该状态方程组中包含快状态变量和慢状态变量，其中，快状态变量包括电感电流变量，负载电压变量，机端电压变量，飞轮电机电流变量，控制系统外环误差变量和控制系统内环误差变量，组成快子系统，慢状态变量为飞轮转速变量；该飞轮储能系统包括本地参数和系统等值参数，所述的本地参数包括飞轮电机参数，飞轮电机接入电力系统的电力电子电路参数和飞轮储能系统控制参数，所述的系统等值参数包括直流微电网系统在飞轮储能系统接入端口的输入阻抗；
[0011]2)将慢状态变量作为快子系统的参数，求得快子系统的平衡点，形成快子系统的Routh行列式的第一列，根据Routh-Hopf判据，形成包含本地参数变量，系统等值参数变量，以及飞轮转速变量三种变量的飞轮储能系统临界稳定的判别方程；
[0012]3)根据实际接入的飞轮储能系统设定本地参数，将包含三种变量的飞轮储能系统临界稳定的判别方程化简成包含系统等值参数变量，飞轮转速变量两种变量的飞轮储能系统临界稳定的判别方程；
[0013]4)实时采样飞轮储能系统接入点端口电压Lad，端口电流i_d，运用戴维南等值原理，得到直流微电网系统在飞轮储能系统接入端口的输入阻抗；
[0014]5)根据本地测量的Lad实时采样信号，当检测到连续10次的Vkjad小于预设的电压阈值，则判断飞轮储能系统的接入点发生电压跌落故障；
[0015]6)当飞轮储能系统的接入点端口电压的变化量5V < Δ vLoad < 10V，则判定故障为轻度故障，放电深度Ymin设置为50%，并形成放电深度控制信号，继续到步骤8);当Avkjad >10V，则判定故障为严重故障，继续步骤7)；
[0016]7)启动飞轮储能系统放电深度控制:
[0017]a)根据故障时刻的系统等值参数，形成只含有飞轮转速变量一种变量的飞轮储能系统临界稳定的判别方程；
[0018]b)求解上述判别方程，求得确保系统不发生非线性振荡的放电深度Ymin ;
[0019]c)将求得的放电深度Yniin形成放电深度控制信号。
[0020]8)将形成的放电深度控制信号输出给控制器，确保飞轮储能系统在不引起接入系统振荡的前提下，实现最佳的电压补偿效果。
[0021]作为优选实施方式，步骤I)中，建立飞轮储能系统平均化的状态方程组的具体步骤如下:
[0022]建立飞轮储能系统平均化的状态方程组:
[0023]丨
【权利要求】
1.一种接入直流微电网的飞轮储能系统的放电深度控制方法，所述的飞轮储能系统作为直流微电网中的紧急电压补偿装置，接入在直流母线上，其电机采用无刷直流电机，通过三相全桥变换电路以及双向DC-DC变换电路接入系统，控制方式采用双环电压电流控制，该方法包括下列步骤: 1)先确定接入直流微电网的飞轮储能系统的动力学模型，建立飞轮储能系统平均化的状态方程组，该状态方程组中包含快状态变量和慢状态变量，其中，快状态变量包括电感电流变量，负载电压变量，机端电压变量，飞轮电机电流变量，控制系统外环误差变量和控制系统内环误差变量，组成快子系统，慢状态变量为飞轮转速变量；该飞轮储能系统包括本地参数和系统等值参数，所述的本地参数包括飞轮电机参数，飞轮电机接入电力系统的电力电子电路参数和飞轮储能系统控制参数，所述的系统等值参数包括直流微电网系统在飞轮储能系统接入端口的输入阻抗； 2)将慢状态变量作为快子系统的参数，求得快子系统的平衡点，形成快子系统的Routh行列式的第一列，根据Routh-Hopf判据，形成包含本地参数变量，系统等值参数变量，以及飞轮转速变量三种变量的飞轮储能系统临界稳定的判别方程； 3)根据实际接入的飞轮储能系统设定本地参数，将包含三种变量的飞轮储能系统临界稳定的判别方程化简成包含系统等值参数变量，飞轮转速变量两种变量的飞轮储能系统临界稳定的判别方程； 4)实时采样飞轮储能系统接入点端口电压VLMd，端口电流iLMd，运用戴维南等值原理，得到直流微电网系统在飞轮储能系统接入端口的输入阻抗； 5)根据本地测量的^jad实时采样信号，当检测到连续10次的V^d小于预设的电压阈值，则判断飞轮储能系统的接入点发生电压跌落故障； 6)当飞轮储能系统的接入点端口电压的变化量5V<Λ v-d < 10V，则判定故障为轻度故障，放电深度Ymin设置为50%，并形成放电深度控制信号，继续到步骤8);当Λ vLoad > 10V,则判定故障为严重故障，继续步骤7)； 7)启动飞轮储能系统放电深度控制: a)根据故障时刻的系统等值参数，形成只含有飞轮转速变量一种变量的飞轮储能系统临界稳定的判别方程； b)求解上述判别方程，求得确保系统不发生非线性振荡的放电深度Ymin； c)将求得的放电深度Ymin形成放电深度控制信号。 8)将形成的放电深度控制信号输出给控制器，确保飞轮储能系统在不引起接入系统振荡的前提下，实现最佳的电压补偿效果。
2.根据权利要求1所述的放电深度控制方法，其特征在于，步骤I)中，建立飞轮储能系统平均化的状态方程组的具体步骤如下:
3.根据权利要求2所述的放电深度控制方法，其特征在于，步骤2)，将Y作为快子系统α的参数，求得快子系统α的平衡点，形成快子系统α的Routh行列式的第一列:
4.根据权利要求2所述的放电深度控制方法，其特征在于，步骤3)根据实际接入的飞轮储能系统设定Ω\，带入式(2)形成飞轮储能系统临界稳定的判别方程:
5.根据权利要求2所述的放电深度控制方法，其特征在于，步骤5)中，预设的电压阈值为 105V。
6.根据权利要求2所述的放电深度控制方法，其特征在于，步骤7)中根据故障瞬时的Ω\，形成只含有Y的飞轮储能系统临界稳定的判别方程:
【文档编号】H02J1/16GK103515952SQ201310466163
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】李永丽, 张玮亚, 常晓勇, 王楠 申请人:天津大学