开关磁阻电机飞轮储能系统模糊控制

方红伟,褚会敏,肖朝霞

(1.天津大学 电气与自动化工程学院,天津 300072;2.天津工业大学 电工电能新技术天津市重点实验室,天津 300387)

开关磁阻电机飞轮储能系统模糊控制

方红伟1,褚会敏1,肖朝霞2

(1.天津大学 电气与自动化工程学院,天津 300072;2.天津工业大学 电工电能新技术天津市重点实验室,天津 300387)

采用三相不对称半桥SRM功率变换器与PWM变流器构成飞轮储能系统能量转换系统电力电子接口,具有电路简单,易于控制等优点.针对开关磁阻电机飞轮储能系统非线性强、多变量耦合等特点,采用模糊PI控制策略以提高系统的鲁棒性与稳态精度.在能量存储阶段,采用恒转矩与恒功率结合的控制策略,加快储能速度;在能量释放阶段,采用电压闭环控制策略,实现系统的频率、功率和电压控制.仿真结果验证了所提出的飞轮储能/能量释放控制策略的正确性和有效性.

飞轮储能; 开关磁阻电机; 模糊PI控制; 能量存储/释放

随着全球范围内人类对常规能源的大量消耗,石油、天然气、煤等能源正在加剧枯竭,环境污染问题也日益凸显,可再生能源的开发和利用为此提供了一个切实可行的解决之道.但大部分可再生能源发电,如风力发电、太阳能发电、波浪发电等都具有间歇性的特点,因此要保证系统能提供稳定的电能质量,必须引入相应的储能单元[1-2].随着电力电子学、材料学等学科的发展,各种新型储能技术具有巨大的发展潜力,如飞轮储能、电池储能、超导储能和超级电容器储能等[3-4].蓄电池是目前在新能源发电中应用最广泛的储能装置.蓄电池适合长期储能,缺点是充电次数有限、寿命短、维修费用高,此外,废弃的电池会对环境造成污染[5].超导储能系统(SMES)可以长期无损耗地储存能量,能量返回效率很高,并且能量释放速度快,通常只需几秒钟,但是,由于超导体价格昂贵,在很大程度上限制了SMES的应用范围.超级电容器则因为耐压低,不适合应用在大规模可再生能源发电中.飞轮储能具有能量密度高、瞬时功率大、质量轻、充电快、无污染、对温度不敏感、寿命长和容易测量放电深度等优点[6-7],在以航天卫星、电动汽车、大功率设备以及以风力发电和太阳能发电为代表的分布式发电等领域具有很好的应用前景,在很多方面已有取代化学电池的趋势[8].

飞轮储能系统用的电动机/发电机是一个集成部件,应具有较大的输出功率,较长的使用寿命,能量转换效率高,能适应大范围的速度变化等特点.飞轮储能系统用集成式电动机/发电机的类型主要包括感应电机、永磁同步电机、永磁无刷电机和开关磁阻电机等.感应电机飞轮一般适合中低速飞轮产品,转换效率偏低且不易工作在高速场合[9-11].文献[12]的研究结果表明感应电机通过减小转子损耗等缺点可以在飞轮储能系统中得到一定的应用.永磁电机飞轮从类型上有正弦波永磁电机和方波永磁电机,从结构上既有内转子也有外转子结构,定、转子无铁心结构等特殊永磁电机也得到了较多的应用,其主要缺点是,存在失磁和退磁的可能,并且磁场不易调节,弱磁增速较难.开关磁阻电机的定子采用集中绕组,转子无励磁绕组,从而具有很好的转子机械特性和高温适应性,适用于宽范围调速运行[13-14],因此它较适合用作具有广泛应用前景的高速旋转飞轮储能系统的驱动电机.

由于集成式开关磁阻电机飞轮储能系统具有非线性、多变量和强耦合等特征,传统的线性控制器很难满足系统的动态响应和稳态要求,模糊、神经网络等一些先进的智能控制方法开始逐渐被应用[15-16].模糊控制具有鲁棒性强、对参数变化不敏感、控制规则易于理解、实现简便且不依赖被控对象的精确数学模型等优点,对于非线性、时变、滞后、变结构的被控对象可取得较好的控制效果.此外,由于二维模糊控制器存在静差,通过引入PI调节器能够弥补模糊控制的不足,提高系统的鲁棒性和稳态精度.在飞轮能量存储阶段,采用恒转矩结合恒功率的控制策略加快飞轮储能速度;在能量释放阶段,通过电压闭环控制稳定输出电压,同时向负载输出稳定的功率,实现了系统的功率和电压控制.仿真结果表明,模糊PI控制器能够很好地控制飞轮转速和输出电压.

1 能量转换系统主电路拓扑结构

开关磁阻电机系统是典型的机电一体化装置,其与功率变换器及控制器不可分离.根据飞轮储能的工作原理及工程要求可知,SRM功率变换器的主要作用有:①通过功率电子器件的开通或关断控制绕组中电流的大小;②为绕组提供续流回路;③控制飞轮处于储能状态、空闲状态或者释能状态.由于SRM的固有特性,电机各相绕组相互独立,而且只需要单方向电流,这就使得其功率变换器比交流电机变频器简单、可靠.SRM功率变换器电路有多种形式,本文采用三相不对称半桥拓扑结构,如图1所示,其中A相、B相和C相分别为SRM的三相绕组.

开关磁阻电机中转子磁极与定子磁极相对位置不同时,磁场分布也不同,因而定子绕组电感随转子磁极与定子磁极之间的相对位置变化而变化.电机转动过程中,转子的位置角θ不断变化,电机定子绕组的电感就在最大电感量Lmax和最小电感量Lmin这两个特定电感值之间周期地变化.通过控制6/4极SRM功率变换器中的开关管T1、T2、T3、T4、T5和T6的开通和关断即可控制电机的电磁转矩.当在绕组电感的上升阶段给对应相定子绕组通电,电机产生正向转矩,工作在电动状态;当在绕组电感的下降阶段给对应相定子绕组通电,电机产生反向转矩,工作在发电状态.

图1 SRM功率变换器拓扑结构Fig.1 Topology of SRM power converter

飞轮能量转换系统主电路拓扑结构如图2所示,主要由SRM功率变换器、PWM变流器、工作方式控制开关以及集成式开关磁阻电机飞轮组成.当飞轮运行在能量存储阶段时,PWM变流器工作于整流状态,将三相交流电整流为直流电,为飞轮提供能量;当运行在能量释放阶段时,PWM变流器工作于逆变状态,输出满足负载要求的交流电.通过SRM功率变换器和PWM变流器来实现飞轮储能系统的能量双向流动.该电路简单,易于实现系统的恒压变频和功率控制.

图2 飞轮储能系统主电路结构Fig.2 Main circuit structure of FESS

2 能量存储/释放控制策略研究

飞轮储能系统的能量存储和能量释放都是通过控制其驱动电机来完成的,驱动电机的控制是电能与机械能转换的桥梁,因此对飞轮的控制可简化为对飞轮驱动电机的控制.在飞轮的储能阶段,开关磁阻电机工作在电动状态,使飞轮本体加速,将电能转化为动能;在能量释放阶段,开关磁阻电机工作在回馈发电状态,飞轮减速,将动能转化为电能.

在理想SRM线性模型下,根据能量守恒定律,不考虑电路中电阻损耗、铁心损耗和转子旋转产生机械损耗,可得电磁转矩为[17-18]

(1)

由式(1)可知,电磁转矩的大小与电流的平方成正比,且转矩的方向与电流的方向无关.根据SRM电感变化率的不同,电磁转矩可分为如下两种:

因此,可以通过改变绕组的通电时刻,即改变SRM的开通角θon和关断角θoff来控制SRM的工作运行状态.

图3 二维模糊控制原理Fig.3 Two-dimension fuzzy control principle

语言变量值选用常用的7个,即负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB).速度误差E、误差变化率EC及控制量变化U的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}.常用的隶属度函数有三角形、梯形、正态形等.本文采用三角形隶属度函数,速度误差、误差变化率及控制量变化均采用三角形隶属度函数,如图4所示.模糊控制规则是模糊控制器的关键部分,模糊控制规则如表1所示.

图4 隶属度函数

表1 不同的E、EC对应的UTable1 U corresponding to different E and EC

二维电机模糊控制器动态性能好,但消除系统稳态误差的性能较差,难以达到较高的控制精度.通过将模糊控制与PI控制结合起来,能有效地改善系统的稳态性能,实现两种控制方式的优势互补[19-20].

2.1 能量存储控制策略研究

SRM在启动和低速运行时,SRM呈现恒转矩特性,这时电机以最大加速度加速运行.然而由于此时电机反电动势较小,故绕组的电流上升很快[21],为保护功率开关元件和电机,需采用限流措施.电流滞环控制可将SRM绕组电流限制在一个固定的范围内,有效地保护系统元件.随着电机转速的增加,磁链和电流随之下降,转矩也随转速上升而下降,电机的运行特性从恒转矩区进入恒功率区.此时,对SRM应采用角度位置控制(APC)方式.本文采用固定关断角θoff,改变开通角θon的APC方式.改变SRM开通角θon,可改变电流波形的宽度、峰值和有效值大小,还能改变电流波形与电感波形的相对位置,从而改变电机的转矩与转速.在飞轮能量存储过程中,采用恒转矩与恒功率相结合的控制策略,不仅加快了飞轮的储能速度,还能有效降低电机的容量.采用模糊PI控制器的飞轮储能控制框图如图5所示.

图5 飞轮能量存储控制框图Fig.5 Control diagram of flywheel energy storage

2.2 能量释放控制策略研究

SRM本体只有定子绕组,其励磁绕组与电枢绕组合二为一.由此可见,SRM的发电运行状态可分为励磁和发电两个阶段.开关磁阻电机的转子位置θ在θon～θoff阶段为励磁阶段,可控参数有θon,θoff和励磁电压;在θ>θoff阶段为回馈发电阶段,其输出电流不能直接被控制,但可通过调节励磁来控制发电过程.

图6 飞轮能量释放控制框图Fig.6 Control diagram of flywheel energy release

3 仿真分析

飞轮能量存储时,采用恒转矩与恒功率结合的复合控制策略,即在nnb时,飞轮进入恒功率区,采用模糊PI控制器调节θon,使飞轮转速快速上升到参考转速.飞轮在恒转矩与恒功率复合控制策略下的A相电流I和转矩Te的波形分别如图7和图8所示.

飞轮能量释放时,采用电压闭环控制策略对飞轮输出电压进行控制.对开关磁阻电机采用APC,固定关断角,调节开通角.此时,θoff为30°,模糊PI控制器调节θon,使得飞轮输出电压跟随给定值,直流母线参考电压为400 V;并通过PWM变流器给交流负载供电.飞轮能量释放时的电机A相电流、直流母线电压和注入负载有功功率分别如图9～图11所示.飞轮整个能量存储/释放过程的转速变化如图12所示.

图7 恒转矩运行Fig.7 Constant torque operation

图8 恒功率运行Fig.8 Constant power operation

图9 A相电流波形图Fig.9 Phase A current

图10 直流母线电压Fig.10 DC link voltage

图11 负载有功功率Fig.11 Active power of load

图12 转速波形Fig.12 Speed waveform

由仿真结果可知,在n

4 总 结

以SRM作为飞轮的驱动电机,并采用三相半桥不对称SRM功率变换器与PWM变流器组成飞轮储能能量转换系统,实现飞轮储能系统能量的双向流动.针对集成式开关磁阻电机飞轮储能系统的非线性、多变量和强耦合等特点,提出采用模糊PI控制器对飞轮储能系统进行控制,提高了系统动态响应和稳态精度.通过搭建仿真模型,验证了本文所提出的飞轮能量存储/释放控制策略的可行性和正确性.

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【责任编辑: 李 艳】

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

国家自然科学基金资助项目(51007060,51107088); 天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(15JCZDJC32100).

方红伟(1977-),男,安徽歙县人,天津大学副教授,博士; 肖朝霞(1981-),女,河北固安人,天津工业大学副教授,博士.

2095-5456(2015)04-0289-07

TM 352

A