飞轮储能系统的控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可再生能源技术领域，特别是涉及到风力发电机组控制系统领域。
【背景技术】
[0002] 风力发电在一定程度上缓解我国的能源需求压力，改善我国的能源结构，促进经 济、社会的可持续发展。然而风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性决定了风电机 组具有很强的间歇性、波动性和反调峰特性，给电力系统的运行和规划带来了很大的影响。 其中最明显的是，由于风速具有不可预期和随机波动性等特性，使得风电机组在额定风速 以下的输出有功功率随风速变化而波动。风电机组输出有功功率的波动可能会对电网电能 质量产生较大的影响，降低电网的稳定性。因此，要求风电机组在实现最大风能捕获的同时 输出较为平滑的有功功率。
[0003] 输出有功功率的平滑控制是风电机组的关键技术。本发明针对风电机组有功功率 平滑控制所存在的问题，利用飞轮储能系统寿命长、储能密度大、能量转换率高、不受充放 电次数限制、安装维护方便以及对环境危害小等优点，在最大风能捕获控制的基础上，提出 基于风力发电系统的飞轮储能系统控制方案，通过对飞轮储能系统的控制，实现风电机组 输出有功功率的平滑控制，从而在提高风能利用效率的同时平抑有功功率波动。
[0004] 飞轮储能系统结构复杂，具有很多不确定的参数，是一个非线性系统，需要针对其 特点进行特殊控制。但是，目前的现有技术实现复杂，难以解决风速的随机性引起的飞轮储 能控制系统带有随机性的问题。考虑到该系统的不稳定性和随机性，本发明设计了概率密 度函数控制器。概率密度函数形状控制(PDF)方法是由王宏教授提出，主要针对具有随机信 号的工业过程，例如造纸过程中的纤维长度分布、粮食加工中的粮食颗粒分布及锅炉火焰 温度分布等。该类方法直接设计控制器以使系统输出roF分布形状跟踪给定roF分布形状。
【发明内容】
[0005] 鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中控制系统实现复杂，难以解决风速的 随机性引起的飞轮储能控制系统带有随机性的问题，提供了一种飞轮储能系统的控制方法 及装置。
[0006] 为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
[0007] -种飞轮储能系统的控制方法，所述方法包括步骤：
[0008] A、以飞轮的角速度、d轴和q轴的电流为状态变量、可变电阻为输入控制量，飞轮储 能量为输出量构建飞轮储能系统的模型、飞轮储能量为输出量构建飞轮储能系统的模型， 根据采样时间将模型离散化；
[0009] B、以二阶雷尼熵构建性能指标，根据性能指标对输入控制量增量的偏导为零确定 最优输入控制量增量；
[0010] C、利用最优输入控制量增量确定当前最优输入控制量。
[0011]其中确定所述性能指标为：
[0012] 系统k时刻的跟踪误差为ek = Pref-yk，匕⑴为k时刻误差样本的概率密度函数， Prrf为参考功率值，yk为输出量；
[0013] 二阶雷尼熵为：
.-〇〇：
[0014] 误差均方值Ek为
[0015] 性能指标为：
[0016] J (uk) = -RiVk+R2Ek+0.5R3uk2 ；
[0017] 其中为各项的权重，Uk为输入控制量，Vk为信息势。
[0018] 确定改的概率密度函数为如下，
[0019] 假定k时刻跟踪误差样本为Sk={ei，e2,......e N}，那么k时刻概率密度函数为：
[0020]
[0021] 其中N是样本误差数，Φ是高斯核函数，δ是高斯核函数的参数，其表达式为：
[0022] 相邻时刻的概率密度函数之间的关系为：
[0023]
[0024]其中确定信息势Vk为：
[0025] ---
个
[0026] 其中L是窗宽，ξ为遗忘因子，是小于1的系数。
[0027]特别地，根据性能指标对输入控制量增量的偏导为零确定最优输入控制量增量包 括：
[0028]性能指标为：
[0029] J (Uk) * Qo+Qi A uk+0 · 5Q2 A uk2+0 · 5R3 (Uk-1+ A uk)2;
[0033] Qk = -RiVk+R2Ek,[0034] 其中Vk为信息势，其中Ri，R2为各项的权重。
[0030]
[0031]
[0032]
[0035] 令〇确定最优输入控制量增量Δ Uk。 oAu,
[0036] -种飞轮储能系统的控制装置，所述装置包括顺序连接的系统模型构建单元、控 制量增量优化单元和输入控制量优化单元，其中，包括步骤：
[0037]系统模型构建单元用于以飞轮的角速度、d轴和q轴的电流为状态变量、可变电阻 为输入控制量，飞轮储能量为输出量构建飞轮储能系统的模型，根据采样时间将模型离散 化；
[0038]控制量增量优化单元以二阶雷尼熵构建性能指标，根据性能指标对输入控制量增 量的偏导为零确定最优输入控制量增量；
[0039]输入控制量优化单元利用最优输入控制量增量确定当前最优输入控制量。
[0040] 通过采用本发明的储能发电系统的控制方法及装置，能够实现以下有益效果。
[0041] 1、本发明基于简化的飞轮储能模型，设计飞轮储能系统的控制器，利用飞轮储存 多余能量或者填补不足的能量以保证风力发电机组向电网输送平滑功率。
[0042] 2、考虑到风速的随机性引起的飞轮储能控制系统带有随机性，因此设计概率密度 函数控制器来解决系统的随机性问题。
[0043] 因此本发明丰富了飞轮储能控制器的设计方法，提升了风力发电机组的控制性 能，且进一步说明了概率密度函数控制器可以较好的解决随机系统的控制问题。
【附图说明】
[0044]图1是风力发电控制系统结构示意图。
[0045]图2是根据本发明【具体实施方式】的飞轮储能系统的控制方法示意图。
[0046]图3是等效的飞轮驱动电机系统。
[0047] 图4是说明风速随机变化的示意图。
[0048] 图5是说明熵的信息势以及误差均方值的变化图。
[0049]图6是根据本发明【具体实施方式】的性能指标变化图。
[0050]图7是q轴电流和跟踪误差变化图。
[0051 ]图8是跟踪误差的概率密度函数变化图。
[0052]图9是dq轴电流变化图。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图，对本发明作详细说明。
[0054] 以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于 描述示范实施例的目的。
[0055] 然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范 围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元 件。
[0056]同时应该理解，如在此所用的术语"和/或"包括一个或多个相关的列出项的任意 和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为"连接"或"耦接"到另一部件或单元时，它 可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述 部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，"之间"对"直接之间"、 "相邻"对"直接相邻"等）。
[0057]如图1所示，风力发电控制系统非常复杂，包括发电机、整流器、逆变器等，本发明
【具体实施方式】中主要针对飞轮储能系统的控制器进行调整。
[0058] 在介绍本发明的【具体实施方式】前，首先结合本发明的基本原理进行说明。
[0059] 总的说来，本发明的控制方法包括以下流程。
[0060] 发明采用永磁同步电机作为飞轮驱动电机，根据电机的知识，且考虑到电力电子 功率器件的动态过程比发电系统的机电动态过程要快很多，交直变换器及负荷部分等效成 电感L s和可变电阻Rs的两部分的并联，作为永磁同步电机的等效负载。如图3所示，等效可变 电阻R s的阻值随着交直交变化器的控制脉冲占空比的变化而变化，因此构建的飞轮储能模 型形式如下：
[0061] 令系统的状态变量为
输入控制量u = Rs，输出量为飞轮储存的能量即y =P，则系统模型可写为以下形式：
[0062] 1^/ - ν?'?.·''-
[0063] 设采样时间为Ts，将系统离散化我们可以得到：
[0064]
[0065] 在建立系统模型的基础上，利用概率密度函数控制器，控制风电机组的功率平滑 输出。
[0066]本发明根据跟踪误差设计概率密度函数控制器，由于该系统存在随机性，考虑到 熵能够表征任意随机变量的不确定性，该控制系统跟踪误差熵