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飞轮储能系统低谐波控制方法 

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申请/专利权人:中国人民解放军海军工程大学

摘要:本发明涉及飞轮储能技术领域,公开了一种飞轮储能系统低谐波控制方法,在变流器输出侧配置LC滤波器,与飞轮电机的定子电感组成LCL滤波器,建立电流谐波、转子伸长量、调制开关角之间的数学映射关系,考虑阻尼电阻损耗、滤波电容无功功率、转子伸长量约束条件,建立优化问题数学模型,并求解得到滤波器参数及最优开关角组合。本发明飞轮储能系统低谐波控制方法,降低转子损耗的同时尽可能降低变流器开关频率,提高系统运行效率,保障大功率、高转速飞轮储能系统的高负荷长时稳定运行。

主权项:1.一种飞轮储能系统低谐波控制方法,其特征在于:包括如下步骤:A在变流器输出侧配置LC滤波器,与飞轮电机的定子电感构成LCL滤波器,同时在LC滤波器的滤波电容上串联一个阻尼电阻,定义LC滤波器中滤波电感的电感值为Lf,阻尼电阻的阻值为Rf,滤波电容的容值为Cf,飞轮电机的定子电阻为Rs,飞轮电机的定子电感为Ls,根据电路关系,得到电机电流is、滤波电容电流ic与变流器输出电压Uinv的传递函数关系,即: 式中,Uo为LC滤波器的输出电压,E为飞轮电机的反电动势电压,s为拉普拉斯算子,Hs为LC滤波器传递函数,流经飞轮电机与滤波电容的n次电流谐波幅值的表达式为: 式中,Un为变流器输出电压Uinv的n次电压谐波幅值;B通过飞轮电机电磁场模型计算不同谐波激励下的电机转子损耗Rloss,建立如下式所示的多项式映射关系,并通过最小二乘法得到相应的多项式系数: 式中,In为n次电流谐波的有效值,rn为第n次电流谐波带来的转子损耗,ai和bj为拟合得到的多项式系数,ωn为第n次电流谐波的频率,基于实验数据进行拟合,得到转子伸长量ΔL与电机转子损耗的关系: β和τ为拟合得到的系数,建立变流器输出电压Uinv与转子伸长量ΔL的关系,即: 其中,根据飞轮电机的设计结果,选取转子伸长量ΔL的上限值ΔLlim作为约束条件;C制定脉宽调制策略数学模型,选择变流器拓扑为三电平NPC、ANPC和H桥拓扑,定义Edc为半母线电压,Udc为母线电压,N为开关角个数,对应载波比为2N+1,αi为第i次开关事件的开关角,其n次谐波电压幅值表达式: 建立适用于隐极式永磁同步电机的最优开关角求约束条件为: 其中m为调制比;D基于上述脉宽调制策略数学模型,建立滤波器成本最小的优化目标函数J: 其中,gL·、gC·和gR·分别为滤波电感、滤波电容和阻尼电阻的成本函数,Nlim为最大开关角个数,Ulim为飞轮电机输入电压的最大值,Qlim为滤波电容无功功率的最大值,Ic为滤波电容电流的有效值,Ylim为阻尼电阻损耗最大值,表示Uo的基波分量满足最高转速时的电压需求,表示滤波电容的无功功率满足限制值,表示阻尼电阻的阻值Rf的损耗满足系统损耗限制与变流器的散热能力,求解上述方程,即可得到满足各约束条件的滤波器参数以及开关角。

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