方紅偉,褚會敏,肖朝霞

(1.天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,天津 300072;2.天津工業(yè)大學(xué) 電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室,天津 300387)

開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪儲能系統(tǒng)模糊控制

方紅偉1,褚會敏1,肖朝霞2

(1.天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,天津 300072;2.天津工業(yè)大學(xué) 電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室,天津 300387)

采用三相不對稱半橋SRM功率變換器與PWM變流器構(gòu)成飛輪儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電力電子接口,具有電路簡單,易于控制等優(yōu)點.針對開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪儲能系統(tǒng)非線性強(qiáng)、多變量耦合等特點,采用模糊PI控制策略以提高系統(tǒng)的魯棒性與穩(wěn)態(tài)精度.在能量存儲階段,采用恒轉(zhuǎn)矩與恒功率結(jié)合的控制策略,加快儲能速度;在能量釋放階段,采用電壓閉環(huán)控制策略,實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率、功率和電壓控制.仿真結(jié)果驗證了所提出的飛輪儲能/能量釋放控制策略的正確性和有效性.

飛輪儲能; 開關(guān)磁阻電機(jī); 模糊PI控制; 能量存儲/釋放

隨著全球范圍內(nèi)人類對常規(guī)能源的大量消耗,石油、天然氣、煤等能源正在加劇枯竭,環(huán)境污染問題也日益凸顯,可再生能源的開發(fā)和利用為此提供了一個切實可行的解決之道.但大部分可再生能源發(fā)電,如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、波浪發(fā)電等都具有間歇性的特點,因此要保證系統(tǒng)能提供穩(wěn)定的電能質(zhì)量,必須引入相應(yīng)的儲能單元[1-2].隨著電力電子學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的發(fā)展,各種新型儲能技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?如飛輪儲能、電池儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容器儲能等[3-4].蓄電池是目前在新能源發(fā)電中應(yīng)用最廣泛的儲能裝置.蓄電池適合長期儲能,缺點是充電次數(shù)有限、壽命短、維修費用高,此外,廢棄的電池會對環(huán)境造成污染[5].超導(dǎo)儲能系統(tǒng)(SMES)可以長期無損耗地儲存能量,能量返回效率很高,并且能量釋放速度快,通常只需幾秒鐘,但是,由于超導(dǎo)體價格昂貴,在很大程度上限制了SMES的應(yīng)用范圍.超級電容器則因為耐壓低,不適合應(yīng)用在大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電中.飛輪儲能具有能量密度高、瞬時功率大、質(zhì)量輕、充電快、無污染、對溫度不敏感、壽命長和容易測量放電深度等優(yōu)點[6-7],在以航天衛(wèi)星、電動汽車、大功率設(shè)備以及以風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電為代表的分布式發(fā)電等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景,在很多方面已有取代化學(xué)電池的趨勢[8].

飛輪儲能系統(tǒng)用的電動機(jī)/發(fā)電機(jī)是一個集成部件,應(yīng)具有較大的輸出功率,較長的使用壽命,能量轉(zhuǎn)換效率高,能適應(yīng)大范圍的速度變化等特點.飛輪儲能系統(tǒng)用集成式電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的類型主要包括感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、永磁無刷電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等.感應(yīng)電機(jī)飛輪一般適合中低速飛輪產(chǎn)品,轉(zhuǎn)換效率偏低且不易工作在高速場合[9-11].文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果表明感應(yīng)電機(jī)通過減小轉(zhuǎn)子損耗等缺點可以在飛輪儲能系統(tǒng)中得到一定的應(yīng)用.永磁電機(jī)飛輪從類型上有正弦波永磁電機(jī)和方波永磁電機(jī),從結(jié)構(gòu)上既有內(nèi)轉(zhuǎn)子也有外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),定、轉(zhuǎn)子無鐵心結(jié)構(gòu)等特殊永磁電機(jī)也得到了較多的應(yīng)用,其主要缺點是,存在失磁和退磁的可能,并且磁場不易調(diào)節(jié),弱磁增速較難.開關(guān)磁阻電機(jī)的定子采用集中繞組,轉(zhuǎn)子無勵磁繞組,從而具有很好的轉(zhuǎn)子機(jī)械特性和高溫適應(yīng)性,適用于寬范圍調(diào)速運行[13-14],因此它較適合用作具有廣泛應(yīng)用前景的高速旋轉(zhuǎn)飛輪儲能系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī).

由于集成式開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪儲能系統(tǒng)具有非線性、多變量和強(qiáng)耦合等特征,傳統(tǒng)的線性控制器很難滿足系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)要求,模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等一些先進(jìn)的智能控制方法開始逐漸被應(yīng)用[15-16].模糊控制具有魯棒性強(qiáng)、對參數(shù)變化不敏感、控制規(guī)則易于理解、實現(xiàn)簡便且不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點,對于非線性、時變、滯后、變結(jié)構(gòu)的被控對象可取得較好的控制效果.此外,由于二維模糊控制器存在靜差,通過引入PI調(diào)節(jié)器能夠彌補(bǔ)模糊控制的不足,提高系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)態(tài)精度.在飛輪能量存儲階段,采用恒轉(zhuǎn)矩結(jié)合恒功率的控制策略加快飛輪儲能速度;在能量釋放階段,通過電壓閉環(huán)控制穩(wěn)定輸出電壓,同時向負(fù)載輸出穩(wěn)定的功率,實現(xiàn)了系統(tǒng)的功率和電壓控制.仿真結(jié)果表明,模糊PI控制器能夠很好地控制飛輪轉(zhuǎn)速和輸出電壓.

1 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化裝置,其與功率變換器及控制器不可分離.根據(jù)飛輪儲能的工作原理及工程要求可知,SRM功率變換器的主要作用有:①通過功率電子器件的開通或關(guān)斷控制繞組中電流的大小;②為繞組提供續(xù)流回路;③控制飛輪處于儲能狀態(tài)、空閑狀態(tài)或者釋能狀態(tài).由于SRM的固有特性,電機(jī)各相繞組相互獨立,而且只需要單方向電流,這就使得其功率變換器比交流電機(jī)變頻器簡單、可靠.SRM功率變換器電路有多種形式,本文采用三相不對稱半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示,其中A相、B相和C相分別為SRM的三相繞組.

開關(guān)磁阻電機(jī)中轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極相對位置不同時,磁場分布也不同,因而定子繞組電感隨轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極之間的相對位置變化而變化.電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中,轉(zhuǎn)子的位置角θ不斷變化,電機(jī)定子繞組的電感就在最大電感量Lmax和最小電感量Lmin這兩個特定電感值之間周期地變化.通過控制6/4極SRM功率變換器中的開關(guān)管T1、T2、T3、T4、T5和T6的開通和關(guān)斷即可控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩.當(dāng)在繞組電感的上升階段給對應(yīng)相定子繞組通電,電機(jī)產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩,工作在電動狀態(tài);當(dāng)在繞組電感的下降階段給對應(yīng)相定子繞組通電,電機(jī)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩,工作在發(fā)電狀態(tài).

圖1 SRM功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of SRM power converter

飛輪能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由SRM功率變換器、PWM變流器、工作方式控制開關(guān)以及集成式開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪組成.當(dāng)飛輪運行在能量存儲階段時,PWM變流器工作于整流狀態(tài),將三相交流電整流為直流電,為飛輪提供能量;當(dāng)運行在能量釋放階段時,PWM變流器工作于逆變狀態(tài),輸出滿足負(fù)載要求的交流電.通過SRM功率變換器和PWM變流器來實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)的能量雙向流動.該電路簡單,易于實現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓變頻和功率控制.

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Main circuit structure of FESS

2 能量存儲/釋放控制策略研究

飛輪儲能系統(tǒng)的能量存儲和能量釋放都是通過控制其驅(qū)動電機(jī)來完成的,驅(qū)動電機(jī)的控制是電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的橋梁,因此對飛輪的控制可簡化為對飛輪驅(qū)動電機(jī)的控制.在飛輪的儲能階段,開關(guān)磁阻電機(jī)工作在電動狀態(tài),使飛輪本體加速,將電能轉(zhuǎn)化為動能;在能量釋放階段,開關(guān)磁阻電機(jī)工作在回饋發(fā)電狀態(tài),飛輪減速,將動能轉(zhuǎn)化為電能.

在理想SRM線性模型下,根據(jù)能量守恒定律,不考慮電路中電阻損耗、鐵心損耗和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械損耗,可得電磁轉(zhuǎn)矩為[17-18]

(1)

由式(1)可知,電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比,且轉(zhuǎn)矩的方向與電流的方向無關(guān).根據(jù)SRM電感變化率的不同,電磁轉(zhuǎn)矩可分為如下兩種:

因此,可以通過改變繞組的通電時刻,即改變SRM的開通角θon和關(guān)斷角θoff來控制SRM的工作運行狀態(tài).

圖3 二維模糊控制原理Fig.3 Two-dimension fuzzy control principle

語言變量值選用常用的7個,即負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB).速度誤差E、誤差變化率EC及控制量變化U的模糊子集均為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}.常用的隸屬度函數(shù)有三角形、梯形、正態(tài)形等.本文采用三角形隸屬度函數(shù),速度誤差、誤差變化率及控制量變化均采用三角形隸屬度函數(shù),如圖4所示.模糊控制規(guī)則是模糊控制器的關(guān)鍵部分,模糊控制規(guī)則如表1所示.

圖4 隸屬度函數(shù)

表1 不同的E、EC對應(yīng)的UTable1 U corresponding to different E and EC

二維電機(jī)模糊控制器動態(tài)性能好,但消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能較差,難以達(dá)到較高的控制精度.通過將模糊控制與PI控制結(jié)合起來,能有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,實現(xiàn)兩種控制方式的優(yōu)勢互補(bǔ)[19-20].

2.1 能量存儲控制策略研究

SRM在啟動和低速運行時,SRM呈現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩特性,這時電機(jī)以最大加速度加速運行.然而由于此時電機(jī)反電動勢較小,故繞組的電流上升很快[21],為保護(hù)功率開關(guān)元件和電機(jī),需采用限流措施.電流滯環(huán)控制可將SRM繞組電流限制在一個固定的范圍內(nèi),有效地保護(hù)系統(tǒng)元件.隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,磁鏈和電流隨之下降,轉(zhuǎn)矩也隨轉(zhuǎn)速上升而下降,電機(jī)的運行特性從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)進(jìn)入恒功率區(qū).此時,對SRM應(yīng)采用角度位置控制(APC)方式.本文采用固定關(guān)斷角θoff,改變開通角θon的APC方式.改變SRM開通角θon,可改變電流波形的寬度、峰值和有效值大小,還能改變電流波形與電感波形的相對位置,從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速.在飛輪能量存儲過程中,采用恒轉(zhuǎn)矩與恒功率相結(jié)合的控制策略,不僅加快了飛輪的儲能速度,還能有效降低電機(jī)的容量.采用模糊PI控制器的飛輪儲能控制框圖如圖5所示.

圖5 飛輪能量存儲控制框圖Fig.5 Control diagram of flywheel energy storage

2.2 能量釋放控制策略研究

SRM本體只有定子繞組,其勵磁繞組與電樞繞組合二為一.由此可見,SRM的發(fā)電運行狀態(tài)可分為勵磁和發(fā)電兩個階段.開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置θ在θon～θoff階段為勵磁階段,可控參數(shù)有θon,θoff和勵磁電壓;在θ>θoff階段為回饋發(fā)電階段,其輸出電流不能直接被控制,但可通過調(diào)節(jié)勵磁來控制發(fā)電過程.

圖6 飛輪能量釋放控制框圖Fig.6 Control diagram of flywheel energy release

3 仿真分析

飛輪能量存儲時,采用恒轉(zhuǎn)矩與恒功率結(jié)合的復(fù)合控制策略,即在nnb時,飛輪進(jìn)入恒功率區(qū),采用模糊PI控制器調(diào)節(jié)θon,使飛輪轉(zhuǎn)速快速上升到參考轉(zhuǎn)速.飛輪在恒轉(zhuǎn)矩與恒功率復(fù)合控制策略下的A相電流I和轉(zhuǎn)矩Te的波形分別如圖7和圖8所示.

飛輪能量釋放時,采用電壓閉環(huán)控制策略對飛輪輸出電壓進(jìn)行控制.對開關(guān)磁阻電機(jī)采用APC,固定關(guān)斷角,調(diào)節(jié)開通角.此時,θoff為30°,模糊PI控制器調(diào)節(jié)θon,使得飛輪輸出電壓跟隨給定值,直流母線參考電壓為400 V;并通過PWM變流器給交流負(fù)載供電.飛輪能量釋放時的電機(jī)A相電流、直流母線電壓和注入負(fù)載有功功率分別如圖9～圖11所示.飛輪整個能量存儲/釋放過程的轉(zhuǎn)速變化如圖12所示.

圖7 恒轉(zhuǎn)矩運行Fig.7 Constant torque operation

圖8 恒功率運行Fig.8 Constant power operation

圖9 A相電流波形圖Fig.9 Phase A current

圖10 直流母線電壓Fig.10 DC link voltage

圖11 負(fù)載有功功率Fig.11 Active power of load

圖12 轉(zhuǎn)速波形Fig.12 Speed waveform

由仿真結(jié)果可知,在n

4 總 結(jié)

以SRM作為飛輪的驅(qū)動電機(jī),并采用三相半橋不對稱SRM功率變換器與PWM變流器組成飛輪儲能能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)能量的雙向流動.針對集成式開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪儲能系統(tǒng)的非線性、多變量和強(qiáng)耦合等特點,提出采用模糊PI控制器對飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行控制,提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度.通過搭建仿真模型,驗證了本文所提出的飛輪能量存儲/釋放控制策略的可行性和正確性.

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【責(zé)任編輯: 李 艷】

Fuzzy Control for a Flywheel Energy Storage System Driven by Switched Reluctance Machine

FangHongwei1,ChuHuimin1,XiaoZhaoxia2

(1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

Energy conversion system of flywheel energy storage system with power electronics interface composed by three phase asymmetric bridge converter and PWM converter,has such advantages as simple circuit structure and easy to control.Since flywheel energy storage system with SRM is strongly nonlinear and multivariable coupled,a fuzzy-PI controller is proposed to improve the robustness and steady state accuracy of the system.In the energy storage stage,constant torque control and constant power control are combined to accelerate the speed of energy storage.In the energy release stage,the voltage closed loop control strategy is used to achieve good control for frequency,power and voltage of the system.Simulation results demonstrate the correctness and effectiveness of the proposed energy storage/release control strategy.

flywheel energy storage; switched reluctance machine; fuzzy-PI control; energy storage/release

2014-12-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(51007060,51107088); 天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃資助項目(15JCZDJC32100).

方紅偉(1977-),男,安徽歙縣人,天津大學(xué)副教授,博士; 肖朝霞(1981-),女,河北固安人,天津工業(yè)大學(xué)副教授,博士.

2095-5456(2015)04-0289-07

TM 352

A