基于广义动量的飞轮阵列储能系统协调控制方法研究

Confined by material and building cost, the capacity of a single flywheel energy storage system (FESS) is very limited. It is required that many single FESS connected in parallel to make up for a flywheel array energy storage system (FAESS) can it be used in the high energy and high power demanded area. Thus there should be a coordinated energy control method of FAESS to make it operate stably and efficiently. This research focus on a FAESS with the AC bus parallel connected topology. Through employing generous momentum theory, global optimization method, fuzzy control theory, simulation and experiments, this research mainly solved two key problems, one is the math model of FAESS, the other is the coordinated control method of FAESS. In order to achieve the targets, the research set up a model that precisely describes the electrical and dynamical properties of FAESS, and it also brings forward an energy dispatching rules within the FAESS to realize the coordinated control, ensuring the FAESS operates in an efficient, economic and stable condition. Results of this research will provide some theory foundations for the promotion of FAESS around China, and will be benefit in realizing the large scale application of FAESS technology in China.

受到材料和成本的制约，飞轮储能系统的单体容量非常有限，需多单元并联构成飞轮阵列才能用于大容量高功率的应用领域，而飞轮阵列的能量控制方法则是保证系统高效稳定运行的关键。本项目以交流母线并联结构的飞轮阵列储能系统作为研究对象，结合广义动量、全局优化方法以及模糊控制理论，利用仿真和实验研究的手段，重点解决飞轮阵列储能系统的数学模型以及飞轮阵列储能系统的能量协调控制方法这两个关键科学问题。项目通过建立一个准确描述飞轮阵列系统电气和动力学特性的综合数学模型，提出一套飞轮阵列内部的能量调度规则，最终实现协调控制，并达到飞轮阵列储能系统高效、经济、稳定运行的目标。项目获得的研究成果可为飞轮阵列储能技术在我国的推广奠定理论基础，对于推动大容量飞轮储能技术在国内的规模化应用具有重要意义。

由于飞轮受其转子材料的强度以及电机和轴承的成本制约，飞轮储能系统的单体容量非常有限，需要多个单体并联构成规模化的飞轮阵列储能系统才能应用于大容量高功率的领域，将特定功率等级的模块化单体组成飞轮阵列，可提高系统整体效率及经济性，是飞轮储能技术的发展趋势。为实现以上目的，需解决两个科学问题：一是能准确表达飞轮阵列储能系统的电气及动力学特性的数学模型，二是飞轮阵列储能系统的能量协调控制方法。本项目基于广义动量的理论框架体系，对飞轮阵列储能系统的能量协调控制方法进行研究。首先将飞轮储能系统分为电机、转子、变流器和滤波器四个部分，分别建立各部分在同步旋转坐标系下的数学模型和dq等效电路模型。通过模型集成，建立了飞轮阵列储能系统在同步旋转坐标系下的dq等效电路模型。然后，为实现飞轮储能系统的并网运行，提出一种用于飞轮储能系统的多模式直接功率控制方法。该方法含有充电、预并网和并网运行三个阶段：在充电和预并网阶段，网侧变流器不控整流，机侧变流器分别采用控制转速与控制电压的方式；在并网运行阶段，网侧变流器采用直接功率控制策略，控制飞轮储能系统的并网有功功率的大小及流向；机侧变流器控制控制直流母线电压恒定。完成了飞轮储能系统充电、预并网和并网运行仿真和实验，验证所提并网控制方法的可行性。最后，通过建立飞轮阵列系统的能量函数，在广义向量空间中构建一种基于等微增率准则的飞轮阵列能量协调控制算法，解决了多个飞轮储能单体并联运行时能量的合理分配问题，该算法建立了以并联运行总功率损耗最小为优化目标的飞轮阵列储能系统能量协调控制数学模型，设定飞轮储能单元过充及过放等多个等式及不等式约束条件，以等微增率准则求解目标函数，给出能量优化分配方案，通过算例和仿真的对比分析结果验证了基于等微增率准则的飞轮阵列储能系统能量协调控制方法的有效性。