CN114744655B - 一种飞轮储能***的控制方法及拓扑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种飞轮储能***的控制方法及拓扑装置。该飞轮储能***的控制方法应用于飞轮储能***的拓扑装置，该飞轮储能***的拓扑装置包括能量变换模块；该方法包括：获取电网的参数调节信号；根据参数调节信号生成第一控制指令，第一控制指令用于控制能量变换模块向电网输出有功功率或无功功率；或者，控制能量变换模块从电网吸收有功功率或无功功率。本发明实施例提供的技术方案解决新能源场站不具备响应***频率变化的惯量调节和调频能力，电力***自我调节与抗扰能力将逐渐下降，影响电力***安全稳定运行的问题。

Description

一种飞轮储能***的控制方法及拓扑装置
技术领域
本发明涉及飞轮储能技术领域，尤其涉及一种飞轮储能***的控制方法及拓扑装置。
背景技术
随着新能源发电占比大幅提高，不同于传统同步发电机组，风电机组、太阳能光伏发电通过电力电子及其控制技术接入电网，与电网频率解耦，不具备传统同步发电机组的转动惯量；此外，为了最大化利用风能、太阳能，采用最大功率跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)模式进行发电控制，因此，也不具备传统发电机组的调频功能。
当高渗透率的新能源接入电力***时，一方面，由于电力***中同步机占比下降，由同步机提供的频率调节能力、以及***惯性均会降低，在电网受到扰动时频率波动会更加严重；另一方面，风电、光伏发电等新能源本身出力就具有较大的波动性、随机性，将对电力***频率造成更加频繁的扰动。
新能源场站不具备响应***频率变化的惯量调节和调频能力，导致电力***自我调节与抗扰能力将逐渐下降，存在影响电力***安全稳定运行的问题。
发明内容
本发明提供了一种飞轮储能***的控制方法及拓扑装置，以解决新能源场站不具备响应***频率变化的惯量调节和调频能力，导致电力***自我调节与抗扰能力将逐渐下降，影响电力***安全稳定运行的问题。
根据本发明的一方面，提供了一种飞轮储能***的控制方法，飞轮储能***的控制方法应用于飞轮储能***的拓扑装置，所述飞轮储能***的拓扑装置包括能量变换模块；该方法包括：
获取电网的参数调节信号；
根据参数调节信号生成第一控制指令，第一控制指令用于控制能量变换模块向电网输出有功功率或无功功率；或者，控制能量变换模块从电网吸收有功功率或无功功率。
可选的，飞轮储能***的拓扑装置还包括：电机飞轮控制器；能量变换模块包括能量转换***和飞轮储能逆变器；第一控制指令包括第一子控制指令；
在根据参数调节信号生成第一控制指令之后，还包括：
电机飞轮控制器根据第一子控制指令，调节飞轮的转速；飞轮储能逆变器通过能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率。
可选的，第一子控制指令包括一次调频指令；
电机飞轮控制器根据第一子控制指令，调节飞轮的转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率，包括：
在电网频率高于第一预设阈值时，电机飞轮控制器根据一次调频指令，控制飞轮提升转速，飞轮储能逆变器从电网吸收有功功率；
在电网频率低于第二预设阈值时，电机飞轮控制器根据一次调频指令，控制飞轮降低转速，飞轮储能逆变器向电网输出有功功率。
可选的，第一子控制指令包括主动惯量支撑指令；
电机飞轮控制器根据第一子控制指令，调节飞轮的转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率，包括：
在电网频率在预设时间下降幅度大于预设阈值频率时，电机飞轮控制器根据主动惯量支撑指令，控制飞轮降低转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***向电网输出有功功率。
可选的，第一子控制指令包括平滑新能源有功功率波动指令；
电机飞轮控制器根据第一子控制指令，调节飞轮的转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率，包括：
电机飞轮控制器根据平滑新能源有功功率波动指令，控制飞轮提升转速，飞轮储能逆变器从电网吸收有功功率；或者，电机飞轮控制器根据平滑新能源有功功率波动指令，控制飞轮降低转速，飞轮储能逆变器向电网输出有功功率。
可选的，飞轮储能***的拓扑装置还包括：并网控制器；第一控制指令还包括第二子控制指令；
在根据参数调节信号生成第一控制指令之后，还包括：
并网控制器根据第二子控制指令，控制能量转换***向电网输出无功功率，或者，从电网吸收无功功率。
可选的，在根据参数调节信号生成第一控制指令之后，还包括：
接收上级调度指令，根据上级调度指令生成二次调频指令；
电机飞轮控制器根据二次调频指令，控制能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率。
可选的，电网的参数调节信号包括：直流母线电压参考值与直流母线电压实际测量值、注入电网的无功功率参考值与注入电网的无功功率实际测量值、电网电流d轴实际测量值和电网电流q轴实际测量值；
并网控制器根据第二子控制指令，控制能量转换***向电网输出无功功率，或者，从电网吸收无功功率，包括：
并网控制器根据直流母线电压参考值与直流母线电压实际测量值，计算d轴电网电流参考值
Figure BDA0003578755850000031
并网控制器根据注入电网的无功功率参考值与注入电网的无功功率实际测量值，计算q轴电网电流参考值
Figure BDA0003578755850000032
并网控制器根据d轴电网电流参考值
Figure BDA0003578755850000033
和q轴电网电流参考值
Figure BDA0003578755850000034
以及电网电流d轴实际测量值和电网电流q轴实际测量值，计算d轴电网电压控制量udg和q轴电网电压控制量uqg；
并网控制器根据d轴电网电压控制量udg和q轴电网电压控制量uqg，经过dq-abc派克反变换后，得到三相电压控制信号uag、ubg和ucg；
并网控制器根据三相电压控制信号uag、ubg和ucg，控制能量转换***的直流母线电压稳定，并控制电网的无功功率。
可选的，电网的参数调节信号包括：电机定子三相电流、电机的电压相位θm和电机转子磁链矢量ψr、电机定子磁链参考值ψsref、电机转速参考值ωmref与电机转速测量值ωm；
电机飞轮控制器根据第一子控制指令，调节飞轮的转速；飞轮储能逆变器通过能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率，包括：
电机飞轮控制器根据电机定子三相电流、电机的电压相位θm和电机转子磁链矢量ψr，计算电机定子磁链测量值ψs；
电机飞轮控制器将电机定子磁链参考值ψsref与电机定子磁链测量值ψs作差，通过磁链滞环比较器和磁链调节，生成磁链控制信号Φ；
电机飞轮控制器根据电机转子磁链矢量ψr和电机定子磁链测量值ψs，计算电机电磁转矩实际值Te；
电机飞轮控制器根据电机转速参考值ωmref与电机转速测量值ωm之差经过PI控制，得到电磁转矩参考值Tref：
电机飞轮控制器将电磁转矩参考值Tref与电磁转矩实际值Te作差作为电磁转矩信号，并根据电磁转矩信号，通过转矩滞环比较器和转矩调节，生成转矩控制信号τ；
电机飞轮控制器根据磁链控制信号Φ、转矩控制信号τ和电机的电压相位θm，通过开关状态选择模块确定开关状态，根据开关状态，调节飞轮储能逆变器输出的电压，以控制电机调整飞轮的转速。
可选的，在根据参数调节信号生成第一控制指令之后，还包括：
飞轮轴承传感器检测飞轮的位置偏差信号；
飞轮轴承控制器根据飞轮的位置偏差信号，通过控制飞轮的轴承线圈电流，控制转子回到基准位置。
另一方面，本发明实施例提供一种飞轮储能***的拓扑装置，包括：参数获取模块、***控制模块以及能量变换模块；
参数获取模块，用于获取电网的参数调节信号；
***控制模块，用于根据参数调节信号生成第一控制指令，第一控制指令用于控制能量变换模块向电网输出有功功率或无功功率；或者，控制能量变换模块从电网吸收有功功率或无功功率。
可选的，飞轮储能***的拓扑装置，还包括：
电机飞轮控制器，用于根据第一子控制指令，调节飞轮的转速；其中，第一控制指令包括第一子控制指令；
能量变换模块包括飞轮储能逆变器和能量转换***，飞轮储能逆变器用于通过能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率。
可选的，飞轮储能***的拓扑装置，还包括：
并网控制器，用于根据第二子控制指令，控制能量转换***向电网输出无功功率，或者，从电网吸收无功功率；其中，第一控制指令还包括第二子控制指令。
可选的，飞轮储能***的拓扑装置，还包括：
飞轮轴承传感器，用于检测飞轮的位置偏差信号；
飞轮轴承控制器，用于根据飞轮的位置偏差信号，通过控制飞轮的轴承线圈电流，控制转子回到基准位置。
本发明实施例提供的技术方案实现了对电网频率的动态调整，有效平抑电网的电压波动，提高了电网容纳新能源发电设备的能力，解决新能源场站不具备响应***频率变化的惯量调节和调频能力，导致电力***自我调节与抗扰能力将逐渐下降，影响电力***安全稳定运行的问题。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种飞轮储能***的拓扑装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的另一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图6是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图7是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图8是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图9是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图10是本发明实施例提供的一种并网控制器的控制原理的示意图；
图11是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图12是本发明实施例提供的一种电机飞轮控制器的转矩控制原理的示意图；
图13是本发明实施例提供的一种飞轮轴承控制器的结构示意图；
图14是本发明实施例提供的一种飞轮储能***的控制方法的流程图；
图15是本发明实施例提供的一种飞轮储能***的拓扑装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1是本发明实施例提供的一种飞轮储能***的拓扑装置的结构示意图。图2是本发明实施例提供的一种飞轮储能***的控制方法的流程图。结合图1和图2，本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法应用于飞轮储能***的拓扑装置，飞轮储能***的拓扑装置包括能量变换模块10。
本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法包括：
S101、获取电网的参数调节信号。
具体的，电网的参数调节信号可以是飞轮储能***的拓扑装置的各部件的参数以及飞轮储能***的拓扑装置的总体的参数。示例性的，电网的参数调节信号可以包括直流母线电压参考值、直流母线电压实际测量值、注入电网的无功功率参考值、注入电网的无功功率实际测量值、电网电流d轴实际测量值和/或电网电流q轴实际测量值等，在此不作任何限定。获取电网的历史参数调节信号或者获取实时的电网的历史参数调节信号，在此不作任何限定。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令，第一控制指令用于控制能量变换模块向电网输出有功功率或无功功率；或者，控制能量变换模块从电网吸收有功功率或无功功率。
具体的，***控制模块100根据参数调节信号生成第一控制指令。其中，第一控制指令用于控制能量变换模块10根据电网的需要，向电网输出有功功率或从电网吸收有功功率。***控制模块100生成的第一控制指令实现调节电网的有功功率平衡，从而实现对电网进行一次调频，能平抑新能源带来的有功功率波动。能量变换模块10根据电网的需要可以向电网输出有功功率，可以实现惯量支撑。***控制模块100生成的第一控制指令用于控制能量变换模块10根据电网的需要，向电网输出无功功率或从电网吸收无功功率，实现对电网进行电压调节，有效平抑电网的电压波动。
本发明实施例提供的技术方案实现了对电网频率的动态调整，有效平抑电网的电压波动，提高了电网容纳新能源发电设备的能力，解决新能源场站不具备响应***频率变化的惯量调节和调频能力，导致电力***自我调节与抗扰能力将逐渐下降，影响电力***安全稳定运行的问题。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，本发明实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置还包括：电机飞轮控制器20；能量变换模块10包括能量转换***PCS和飞轮储能逆变器11。
图3是本发明实施例提供的另一种飞轮储能***的控制方法的流程图。结合图1和图3，本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法，包括：
S101、获取电网的参数调节信号。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S201、第一控制指令包括第一子控制指令；电机飞轮控制器根据第一子控制指令，调节飞轮的转速；飞轮储能逆变器通过能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率。
具体的，第一子控制指令用于控制电机飞轮控制器，电机飞轮控制器生成对应的控制信号，控制飞轮储能逆变器通过能量转换***，根据电网的需要向电网输出有功功率或从电网吸收有功功率。飞轮储能逆变器生成的第一控制指令实现调节电网的有功功率平衡，从而实现对电网进行一次调频，能平抑新能源带来的有功功率波动。根据电网的需要，飞轮储能逆变器通过能量转换***可以向电网输出有功功率，可以实现惯量支撑，进一步改善电网对新能源发电设备的接纳能力，改善电网的调频能力。
可选的，图4是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图。结合图1和图4，本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法，包括：
S101、获取电网的参数调节信号。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S301、第一子控制指令包括一次调频指令；在电网频率高于第一预设阈值时，电机飞轮控制器根据一次调频指令，控制飞轮提升转速，飞轮储能逆变器从电网吸收有功功率。
S302、在电网频率低于第二预设阈值时，电机飞轮控制器根据一次调频指令，控制飞轮降低转速，飞轮储能逆变器向电网输出有功功率。
具体的，当电网频率变化超过一次调频死区时，***控制模块启动一次调频，***控制模块生成一次调频指令，并发送至电机飞轮控制器，电机飞轮控制器执行一次调频功能。具体的调频过程为：电网频率过高时，电机飞轮控制器控制电机的飞轮提升转速，飞轮储能逆变器从电网吸收有功功率，此时电机作为电动机，相当于负荷。电网频率过低时，电机飞轮控制器控制电机飞轮降低转速，飞轮储能逆变器通过电力电子转换器等能量转换***向电网输出有功功率，电机作为发电机。电机飞轮控制器控制电机的飞轮的转速变化，飞轮储能***向电网输出或从电网吸收的有功功率Pe如下；
Figure BDA0003578755850000071
其中，Jf为飞轮惯量，ωm为电机的飞轮转速，Df为飞轮摩擦系数。
可选的，图5是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图。结合图1和图5，本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法，包括：
S101、获取电网的参数调节信号。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S401、第一子控制指令包括主动惯量支撑指令；在电网频率在预设时间下降幅度大于预设阈值频率时，电机飞轮控制器根据主动惯量支撑指令，控制飞轮降低转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***向电网输出有功功率。
具体的，当电网频率骤降时，***控制模块根据参数调节信号生成主动惯量支撑指令，电机飞轮控制器接收到主动惯量支撑指令，执行主动惯量支撑功能。电机飞轮控制器控制电机的飞轮降低转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***PCS向电网迅速输出有功功率，稳定电网频率。
对一个设计参数确定的飞轮储能逆变器，其惯量常数为：
Figure BDA0003578755850000072
其中，H为飞轮储能逆变器的惯量常数，ωmax为飞轮的最高转速，Sn为电机的容量。
可选的，图6是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图。结合图1和图6，本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法，包括：
S101、获取电网的参数调节信号。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S501、第一子控制指令包括平滑新能源有功功率波动指令；电机飞轮控制器根据平滑新能源有功功率波动指令，控制飞轮提升转速，飞轮储能逆变器从电网吸收有功功率；或者，电机飞轮控制器根据平滑新能源有功功率波动指令，控制飞轮降低转速，飞轮储能逆变器向电网输出有功功率。
具体的，***控制模块根据参数调节信号生成平滑新能源有功功率波动指令，电机飞轮控制器接收到平滑新能源有功功率波动指令，电机飞轮控制器执行平滑新能源有功功率波动功能。根据平滑新能源有功功率波动指令，电机飞轮控制器控制电机的飞轮降低转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***PCS向电网快速输出有功功率。或者，电机飞轮控制器控制电机的飞轮提升转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***PCS从电网快速吸收有功功率。实现飞轮储能***与电网进行快速的有功功率交互，从而平滑风电、光伏等新能源有功功率的波动。
可选的，图7是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图。结合图1和图7，本发明实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置还包括：并网控制器30。
本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法，包括：
S101、获取电网的参数调节信号。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S601、第一控制指令还包括第二子控制指令；并网控制器根据第二子控制指令，控制能量转换***向电网输出无功功率，或者，从电网吸收无功功率。
具体的，第二子控制指令可以包括平抑电网电压波动指令。***控制模块根据参数调节信号生成平抑电网电压波动指令，并网控制器接收到平抑电网电压波动指令，并网控制器执行平抑电网电压波动功能。根据平抑电网电压波动指令，并网控制器控制能量转换***PCS向电网快速输出无功功率，或者从电网快速吸收无功功率。实现飞轮储能***与电网进行快速的无功功率交互，调节电网电压，从而平抑电网电压的波动。
可选的，图8是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图。结合图1和图8，本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法，包括：
S101、获取电网的参数调节信号。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S701、接收上级调度指令，根据上级调度指令生成二次调频指令。
具体的，***控制模块接收上级调度终端的上级调度指令，根据上级调度指令生成二次调频指令，以控制飞轮储能***进行调频。
S702、电机飞轮控制器根据二次调频指令，控制能量转换***向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率。
具体的，***控制模块根据上级调度终端发送的上级调度指令，生成二次调频指令，并发送至电机飞轮控制器。电机飞轮控制器执行二次调频功能：电机飞轮控制器控制电机的飞轮降低或提升转速，飞轮储能逆变器通过能量转换***PCS向电网快速输出有功功率或从电网快速吸收有功功率，满足电网二次调频的需要。
可选的，图9是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图。
在上述实施例的基础上，结合图1和图9，本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法，包括：
S801、获取电网的参数调节信号；其中，电网的参数调节信号包括：直流母线电压参考值与直流母线电压实际测量值、注入电网的无功功率参考值与注入电网的无功功率实际测量值、电网电流d轴实际测量值和电网电流q轴实际测量值。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S802、并网控制器根据直流母线电压参考值与直流母线电压实际测量值，计算d轴电网电流参考值i* dg；
S803、并网控制器根据注入电网的无功功率参考值与注入电网的无功功率实际测量值，计算q轴电网电流参考值i* qg；
S804、并网控制器根据d轴电网电流参考值i* dg和q轴电网电流参考值i* qg，以及电网电流d轴实际测量值和电网电流q轴实际测量值，计算d轴电网电压控制量udg和q轴电网电压控制量uqg；
S805、并网控制器根据d轴电网电压控制量udg和q轴电网电压控制量uqg，经过dq-abc派克反变换后，得到三相电压控制信号uag、ubg和ucg；
S806、并网控制器根据三相电压控制信号uag、ubg和ucg，控制能量转换***的直流母线电压稳定，并控制电网的无功功率。
具体的，图10是本发明实施例提供的一种并网控制器的控制原理的示意图。结合图1，图9和图10，本发明实施例提供的并网控制器控制能量转换***PCS的直流母线电压稳定，控制并网的无功功率。示例性的，具体通过如下方法执行：
i)d、q轴电网电流参考值
Figure BDA0003578755850000091
通过如下公式计算：
Figure BDA0003578755850000092
Figure BDA0003578755850000093
其中，
Figure BDA0003578755850000094
udc分别为直流母线电压参考值与直流母线电压实际测量值，
Figure BDA0003578755850000095
Qg分别为注入电网的无功功率参考值与注入电网的无功功率实际测量值；控制系数kp1、ki1，其取值范围为1<kp1<10000，0.01<ki1<10。
ii)d、q轴电网电压控制量udg、uqg通过如下公式计算：
Figure BDA0003578755850000096
Figure BDA0003578755850000097
其中，idg、iqg分别为电网电流d、q轴实际测量值，ωs为电网电压频率，us为电网线电压幅值,电网相电压uag、ubg、ucg经过软件锁相环SPLL得到电网电压频率ωs与相位θs；控制系数kp2、ki2，其取值范围为1<kp2<10000，0.01<ki2<10；
iii)脉宽调制信号
根据上述步骤得到的d、q轴电网电压控制量udg、uqg，经过dq-abc派克反变换后，得到三相电压控制信号uag、ubg、ucg，通过如下公式计算：
Figure BDA0003578755850000101
三相逆变单元含6个绝缘栅双极晶体管IGBT，每相由2个IGBT组成上下桥臂，每相上桥臂IGBT控制信号接上述三相电压控制信号经隔离驱动后得到对应的三个脉宽调制信号:PWMa，PWMb，PWMc，下桥臂3个IGBT控制信号与上桥臂的信号相反，即采用PWMa、PWMb、PWMc对应的反信号
Figure BDA0003578755850000102
可选的，图11是本发明实施例提供的又一种飞轮储能***的控制方法的流程图。在上述实施例的基础上，结合图1和图11，本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法，包括：
S901、获取电网的参数调节信号；其中，电网的参数调节信号包括：电机定子三相电流、电机的电压相位θm和电机转子磁链矢量ψr、电机定子磁链参考值ψsref、电机转速参考值ωmref与电机转速测量值ωm；
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S902、电机飞轮控制器根据电机定子三相电流、电机的电压相位θm和电机转子磁链矢量ψr，计算电机定子磁链测量值ψs；
S903、电机飞轮控制器将电机定子磁链参考值ψsref与电机定子磁链测量值ψs作差，通过磁链滞环比较器和磁链调节，生成磁链控制信号Φ；
S904、电机飞轮控制器根据电机转子磁链矢量ψr和电机定子磁链测量值ψs，计算电机电磁转矩实际值Te；
S905、电机飞轮控制器根据电机转速参考值ωmref与电机转速测量值ωm之差经过PI控制，得到电磁转矩参考值Tref：
S906、电机飞轮控制器将电磁转矩参考值Tref与电磁转矩实际值Te作差作为电磁转矩信号，并根据电磁转矩信号，通过转矩滞环比较器和转矩调节，生成转矩控制信号τ；
S907、电机飞轮控制器根据磁链控制信号Φ、转矩控制信号τ和电机的电压相位θm，通过开关状态选择模块确定开关状态，根据开关状态，调节飞轮储能逆变器输出的电压，以控制电机调整飞轮的转速。
具体的，图12是本发明实施例提供的一种电机飞轮控制器的转矩控制原理的示意图。示例性的，电机飞轮控制器可以采取直接转矩控制方法控制飞轮储能逆变器，进而控制电机。直接转矩控制方法，即通过保持电机转子磁链矢量ψr和电机定子绕组磁链矢量ψs的幅值不变，进而控制电机定子磁链和电机转子磁链之间的相位差，实现控制电磁转矩。
示例性的，具体通过如下方法执行：i)电机定子磁链通过如下公式计算：
Figure BDA0003578755850000111
其中，ψs为电机定子绕组磁链矢量，ψr为电机转子磁链矢量，L为电机定子三相绕组自感系数，M为电机定子三相绕组之间的互感系数，θm为电机转子磁链矢量ψr和三相绕组轴线的夹角，称为电机电压相位，iam、ibm、icm为电机定子三相电流，ψa、ψb、ψc为电机定子三相绕组磁链；
将电机定子磁链参考值ψsref与测量值ψs之差通过磁链滞环比较器和磁链调节后获得磁链控制信号Φ；
ii)电机电磁转矩计算，其实际值通过如下公式计算：
Figure BDA0003578755850000112
其中，Ls为电机定子电感，np为极对数，δsr为定子转矩角；
上式表明，电机电磁转矩的大小与定子磁链矢量的幅值、定子磁链、定子转矩角有关，当定子的磁链幅值恒定不变时，转矩角在-90°到90°之间，电磁转矩随转矩角度増大而増加，保持定子磁链幅值恒定不变实现直接转矩控制；
电机转速参考值ωmref与电机转速测量值ωm之差经过一PI控制，得到电磁转矩参考值Tref：
Tref＝[kp3(ωmref-ωm)+ki3∫(ωmref-ωm)] (10)
控制系数kp3、ki3，其取值范围为1<kp3<10000，0.01<ki3<100；
将电磁转矩参考值Tref与电磁转矩实际值Te之差作为电磁转矩信号，该电磁转矩信号通过转矩滞环比较器和转矩调节后获得转矩控制信号τ；
iii)将上述磁链控制信号Φ、转矩控制信号τ和电机电压相位θm，通过开关状态选择模块，根据需要选择出合适的开关状态，根据开关状态调节飞轮储能逆变器输出电压，以控制电机。电机可以为永磁同步电机，在此不作任何限定。
表1是本发明实施例提供的一种电机转矩控制电压矢量开关表。
Figure BDA0003578755850000121
可选的，图13是本发明实施例提供的一种飞轮轴承控制器的结构示意图。图14是本发明实施例提供的一种飞轮储能***的控制方法的流程图。结合图1、图13和图14，本发明实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置还包括飞轮轴承传感器50和飞轮轴承控制器40。
本发明实施例提供的飞轮储能***的控制方法包括：
S101、获取电网的参数调节信号。
S102、根据参数调节信号生成第一控制指令。
S1001、飞轮轴承传感器50检测飞轮的位置偏差信号。
S1002、飞轮轴承控制器40根据飞轮的位置偏差信号，通过控制飞轮的轴承线圈电流，控制转子回到基准位置。
具体的，对飞轮轴承传感器50检测到的位置偏差信号进行PID控制，控制飞轮的轴承线圈电流，使得转子定位精度较高，即使受到外力的干扰，也能通过改变飞轮的轴承线圈电流使转子回到基准位置，飞轮轴承控制器40的传递函数G(s)如下：
Figure BDA0003578755850000122
其中，Kp是比例增益，Ki是积分时间常数，Kd是微分环节时间常数，Td是一阶惯性系数，取值为1<Kp<1000，0.01<Ki<100，0.001<Kd<10，0.1<Td<10。
图15是本发明实施例提供的一种飞轮储能***的拓扑装置的结构示意图。参加图15，本发明实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置，包括：参数获取模块50、***控制模块100以及能量变换模块10；
参数获取模块50，用于获取电网的参数调节信号；
***控制模块100，用于根据参数调节信号生成第一控制指令，第一控制指令用于控制能量变换模块10向电网输出有功功率或无功功率；或者，控制能量变换模块从电网吸收有功功率或无功功率。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，本发明实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置，还包括：
电机飞轮控制器20，用于根据第一子控制指令，调节飞轮的转速；其中，第一控制指令包括第一子控制指令；
能量变换模块10包括飞轮储能逆变器11和能量转换***PCS，飞轮储能逆变器11用于通过能量转换***PCS向电网输出有功功率，或者，从电网吸收有功功率。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，本发明实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置，还包括：
并网控制器30，用于根据第二子控制指令，控制能量转换***PCS向电网输出无功功率，或者，从电网吸收无功功率；其中，第一控制指令还包括第二子控制指令。
可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图1，本发明实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置，还包括：
飞轮轴承传感器，用于检测飞轮的位置偏差信号；
飞轮轴承控制器40，用于根据飞轮的位置偏差信号，通过控制飞轮的轴承线圈电流，控制转子回到基准位置。
示例性的，继续参加图1，本实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置包括***控制模块，***控制模块100作为飞轮储能***的***控制中心，飞轮储能***的拓扑装置还包括能量转换***PCS、飞轮储能逆变器11、电机、飞轮、以及并网控制器30、电机飞轮控制器20、飞轮轴承控制器40等。电机可以包括永磁电机。能量转换***PCS的交流端接入交流电网，能量转换***PCS的直流端与飞轮储能逆变器11直流端相连。飞轮储能逆变器11的直流端与能量转换***PCS直流端相连，飞轮储能逆变器11交流端与电机定子端口相连。电机定子端口与飞轮储能逆变器11交流端相连。电机转子轴与飞轮轴相连；飞轮轴与电机转子轴相连。
***控制模块100的通讯端与并网控制器30、电机飞轮控制器、上级调度终端对应的通讯端相连。并网控制器30的采集端口与能量转换***PCS的交流电压互感器、交流电流传感器、直流电压传感器输出端口相连。并网控制器30的控制端口与能量转换***PCS的电力电子全控器件IGBT的控制端口相连。电机飞轮控制器20的采集端口与飞轮储能逆变器11的交流电压互感器、交流电流传感器、直流电压传感器输出端口相连。电机飞轮控制器20的控制端口与飞轮储能逆变器11的电力电子全控器件IGBT的控制端口相连。飞轮轴承控制器40的采集端口与飞轮的磁悬浮轴承位置传感器信号输出端口相连，飞轮轴承控制器的输出端口与飞轮的轴承线圈相连。
本发明实施例提供的飞轮储能***的拓扑装置通过模块化组合，可应用于大容量调频。本发明实施例提供的飞轮储能***1经过升压变压器T1，应用于中、高压配电网2。可选的，飞轮轴承可以采用机械轴承，取消飞轮轴承控制器，控制简单、可靠性更高。能量转换***PCS和飞轮储能逆变器可以为三电平拓扑结构。并网控制器和/或飞轮轴承控制器的控制方法不限于PI或PID控制。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (12)

1.一种飞轮储能***的控制方法，其特征在于，所述飞轮储能***的控制方法应用于飞轮储能***的拓扑装置，所述飞轮储能***的拓扑装置包括能量变换模块；所述方法包括：
获取电网的参数调节信号；
根据所述参数调节信号生成第一控制指令，所述第一控制指令用于控制所述能量变换模块向电网输出有功功率或无功功率；或者，控制所述能量变换模块从所述电网吸收有功功率或无功功率；
所述电网的参数调节信号包括：电机定子三相电流、电机的电压相位θ m 和电机转子磁链矢量ψ r 、电机定子磁链参考值ψ sref 、电机转速参考值ω mref 与电机转速测量值ω m ；
电机飞轮控制器根据第一子控制指令，调节飞轮的转速；所述飞轮储能逆变器通过所述能量转换***向所述电网输出有功功率，或者，从所述电网吸收有功功率，包括：
所述电机飞轮控制器根据电机定子三相电流、电机的电压相位θ m 和电机转子磁链矢量ψ r ，计算电机定子磁链测量值ψ s ；
所述电机飞轮控制器将电机定子磁链参考值ψ sref 与电机定子磁链测量值ψ s 作差，通过磁链滞环比较器和磁链调节，生成磁链控制信号Φ；
所述电机飞轮控制器根据电机转子磁链矢量ψ r 和电机定子磁链测量值ψ s ，计算电机电磁转矩实际值T e ；
所述电机飞轮控制器根据电机转速参考值ω mref 与电机转速测量值ω m 之差经过PI控制，得到电磁转矩参考值T ref ：
所述电机飞轮控制器将电磁转矩参考值T ref 与电磁转矩实际值T e 作差作为电磁转矩信号，并根据所述电磁转矩信号，通过转矩滞环比较器和转矩调节，生成转矩控制信号τ；
所述电机飞轮控制器根据所述磁链控制信号Φ、所述转矩控制信号τ和所述电机的电压相位θ m ，通过开关状态选择模块确定开关状态，根据所述开关状态，调节所述飞轮储能逆变器输出的电压，以控制所述电机调整所述飞轮的转速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞轮储能***的拓扑装置还包括：电机飞轮控制器；所述能量变换模块包括能量转换***和飞轮储能逆变器；所述第一控制指令包括第一子控制指令；
在所述根据所述参数调节信号生成第一控制指令之后，还包括：
所述电机飞轮控制器根据所述第一子控制指令，调节飞轮的转速；所述飞轮储能逆变器通过所述能量转换***向所述电网输出有功功率，或者，从所述电网吸收有功功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一子控制指令包括一次调频指令；
所述电机飞轮控制器根据所述第一子控制指令，调节飞轮的转速，所述飞轮储能逆变器通过所述能量转换***向所述电网输出有功功率，或者，从所述电网吸收有功功率，包括：
在电网频率高于第一预设阈值时，所述电机飞轮控制器根据一次调频指令，控制所述飞轮提升转速，所述飞轮储能逆变器从所述电网吸收有功功率；
在电网频率低于第二预设阈值时，所述电机飞轮控制器根据一次调频指令，控制所述飞轮降低转速，所述飞轮储能逆变器向所述电网输出有功功率。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一子控制指令包括主动惯量支撑指令；
所述电机飞轮控制器根据所述第一子控制指令，调节飞轮的转速，所述飞轮储能逆变器通过所述能量转换***向所述电网输出有功功率，或者，从所述电网吸收有功功率，包括：
在电网频率在预设时间下降幅度大于预设阈值频率时，所述电机飞轮控制器根据主动惯量支撑指令，控制所述飞轮降低转速，所述飞轮储能逆变器通过所述能量转换***向所述电网输出有功功率。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述第一子控制指令包括平滑新能源有功功率波动指令；
所述电机飞轮控制器根据所述第一子控制指令，调节飞轮的转速，所述飞轮储能逆变器通过所述能量转换***向所述电网输出有功功率，或者，从所述电网吸收有功功率，包括：
所述电机飞轮控制器根据平滑新能源有功功率波动指令，控制所述飞轮提升转速，所述飞轮储能逆变器从所述电网吸收有功功率；或者，所述电机飞轮控制器根据平滑新能源有功功率波动指令，控制所述飞轮降低转速，所述飞轮储能逆变器向所述电网输出有功功率。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述飞轮储能***的拓扑装置还包括：并网控制器；所述第一控制指令还包括第二子控制指令；
在所述根据所述参数调节信号生成第一控制指令之后，还包括：
所述并网控制器根据所述第二子控制指令，控制所述能量转换***向所述电网输出无功功率，或者，从所述电网吸收无功功率。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述根据所述参数调节信号生成第一控制指令之后，还包括：
接收上级调度指令，根据上级调度指令生成二次调频指令；
所述电机飞轮控制器根据所述二次调频指令，控制所述能量转换***向所述电网输出有功功率，或者，从所述电网吸收有功功率。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电网的参数调节信号包括：直流母线电压参考值与直流母线电压实际测量值、注入电网的无功功率参考值与注入电网的无功功率实际测量值、电网电流d轴实际测量值和电网电流q轴实际测量值；
所述并网控制器根据所述第二子控制指令，控制所述能量转换***向所述电网输出无功功率，或者，从所述电网吸收无功功率，包括：
所述并网控制器根据直流母线电压参考值与直流母线电压实际测量值，计算d轴电网电流参考值i * dg ；
所述并网控制器根据注入电网的无功功率参考值与注入电网的无功功率实际测量值，计算q轴电网电流参考值i * qg ；
所述并网控制器根据所述d轴电网电流参考值i * dg 和所述q轴电网电流参考值i * qg ，以及电网电流d轴实际测量值和电网电流q轴实际测量值，计算d轴电网电压控制量u dg 和q轴电网电压控制量u qg ；
所述并网控制器根据所述d轴电网电压控制量u dg 和所述q轴电网电压控制量u qg ，经过dq-abc派克反变换后，得到三相电压控制信号u ag 、u bg 和u cg ；
所述并网控制器根据所述三相电压控制信号u ag 、u bg 和u cg ，控制能量转换***的直流母线电压稳定，并控制电网的无功功率。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据所述参数调节信号生成第一控制指令之后，还包括：
飞轮轴承传感器检测所述飞轮的位置偏差信号；
飞轮轴承控制器根据所述飞轮的位置偏差信号，通过控制飞轮的轴承线圈电流，控制转子回到基准位置。
10.一种飞轮储能***的拓扑装置，其特征在于，包括：参数获取模块、***控制模块以及能量变换模块；
所述参数获取模块，用于获取电网的参数调节信号；
所述***控制模块，用于根据所述参数调节信号生成第一控制指令，所述第一控制指令用于控制所述能量变换模块向电网输出有功功率或无功功率；或者，控制所述能量变换模块从所述电网吸收有功功率或无功功率；
所述电网的参数调节信号包括：电机定子三相电流、电机的电压相位θ m 和电机转子磁链矢量ψ r 、电机定子磁链参考值ψ sref 、电机转速参考值ω mref 与电机转速测量值ω m ；
所述根据所述参数调节信号生成第一控制指令，所述第一控制指令用于控制所述能量变换模块向电网输出有功功率或无功功率；或者，控制所述能量变换模块从所述电网吸收有功功率或无功功率，包括：
所述电机飞轮控制器根据电机定子三相电流、电机的电压相位θ m 和电机转子磁链矢量ψ r ，计算电机定子磁链测量值ψ s ；
所述电机飞轮控制器将电机定子磁链参考值ψ sref 与电机定子磁链测量值ψ s 作差，通过磁链滞环比较器和磁链调节，生成磁链控制信号Φ；
所述电机飞轮控制器根据电机转子磁链矢量ψ r 和电机定子磁链测量值ψ s ，计算电机电磁转矩实际值T e ；
所述电机飞轮控制器根据电机转速参考值ω mref 与电机转速测量值ω m 之差经过PI控制，得到电磁转矩参考值T ref ：
所述电机飞轮控制器将电磁转矩参考值T ref 与电磁转矩实际值T e 作差作为电磁转矩信号，并根据所述电磁转矩信号，通过转矩滞环比较器和转矩调节，生成转矩控制信号τ；
所述电机飞轮控制器根据所述磁链控制信号Φ、所述转矩控制信号τ和所述电机的电压相位θ m ，通过开关状态选择模块确定开关状态，根据所述开关状态，调节所述飞轮储能逆变器输出的电压，以控制所述电机调整所述飞轮的转速。
11.根据权利要求10所述的飞轮储能***的拓扑装置，其特征在于，所述飞轮储能***的拓扑装置，还包括：
电机飞轮控制器，用于根据第一子控制指令，调节飞轮的转速；其中，所述第一控制指令包括第一子控制指令；
所述能量变换模块包括飞轮储能逆变器和能量转换***，所述飞轮储能逆变器用于通过所述能量转换***向所述电网输出有功功率，或者，从所述电网吸收有功功率。
12.根据权利要求11所述的飞轮储能***的拓扑装置，其特征在于，所述飞轮储能***的拓扑装置，还包括：
并网控制器，用于根据第二子控制指令，控制所述能量转换***向所述电网输出无功功率，或者，从所述电网吸收无功功率；其中，所述第一控制指令还包括第二子控制指令。
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