CN116545294A - 考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了飞轮储能技术领域的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，所述控制方法包括考虑电机损耗的电流规划控制方法和180°导通的三三自然换相控制方法。本发明控制方法考虑了装置电机运行时的转矩约束，在不改变装置电机运行性能的条件下提出的电流规划控制方法降低了装置工作过程中的电机损耗，降低装置运行损耗，提升装置运行性能效率；还引入了180°导通的三三自然换相控制，在稍改变电流规划控制绕组电流波形的条件下，充分降低装置功率器件开关频次，在不显著增大电机铜损与绕组电流谐波的情况下，有效降低了装置功率器件开关损耗。

Description

考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法

技术领域

本发明属于飞轮储能技术领域，具体涉及考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法。

背景技术

飞轮储能技术具有快响应、高频次、高效率、长寿命、环境特性友好等优点，是我国电储能技术发展的重要方向之一。现代飞轮储能技术通常以轴系转速6000～10000r/min为限分为低速飞轮和高速飞轮两类。高速飞轮储能技术的优势是高能量密度与高功率密度。典型的高速飞轮储能装置主要包括控制器、双向能量变换装置、高速飞轮电机、轴承系统、飞轮转子以及真空室等。

双向能量变换装置是高速飞轮储能装置的重要组成部分，双向能量变换装置工作性能的优劣直接影响高速飞轮储能装置的性能优劣与可靠性。损耗与效率是评价双向能量变换装置的重要性能指标，装置的运行效率与工作中存在的损耗密切相关，而装置运行过程中存在的损耗主要包括装置功率器件损耗、电机定子损耗、电机转子涡流损耗等。

装置功率器件损耗一般指运行过程中功率开关器件产生的开关损耗与导通损耗；功率器件开关损耗是指在器件开通和关断瞬间由电压与电流拖尾效应影响而产生的损耗；功率器件导通损耗是指器件导通过程中产生的损耗，一般与器件导通的压降及电流有关；功率器件的开关损耗会随着开关频率的提升而增大，导通损耗受开关频率变化影响较小。电机定子损耗主要包括定子铜损和定子铁损，定子铜损是电流经过定子绕组时由绕组电阻发热而产生的损耗，定子铁损是指由于定子铁芯涡流效应产生的损耗；电机转子涡流损耗是指由于转子铁芯涡流效应而产生的损耗，与电机定子损耗相比，转子涡流损耗通常很小。

双向能量变换装置运行过程中的损耗将影响储能系统的运行效率，运行损耗的大小是影响装置能否高效运行的关键。如何降低双向能量变换装置运行损耗实现能量转换的高效率控制是飞轮储能技术的重要研究内容，减小装置运行过程中的损耗对于提升双向能量变换装置运行效率具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，所述控制方法包括考虑电机损耗的电流规划控制方法和180°导通的三三自然换相控制方法。

优选地，所述考虑电机损耗的电流规划控制方法包括以下步骤：

根据方波永磁电机输出转矩，建立电机损耗优化转矩约束；

根据电机定子铜损与绕组电流关系式，采用导数极值方法建立以电机反电动势为变量的三相电流规划控制表达式。

优选地，所述方波永磁电机的输出转矩方程如下：

式中，T_em为电机电磁转矩，ω_m为电机机械角速度，i_a、i_b、i_c为电机三相绕组电流，e_a、e_b、e_c为电机三相绕组反电动势；

所述电机输出转矩约束方程如下：

式中，E为电机反电动势幅值，I为电机绕组电流幅值。

优选地，所述电机定子铜耗方程表示如下：

式中，P_cu为电机定子铜耗，R_e为电机相绕组电阻，i_a、i_b为电机定子绕组电流；

所述电流规划控制表达式如下：

优选地，所述180°导通的三三自然换相控制方法包括以下步骤：

根据三三自然换相控制下的拓扑工作电流路径示意图，得到工作电流回路电压电流关系式；

根据装置工作电流与绕组回路电压电流关系式，得到装置工作电流控制关系式；

通过装置工作电流控制关系式，得到装置前级电流斩波拓扑功率器件运行电流控制占空比实现装置工作电流控制。

优选地，所述工作电流回路电压电流关系式如下：

式中，α为正向斩波模式下开关器件T₇的运行占空比，U_dc为装置直流电源供电电压，L₁为装置直流母线电感，U为直流母线电感右端电压，L_e为电机相绕组电感。

优选地，所述装置工作电流控制关系式如下：

式中，i_dc为装置直流母线工作电流。

优选地，所述电流控制占空比表示如下：

本发明的有益效果：

1、本发明控制方法考虑了装置电机运行时的转矩约束，在不改变装置电机运行性能的条件下提出的电流规划控制方法降低了装置工作过程中的电机损耗，降低装置运行损耗，提升装置运行性能效率；

2、本发明控制方法还引入了180°导通的三三自然换相控制，在稍改变电流规划控制绕组电流波形的条件下，充分降低装置功率器件开关频次，在不显著增大电机铜损与绕组电流谐波的情况下，有效降低了装置功率器件开关损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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是本发明实施例中飞轮储能新型双向能量变换装置拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例中飞轮储能新型双向能量变换装置采用120°导通自然换相控制时装置电机绕组相电流波形图；

图3是本发明实施例中飞轮储能新型双向能量变换装置采用考虑电机损耗的电流规划控制时装置电机绕组相电流波形图；

图4是本发明实施例中飞轮储能新型双向能量变换装置分别采用120°导通自然换相控制方法与考虑电机损耗的电流规划控制方法时，装置工作过程中的电机定子铜损对比示意图；

图5是本发明实施例中飞轮储能新型双向能量变换装置采用120°导通自然换相控制方法时的装置电机绕组相电流波形傅立叶分析示意图；

图6是本发明实施例中飞轮储能新型双向能量变换装置采用考虑电机损耗的电流规划控制方法时的装置电机绕组相电流波形傅立叶分析示意图；

图7是本发明实施例中飞轮储能新型双向能量变换装置处于180°导通的三三自然换相控制方法下的拓扑工作电流路径示意图；

图8是本发明实施例中考虑电机损耗的电流规划控制方法引入180°导通的三三自然换相控制方法后的装置电机绕组电流波形示意图；

图9是本发明实施例中考虑电机损耗的电流规划控制方法引入180°导通的三三自然换相控制方法前，装置后级全桥拓扑三相桥臂功率器件的开关控制信号波形示意图；

图10是本发明实施例中考虑电机损耗的电流规划控制方法引入180°导通的三三自然换相控制方法后，装置后级全桥拓扑三相桥臂功率器件的开关控制信号波形示意图；

图11是本发明实施例中三种控制方法下飞轮储能新型双向能量变换装置在能量变换控制工作过程中的装置电机损耗仿真变化曲线图；

图12是本发明实施例中三种控制方法下装置在能量变换过程中的装置损耗仿真变化曲线图。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本实施例提供一种考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其中飞轮储能新型双向能量变换装置为两级全桥拓扑(DC/DC+全桥)，包括前级电流斩波拓扑、后级两电平全桥拓扑与电容回馈拓扑，电容回馈拓扑连接于前后两级拓扑中间，装置具备较简洁的装置拓扑结构，通过前级电流斩波拓扑实现装置工作电流控制。

飞轮储能新型双向能量变换装置拓扑的具体结构如下：

装置前级电流斩波拓扑由功率开关器件T₇与T₈、电容C₁及电感L₁组成，拓扑在装置直流侧母线串入电感L₁，在装置工作电流的控制过程中等效电机绕组回路串入电感，在一定程度上改善了高速飞轮电机驱动控制的小电阻电感问题，因此在装置充放电循环中可以通过前级电流斩波控制实现良好的装置工作电流控制，抑制工作电流纹波与脉动；

装置后级全桥拓扑由功率开关器件T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆与功率二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆组成，拓扑采用外接功率二极管改进了桥臂的换相续流路径以及相对应的工作电流测量方案，装置工作过程中通过全桥拓扑m1与外接换相续流拓扑m2处的电流测量值组合获得装置工作电流值，实时反馈装置工作电流的变化情况；

装置电容回馈拓扑由功率开关器件T₉、功率二极管D₁₀与D₁₁、电容C₂与电感L₂组成，拓扑通过电感L₂连接于馈能直流电源并通过功率二极管D₁₀连接于前后两级拓扑中间；装置电容回馈拓扑的存在使得装置工作过程中直流母线电感L₁的续流路径经由电容回馈电路实现，拓扑通过功率器件T₉的开关控制实现电容C₂的电压控制，进一步由功率二极管D₁₀实现母线电感续流时的直流钳位电压控制。

所述考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法包括了考虑电机损耗的电流规划控制方法，并引入了180°导通的三三自然换相控制方法。

其中，考虑电机损耗的电流规划控制方法包括以下步骤：

步骤1、从方波永磁电机输出转矩出发，建立电机损耗优化转矩(电流)约束；

考虑电机损耗优化的控制方法，目标是在不降低电机带载能力(输出转矩)的前提下减小电机运行过程中的损耗，因此首先考虑电机运行的输出转矩(电流)约束；方波永磁电机的输出转矩方程如下：

式中，T_em为电机电磁转矩，ω_m为电机机械角速度，i_a、i_b、i_c为电机三相绕组电流，e_a、e_b、e_c为电机三相绕组反电动势。

当装置电机采用120°导通自然换相控制方法时，根据电机运行反电动势与电流的变化规律，可以得到电机输出转矩(电流)约束方程如下：

式中，E为电机反电动势幅值，I为电机绕组电流幅值。

步骤2、从电机定子铜损与绕组电流关系式出发，采用导数极值方法建立以电机反电动势为变量的三相电流规划控制表达式；

假定电机三相绕组电阻均为R_e，结合电机三相电流关系约束式可以将电机定子铜耗方程表示如下：

式中，P_cu为电机定子铜耗(功率)，R_e为电机相绕组电阻。

由电机定子铜耗方程表达式，可以发现电机定子铜耗对应电机定子绕组电流i_a、i_b存在极值点。采用导数极值数学方法对电机定子铜耗方程式进行运算；将电机定子铜耗方程式分别对电机定子绕组电流i_a、i_b求偏导数可得电机定子铜耗偏导方程如下：

联立电机输出转矩(电流)约束方程、电机三相电流关系约束式与电机定子铜耗偏导方程，可以得到以电机反电动势e_a、e_b、e_c为变量的相绕组电流规划控制表达式如下：

如图2与图3所示，本发明所述飞轮储能新型双向能量变换装置采用考虑电机损耗的电流规划控制方法时，电机定子绕组电流按相绕组电流规划控制表达式运行，相比于采用120°导通自然换相控制方法，具有更为平缓的电机定子绕组电流变化波形，具备更小的电流谐波分量。

如图4所示，本发明所述飞轮储能新型双向能量变换装置采用考虑电机损耗的电流规划控制方法时，电机定子绕组电流按相绕组电流规划控制表达式运行，电机定子铜损方程运行于极值点，此时电机运行于定子绕组铜损较小的情况，相比于采用120°导通自然换相控制方法，装置工作过程中具有更小的电机定子绕组铜损。

如图5与图6所示，本发明所述飞轮储能新型双向能量变换装置分别采用120°导通自然换相控制方法与考虑电机损耗的电流规划控制方法时的装置电机绕组相电流变化波形进行了傅立叶分析，相比于120°导通自然换相控制方法，考虑电机损耗的电流规划控制方法下，电机绕组相电流谐波分量幅值大幅减小，相电流THD也大大减小，因此电机运行过程中的转子涡流损耗也将得到有效降低。考虑电机损耗的电流规划方法可以使得装置电机工作过程中具有更小的电机绕组铜损，同时又能有效降低运行时的电机转子涡流损耗。

如图7所示，本发明所述飞轮储能新型双向能量变换装置处于180°导通的三三自然换相控制方法时(A相上桥臂、B相上桥臂与C相下桥臂导通)，此时装置拓扑工作电流回路由直流电源、开关器件T₇、母线电感L₁和处于导通状态的三相电机绕组构成；装置前级电流斩波拓扑工作于正向斩波模式，功率器件T₈工作于关断状态，反并联二极管D₈并联在直流母线两侧，功率器件T₇工作于PWM调制状态，前级电流斩波拓扑通过控制器件T₇运行占空比控制装置电机工作电流的变化。考虑装置损耗的双向能量变换装置控制方法引入180°导通的三三自然换相控制方法时，其具体步骤如下：

步骤1、根据三三自然换相控制下的拓扑工作电流路径示意图(A相上桥臂、B相上桥臂与C相下桥臂导通)，得到工作电流回路电压电流关系式如下：

式中，α为正向斩波模式下开关器件T₇的运行占空比，U_dc为装置直流电源供电电压，L₁为装置直流母线电感，U为直流母线电感右端电压，L_e为电机相绕组电感。

步骤2、根据装置工作电流与绕组回路电压电流关系式，得到装置工作电流控制关系式如下：

式中，i_dc为装置直流母线工作电流。

步骤3、由装置工作电流控制关系式，得到装置前级电流斩波拓扑功率器件运行占空比实现装置工作电流控制，180°导通的三三自然换相控制方式下，装置母线功率器件T₇的电流控制占空比如下：

如图8所示，本发明所述飞轮储能新型双向能量变换装置采用的考虑电机损耗的电流规划控制方法引入180°导通的三三自然换相控制方法后，装置电机绕组的工作电流波形与引入前相比，电机绕组电流变化波形相似，这意味着引入180°导通三三自然换相的电流规划控制方法可以在稍稍改变电流规划控制绕组电流波形的条件下，充分降低装置工作过程中的功率器件开关频次，可以在不显著增大电机铜损与绕组电流谐波(与电机转子涡流损耗相关)的情况下，降低装置工作过程中的功率器件开关损耗。

如图9、图10所示，本发明提出的考虑电机损耗的电流规划控制方法引入180°导通的三三自然换相控制方法后，在控制系统具有相同电流控制效果的条件下，有效降低了装置电机工作过程中功率器件的开关频次，可以有效降低装置功率器件产生的开关损耗。

如图11、图12所示，本发明提出的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法在仿真模型下进行了验证，在相同的装置电机运行控制状态下对三种控制方法下双向能量变换装置的工作情况进行了仿真分析。图11为三种控制方法下飞轮储能新型双向能量变换装置在能量变换控制工作过程中的装置电机损耗仿真变化曲线，图12为三种控制方法下装置在能量变换过程中的装置损耗仿真变化曲线。仿真结果证明，考虑电机损耗的电流规划控制方法比120°导通自然换相控制方法具有更小的装置电机损耗；引入180°导通三三自然换相的电流规划控制方法稍稍增大了装置运行过程中的电机损耗；因为有效降低了装置工作过程中功率器件的开关频次与开关损耗，引入180°导通三三自然换相的电流规划控制方法在三种控制方法中具有最小的装置损耗；考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法在一定程度上可以降低装置运行损耗，提升装置运行性能效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其特征在于，所述控制方法包括考虑电机损耗的电流规划控制方法和180°导通的三三自然换相控制方法。

2.根据权利要求1所述的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其特征在于，所述考虑电机损耗的电流规划控制方法包括以下步骤：

根据方波永磁电机输出转矩，建立电机损耗优化转矩约束；

根据电机定子铜损与绕组电流关系式，采用导数极值方法建立以电机反电动势为变量的三相电流规划控制表达式。

3.根据权利要求2所述的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其特征在于，所述方波永磁电机的输出转矩方程如下：

式中，T_em为电机电磁转矩，ω_m为电机机械角速度，i_a、i_b、i_c为电机三相绕组电流，e_a、e_b、e_c为电机三相绕组反电动势；

所述电机输出转矩约束方程如下：

式中，E为电机反电动势幅值，I为电机绕组电流幅值。

4.根据权利要求2所述的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其特征在于，所述电机定子铜耗方程表示如下：

式中，P_cu为电机定子铜耗，R_e为电机相绕组电阻，i_a、i_b为电机定子绕组电流；

所述三相电流规划控制表达式如下：

5.根据权利要求1所述的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其特征在于，所述180°导通的三三自然换相控制方法包括以下步骤：

根据三三自然换相控制下的拓扑工作电流路径示意图，得到工作电流回路电压电流关系式；

根据装置工作电流与绕组回路电压电流关系式，得到装置工作电流控制关系式；

通过装置工作电流控制关系式，得到装置前级电流斩波拓扑功率器件运行电流控制占空比实现装置工作电流控制。

6.根据权利要求5所述的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其特征在于，所述工作电流回路电压电流关系式如下：

式中，α为正向斩波模式下开关器件T₇的运行占空比，U_dc为装置直流电源供电电压，L₁为装置直流母线电感，U为直流母线电感右端电压，L_e为电机相绕组电感。

7.根据权利要求5所述的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其特征在于，所述装置工作电流控制关系式如下：

式中，i_dc为装置直流母线工作电流。

8.根据权利要求5所述的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制方法，其特征在于，所述电流控制占空比表示如下：

9.一种考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制系统，其特征在于，包括：

约束模块，用于根据方波永磁电机输出转矩，建立电机损耗优化转矩约束；

第一控制模块，用于根据建立的以电机反电动势为变量的三相电流规划控制表达式实现装置的控制；

获取模块，用于根据装置工作电流与绕组回路电压电流关系式，得到装置工作电流控制关系式；

第二控制模块，用于根据获取模块得到的装置工作电流控制关系式，得到装置前级电流斩波拓扑功率器件运行电流控制占空比，实现装置工作电流控制。

10.一种考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制器，储存有运行权利要求9所述的考虑装置损耗的飞轮储能新型双向能量变换装置控制系统程序。