劉文軍，唐西勝，周龍，齊智平

(中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190)

基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流UPS控制方法研究

劉文軍，唐西勝，周龍，齊智平

(中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將能量以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子中。與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，已獲得了廣泛的應(yīng)用。為了解決電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落所帶來的直流負(fù)載端電壓暫降問題，給出了基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流UPS系統(tǒng)電路拓?fù)浼翱刂品椒?。在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，飛輪電機(jī)采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略加速充電或恒速待機(jī);在電網(wǎng)電壓發(fā)生對(duì)稱跌落時(shí)，飛輪電機(jī)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略減速放電。提出了電流內(nèi)環(huán)控制器的零極點(diǎn)對(duì)消降階設(shè)計(jì)方案，采用對(duì)稱優(yōu)化函數(shù)等效法設(shè)計(jì)了速度外環(huán)及電壓外環(huán)控制器參數(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。通過Matlab/Simulink仿真對(duì)該控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該控制方法及所設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)能準(zhǔn)確控制飛輪電機(jī)運(yùn)行模式，穩(wěn)定直流負(fù)載端電壓，保護(hù)直流負(fù)載不受電網(wǎng)電壓跌落的影響。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng);直流不間斷電源;充放電控制;永磁同步電機(jī)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)中的非線性和沖擊性負(fù)荷越來越多，電網(wǎng)中諸如電壓跌落、驟升、閃變和諧波等電能質(zhì)量問題越來越嚴(yán)重［1］。根據(jù)各國(guó)學(xué)者和電力部門統(tǒng)計(jì)，在這些電能質(zhì)量問題當(dāng)中，發(fā)生頻率最高、造成經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的一類電能質(zhì)量問題是電壓跌落問題［2］，即電網(wǎng)電壓有效值降至額定值的10%～90%，跌落持續(xù)時(shí)間一般為0.002～2s，其中80%的電壓跌落僅持續(xù)20～50ms［1］。而在電力系統(tǒng)中，存在大量對(duì)電能質(zhì)量要求高的用戶，例如通信系統(tǒng)、用于銀行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、精密醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制造業(yè)等。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落問題時(shí)，為保證用戶不受影響，各種不間斷電源(Uninterruptible Power System，UPS)被廣泛使用［3-6］。

UPS按其輸出形式可分為交流UPS和直流UPS，交流UPS需要逆變器將儲(chǔ)能設(shè)備直流輸出電壓逆變?yōu)榻涣麟娸敵?，直流UPS則可直接供給直流負(fù)載，不需要再經(jīng)過逆變［7］。飛輪儲(chǔ)能由于具有無環(huán)境污染、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行溫度范圍廣、充放電次數(shù)無限制等特點(diǎn)，已在不間斷電源這個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［4，8，9］。文獻(xiàn)［10，11］設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的新型UPS系統(tǒng)，提出了高速飛輪充、放電方式的控制策略，但其飛輪電機(jī)采用的是永磁無刷直流電機(jī)，且未給出充放電控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)［12-15］研究了永磁同步伺服系統(tǒng)電流環(huán)的設(shè)計(jì)方法，但在電流環(huán)的設(shè)計(jì)中忽略電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，該設(shè)計(jì)方法主要適用于低速場(chǎng)合。

本文針對(duì)電壓對(duì)稱跌落所帶來的直流負(fù)載端電壓暫降問題，首先給出了基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流UPS系統(tǒng)電路拓?fù)浼跋到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型。然后給出了系統(tǒng)控制方法，在電網(wǎng)電壓正常時(shí)采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)策略控制飛輪電機(jī)加速充電或恒速待機(jī)，在電網(wǎng)電壓發(fā)生對(duì)稱跌落時(shí)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)策略控制飛輪電機(jī)減速放電。接著分別對(duì)電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)、電壓外環(huán)控制器進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析。最后采用Matlab/Simulink對(duì)該控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 主電路拓?fù)浼跋到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 主電路拓?fù)?/p>

基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流UPS電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。飛輪儲(chǔ)能直流UPS由三相不控整流橋(在對(duì)直流母線電壓精度要求很高的場(chǎng)合亦可考慮采用PWM整流橋)、雙向變流器、永磁同步電機(jī)和飛輪轉(zhuǎn)子等組成。

圖1 基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流UPS主電路拓?fù)銯ig．1Topology of FESS based DC UPS

圖1中飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率可按直流負(fù)載最大功率需求PLmax進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)儲(chǔ)能量可根據(jù)PLmax和負(fù)載持續(xù)時(shí)間T的乘積進(jìn)行設(shè)計(jì);系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行上下限可根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和放電深度進(jìn)行確定，同時(shí)轉(zhuǎn)速運(yùn)行上下限還應(yīng)滿足J(ωmax2－ωmin

2)η/2= PLmaxT，其中J為飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，η為能量轉(zhuǎn)換效率。

2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在dq坐標(biāo)系下，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)的電壓電流關(guān)系式為:

式中，ud、uq分別為定子電壓直軸和交軸分量;Rs為定子電阻;id、iq為直軸和交軸電樞電流;Ld、Lq為直軸和交軸電感;ωe為電機(jī)電氣角速度;ψf為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈。

永磁同步電機(jī)直軸和交軸等效電路圖分別如圖2(a)、圖2(b)所示。

采用直軸電樞電流id為0的控制策略時(shí)，交軸電壓電流關(guān)系式可寫為:

電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程為:

圖2 永磁同步電機(jī)等效電路圖Fig．2Equivalent circuit of PMSM

電磁轉(zhuǎn)矩為:

將式(4)代入式(3)，可得:

式中，Kt=3p2ψf/2;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;B為粘滯摩擦系數(shù);p為極對(duì)數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

3 直流UPS控制方法

飛輪儲(chǔ)能直流UPS的基本工作原理是，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，由電網(wǎng)供電，電網(wǎng)經(jīng)三相不控整流橋整流為直流，直接向直流負(fù)載供電。同時(shí)，整流橋輸出的直流電經(jīng)雙向變流器逆變?yōu)榻涣麟姾篁?qū)動(dòng)飛輪電機(jī)，飛輪電機(jī)采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略加速充電或恒速待機(jī)。一旦電網(wǎng)電壓發(fā)生對(duì)稱跌落，飛輪電機(jī)立即啟用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略減速放電，以此將直流母線電壓維持在電網(wǎng)電壓正常時(shí)的水平。因此從直流負(fù)載側(cè)看，供電不受電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落的影響。

直流UPS控制框圖如圖3所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)輸出直軸電壓ugd不滿足小于90%額定相電壓峰值Um的條件，此時(shí)控制模式切換標(biāo)志S=0，飛輪電機(jī)采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的策略充電或待機(jī);當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落到90%以下時(shí)，鎖相環(huán)輸出直軸電壓ugd滿足小于90%Um的條件，此時(shí)S=1，飛輪電機(jī)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的策略放電，將直流母線電壓穩(wěn)定在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落前的水平。

4 控制器參數(shù)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

4.1 電流內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

根據(jù)式(2)、式(5)可推出q軸電流控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 直流UPS控制框圖Fig．3Control block diagram of DC UPS

圖4 q軸電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig．4Block diagram of current loop in q-axis

由圖4可見，在電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖中考慮了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。由該電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖可推出q軸電流環(huán)精確閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

式中

在帶寬頻率處，下列近似條件成立:

式中

可見經(jīng)過化簡(jiǎn)，q軸電流環(huán)可從式(6)所示的四階系統(tǒng)降為式(9)所示的一階系統(tǒng)。由于一階系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間

故可根據(jù)系統(tǒng)所要求的電流環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間ts按式(13)確定Ti，再根據(jù)Ti按式(12)確定Kci，然后根據(jù)式(8)將Kci乘以T1即可確定Kcp。

由一階簡(jiǎn)化電流閉環(huán)傳遞函數(shù)式(9)可得，電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)特征方程為1+sTi=0，其根為負(fù)數(shù)，因此可知所設(shè)計(jì)的電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

4.2 速度外環(huán)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

速度外環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 速度外環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig．5Block diagram of outer speed loop

速度閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

在帶寬頻率處，下列近似條件成立:

式中，Tωi=Tω+Ti。

這樣式(14)可簡(jiǎn)化為:

式中

將速度閉環(huán)傳遞函數(shù)式(15)等效為如式(17)所示的阻尼比為0.707的對(duì)稱優(yōu)化函數(shù)。

比較式(15)及式(17)可得:

由速度閉環(huán)傳遞函數(shù)式(17)可得，速度環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程為:

列出勞斯表，可得勞斯表的第一列元素分別為Ts

3/16、3Ts

2/8、5Ts/6及1。由于Ts=6Tωi＞0，因此勞斯表的第一列元素均大于0，根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)可知所設(shè)計(jì)的速度環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

4.3 電壓外環(huán)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

電壓外環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 電壓外環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig．6Block diagram of outer voltage loop

電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

式中

將電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)式(20)等效為如式(22)所示的阻尼比為0.707的對(duì)稱優(yōu)化函數(shù)。

比較式(20)及式(22)可得:

同速度環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定過程一樣，可知所設(shè)計(jì)的電壓環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

5 仿真分析

利用Matlab/Simulink對(duì)直流UPS控制方法進(jìn)行仿真，仿真模型如圖7所示。仿真中，電網(wǎng)的額定線電壓380V/50Hz，直流負(fù)載功率為3kW，直流母線電容為2200μF，雙向變流器開關(guān)頻率為6kHz，永磁同步電機(jī)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機(jī)仿真參數(shù)Tab．1Simulation parameters of PMSM

仿真中，控制器參數(shù)根據(jù)文中第4節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)方案計(jì)算得出(限于篇幅，具體計(jì)算過程從略)，如表2所示。

圖7 直流UPS仿真模型Fig．7Simulation model of DC UPS

表2 控制器參數(shù)Tab．2Controller parameters

電網(wǎng)相電壓(a相)波形如圖8所示，電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)輸出直軸電壓波形如圖9所示。

圖8 電網(wǎng)相電壓Fig．8Phase voltage of power grid

圖9 鎖相環(huán)輸出直軸電壓Fig．9D-axis voltage of phase lock loop

由圖8可見，電網(wǎng)電壓在0～52s期間正常，52～54s期間電壓對(duì)稱跌落為50%，54～58s期間電壓恢復(fù)正常。由圖9可見，在0～52s、54～56s電網(wǎng)電壓正常期間，鎖相環(huán)輸出直軸電壓ugd為額定相電壓峰值，在52～54s電壓對(duì)稱跌落為50%期間，ugd也迅速降為額定相電壓峰值的50%。

控制模式切換標(biāo)志S如圖10所示。由圖10可見，在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，S=0;在電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落為50%時(shí)，S=1。

圖10 控制模式切換標(biāo)志Fig．10Control mode switch flag

飛輪轉(zhuǎn)速如圖11所示。由圖11可見，在0～52s電網(wǎng)電壓正常期間，飛輪電機(jī)從0s時(shí)刻開始起動(dòng)，在43.8s時(shí)刻加速至額定轉(zhuǎn)速5000rpm后，進(jìn)入恒速待機(jī)狀態(tài);在52～54s電壓對(duì)稱跌落為50%期間，飛輪電機(jī)處于減速放電狀態(tài);在54～58s電壓恢復(fù)正常期間，飛輪電機(jī)加速充電至額定轉(zhuǎn)速后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

圖11 飛輪轉(zhuǎn)速Fig．11Flywheel speed

直流母線電壓如圖12所示。由圖12可見，在52～54s電網(wǎng)電壓跌落為50%期間，飛輪電機(jī)能夠?qū)⒅绷髂妇€電壓維持在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落前的水平，從而保護(hù)直流負(fù)載不受電網(wǎng)電壓跌落的影響。

圖12 直流母線電壓Fig．12DC bus voltage

6 結(jié)論

為了解決電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落所帶來的直流負(fù)載端電壓暫降問題，本文給出了基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流UPS系統(tǒng)電路拓?fù)浼翱刂品椒āＴ陔娋W(wǎng)電壓正常時(shí)，飛輪電機(jī)采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略加速充電或恒速待機(jī);在電網(wǎng)電壓發(fā)生對(duì)稱跌落時(shí)，飛輪電機(jī)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略減速放電。采用零極點(diǎn)對(duì)消降階法設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)，采用對(duì)稱優(yōu)化函數(shù)等效法設(shè)計(jì)了速度外環(huán)及電壓外環(huán)控制器參數(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。通過Matlab仿真對(duì)該控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該控制方法及所設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)能準(zhǔn)確控制飛輪電機(jī)運(yùn)行模式，穩(wěn)定直流負(fù)載端電壓，保護(hù)直流負(fù)載不受電網(wǎng)電壓跌落的影響。

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Research on control method of FESS based DC UPS

LIU Wen-jun，TANG Xi-sheng，ZHOU Long，QI Zhi-ping
(Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

Flywheel energy storage system(FESS)，which stores energy in a rotating mass，is a kind of mechanical energy storage system．FESS is now considered a promising technology for many applications due to its significant advantages versus batteries．In order to solve the voltage sag problem of DC load introduced by the grid voltage symmetric falling，this paper first presents the topology and control method of FESS based DC UPS．When the grid voltage is normal，the strategy based on an outer speed loop cascaded with an inner current loop is used．When the grid voltage falls symmetrically，the strategy based on an external DC-bus voltage loop cascaded with an internal current loop is used．Then a zero-pole offset order-reduction design method for inner current loop is proposed，while the control parameters of outer speed and outer DC-bus voltage loops are designed through using the symmetric optimum function equivalency method．And the stabilities of designed controllers are analyzed．This control method is verified by simulation in Matlab/Simulink．The simulation results indicate that this control method and the designed controller parameters can control the flywheel motor’s operation mode accurately，stabilize the DC load voltage and make voltage-sensitive DC load not affected by grid power interruption．

Flywheel Energy Storage System(FESS);DC uninterruptable power supply(DC UPS);charge and discharge control;permanent magnet synchronous motor(PMSM)

TK02;TM91

A

1003-3076(2014)10-0016-07

2013-10-10

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)(2011AA05A113)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51207156)、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向(KGCX2-EW-330)資助項(xiàng)目

劉文軍(1986-)，男，湖北籍，博士研究生，主要從事微型電網(wǎng)及飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究;齊智平(1958-)，女，北京籍，研究員/博導(dǎo)，主要從事微網(wǎng)和智能電網(wǎng)的研究。