Spacecraft Attitude Tracking and Energy Storage Using Flywheels

The control law of the flywheel in an integrated power and attitude control system （IPACS） for a spacecraft is investigated. The flywheels are used as attitude control actuators as well as energy storage device. A feedback control law for attitude tracking is firstly developed by using Lyapunov approach, and then a torque based control law of the flywheel is studied. The control torque vector of the flywheel is decomposed into three parts which are orthogonal to one another by using the method of singularity value decomposition （SVD）. One part is used to provide the attitude control torque, another part is used to store energy with given power, and the last part is used to accomplish wheel speed equalization to avoid wheel saturation caused by large difference among the wheel spin rates. A management scheme for energy storage power using kinetic energy feedback is proposed to keep energy balance, which can avoid wheel saturation caused by superfluous energy. Numerical simulation results demonstrate the effectiveness of the control scheme.

New Strategy of IPACS Design and Energy Management for Spacecrafts

The design problem of an integrated power and attitude control system （IPACS） for spacecrafts is investigated. A Lyapunov-typed IPACS controller is designed for a spacecraft equipped with 4 flywheels （3 orthogonal ＋ 1 skew）. This controller keeps in the nonlinear properties of original systems, so the control result can be more precise. A control law of the flywheels is also proposed to accomplish the attitude control and energy storage simultaneously. Aiming at the limitations existing in the power conversion characteristic and the wheel＇s motor, a new strategy of energy management is proposed. The strategy can not only make the charged/discharged energy reaching balance in each orbital period, but also sufficiently utilize the power provided by the solar arrays. Therefore, the size and mass of solar arrays can be decreased, and the cost of spacecraft can be economized. A simulation example illustrates the validity of the designed IPACS.

飞轮储能系统的计算机处理技术研究

目前能源消费与能源发展下的环保问题是我国能源研究的核心,飞轮储能功率较高且操作技术相对直接不会造成环境污染,是一种较为先进的储能技术。本文综述了飞轮储能系统的核心结构,包括飞轮转子结构以及飞轮轴承结构;同时历数了当前较为先进的针对飞轮储能电机控制的计算机处理控制技术,以期为后续研究提供一定思路。

飞轮储能辅助火电机组一次调频及其性能评价

为促进太阳能、风能等新能源消纳,进一步拓宽火电储能技术升级和灵活性改造渠道,助力双碳目标和新型电力系统建设,提出增设储能系统辅助火电机组调频以解决火电机组爬坡慢、机组振荡不稳定等问题。基于国内外研究现状,提出机组以及储能系统荷电状态出力控制策略模型,通过Matlab/Simulink搭建两区域电网进行模拟仿真。结果表明,在阶跃扰动下区域1机组耦合1 MW飞轮储能系统后,峰值降至1.93×10^(-3)pu,降低4×10^(-4) pu,占原频率波动率的9.39%,机组实际出力从2.45×10^(-2)pu降至1.61×10^(-2)pu,降低34%。结果表明,在外界相同扰动条件下,采用飞轮储能辅助火电机组调频可有效减小系统频率波动量,减少汽轮机输出功率波动,提升调频性能。

基于逐次变分模态分解的飞轮-火电一次调频控制策略

随着新型电力系统的大力建设与推广,火电机组面临的调频压力增大,提出一种逐次变分模态分解的飞轮-火电一次调频控制策略。首先,以飞轮储能和火电机组为研究对象,建立考虑新能源占比的飞轮-火电一次调频模型;其次,将一次调频功率指令利用逐次变分模态方法分解,由火电机组响应分解后的低频功率指令,同时设计飞轮储能下垂优化控制方法,实现飞轮储能与火电机组响应频率变化的协同控制;最后在不同工况下仿真验证,结果表明所提策略可有效避免火电机组一次调频时的频繁出力,减小火电机组响应频率变化时的调控要求,同时可最大限度地利用飞轮储能调频容量并保证飞轮储能调频期间的运行安全,进一步提升了系统的频率响应能力。

飞轮储能技术在断路器动态特性检测中的应用

在地铁列车断路器动态特性检测中,引入飞轮储能系统能够有效回收列车再生制动能量,稳定断路器开关动作电压,但单飞轮储能系统容量较小,难以满足列车再生制动能量利用需求,飞轮储能阵列(FESA)是解决这一问题的有效手段.首先,分析飞轮储能系统的数学模型和运行特性;然后,考虑稳压节能及弱磁需求,给出基于多电压阈值的单飞轮储能系统控制策略,并在此基础上针对飞轮阵列均速控制和工作模式管理等核心问题,提出基于转差修正控制和基于“电压-转速-电流”三闭环控制的两种飞轮储能阵列控制策略;最后,通过仿真和实验验证飞轮储能阵列控制策略的可行性.

复杂工况下储能飞轮转子传力支承与减振设计

针对复杂工况下飞轮转子上、下传力支承角接触球轴承与支座间隙配合导致的振动问题,以及真空环境下振动控制问题,提出飞轮转子上支承采用圆柱滚子轴承,下支承采用深沟球轴承+成对角接触球轴承联合传力支承方案,解决了复杂工况下轴向力调整、磁轴承失效、轴向力平衡、支承刚度连续、支承系统变形协调等结构设计难题。同时引入一种主控式弹支干摩擦阻尼器(ESDFD),抑制转子径向振动。采用有限元法建立ESDFD-储能飞轮转子系统耦合动力学模型,计算飞轮转子动力学特性,分析单/双阻尼器对转子振动的控制效果。结果表明:针对转子一阶、二阶模态振动,采用单/双阻尼器控制方式,最大响应均低于30μm,减振比超过90%。

基于模糊卡尔曼滤波和改进滑模控制的风电场飞轮储能控制策略

在风电场并网点处配置一定容量的飞轮储能装置(FESS)可以有效平滑并网功率,提高风电场的电网友好性。为提高FESS的功率响应速度,增强对风电功率波动的平抑效果,同时避免在功率波动太大时储能过充/过放,文章提出了一种基于模糊卡尔曼滤波和改进滑模控制(SMC)的飞轮储能控制策略。根据FESS的实时转速和功率自适应调节卡尔曼增益,将滤波结果与风电场实际输出功率的差值作为滑模控制器的输入,实现对飞轮储能的功率控制。仿真结果表明,文章提出的控制策略具有较好的动态响应特性,可以有效平滑风电功率,使其满足并网要求,在平滑过程中保证飞轮转速在限定范围内,有利于延长FESS的使用寿命。

飞轮储能阵列系统协调控制方法综述

因受材料、成本和技术等因素制约,提高单个飞轮储能装置的容量较为困难,难以满足长时间大功率的需求。对此提出使用飞轮阵列来提高飞轮系统的总储能容量,进而降低装置的研发和生产成本。对于飞轮阵列储能系统,研究各储能单元协调控制、相互配合的控制策略是实现阵列高效、安全运行的解决方案。从飞轮储能阵列系统拓扑结构、协调控制策略及协调控制算法进行全面的综述。从飞轮储能阵列不同并网拓扑结构出发,探讨了适用于直流母线并联和交流母线并联对应的功率分配控制策略;随后以飞轮储能阵列并行接入电网为切入点,分别对集中式、主从式与分布式协调控制算法进行比较研究和归纳总结,重点评述了分布式一致性算法优势,并在此基础上进一步总结基于智能算法高效率求解的功率分配控制策略。最后,指出了飞轮储能阵列系统并网运行协调控制面临的挑战。

基于矩阵变换器的飞轮储能模型预测控制策略

飞轮储能系统常用的背靠背变换器中间存在直流环节及电解电容,使得变换器体积庞大,而且直流环节电解电容器会带来直流电压控制、寿命和维护成本等问题。针对上述问题,采用矩阵变换器作为飞轮储能系统的控制变换器,有效地融入了矩阵变换器的优势,避免了背靠背变流器中直流环节及电解电容带来的问题。在分析储能系统工作原理的基础上,考虑到矩阵变换器电压传输比的限制,通过理论计算得出基于矩阵变换器的飞轮储能系统的运行范围。通过理论分析得到了飞轮储能系统功率与飞轮转速的关系,然后利用转速外环电流内环的双闭环控制方式实现对飞轮储能系统的控制。电流内环采用模型预测控制策略对矩阵变换器进行控制,从而实现飞轮储能系统的充放电控制。Matlab/Simulink中的仿真结果验证了运行范围分析的准确性和所提控制策略的有效性.

考虑火电运行平稳性的飞轮储能辅助二次调频控制策略

为解决电网波动剧烈导致的火电机组运行平稳性问题,提出一种考虑火电运行平稳性的飞轮储能辅助二次调频控制策略。首先,建立了超超临界火电机组联合飞轮储能的二次调频控制模型;其次,提出了一种基于多层变增益速率限制的AGC指令非线性分解方法;最后,综合机组平稳性和系统AGC性能设计了适应度函数,借助鲸鱼优化算法(WOA)实现了最优化的速率限制算法参数获取。基于上述方法设计了火储协同二次调频控制策略。以某1000 MW火电机组-飞轮储能联合系统为例进行了仿真验证。结果表明:所提控制策略在不影响系统调频性能的前提下可以使联合系统有效响应系统高频指令,减小了火电机组的动作幅度,提升了机组运行的平稳性。

计及灵活经济环保运行的火电-飞轮储能系统容量配置与调频参数协同优化

提出了一种计及灵活经济环保运行的火储系统容量配置与调频参数协同优化方法。首先,设计了一种基于低通滤波自动分配火储功率和考虑储能荷电状态自恢复的火储联合一次调频协调控制策略;综合考虑系统调频性能、投入运行成本、污染物排放等,建立了火储容量配置与调频参数协同优化模型,并给出了基于粒子群算法的求解方法。最后,以某火储系统为例进行仿真验证。结果表明:协调控制策略和协同优化方法具有有效性。

飞轮储能装置在轨道交通中的应用研究

城市轨道交通中列车频繁启动制动,制动能量大,网压波动大,有些线路存在钢轨电位严重的问题。飞轮储能装置具有功率大、响应速度快、寿命长等特点,可以对再生制动能量在直流侧进行即收即用,节能效果好,能稳定网压波动。由于飞轮储能装置的接入可以实现多点回流、缩短电流回流路径,故对钢轨电位也有改善效果。文章分别就既有线路和新建线路,考虑牵引所空间限制、储能装置平均功率峰值、节能效果等因素,说明了飞轮储能装置的容量配置方法并针对实际案例进行容量配置说明。为使飞轮储能装置的控制策略灵活应对地铁线路的复杂工况,设置节能、稳压、网压支撑、钢轨电位治理、应急电源五种工作模式。通过飞轮储能装置在实际工程的应用案例验证了飞轮储能装置具有良好的稳压效果,平均节能率为11.36%~17.28%,全功率响应频次为31次/h,且经试验验证飞轮储能装置具有应急电源功能。

飞轮储能参与风电平滑的自适应滤波算法及无传感器控制

通过对风电系统和飞轮储能系统运行特性的分析,针对飞轮转子设计难以安装位置传感器的特殊性问题,提出一种基于自适应非奇异快速终端滑模观测器的飞轮储能无传感器控制策略,提高转子位置角估计精度。此外,针对飞轮储能系统参考功率指令滞后的问题,在无传感器控制基础上,引入自适应滤波算法作为飞轮储能控制系统的功率给定,以减小功率指令滞后现象。在Typhoon HIL 602+仿真平台进行实验验证,结果表明:飞轮储能系统运行性能良好,观测器具有优越的估计性能,能满足飞轮快速充放电并有效平滑风电功率波动的控制需求,同时提高储能利用率。

基于滑模控制的飞轮储能直接功率母线电压控制策略研究

飞轮储能以其瞬时充放电功率大、功率密度高等特点而在储能微电网、大功率UPS中得到广泛应用。飞轮系统可快速输出能量,调节微电网输出频率和电压。然而,储能飞轮在宽速度范围放电时,很难兼顾输出电压的高动态响应和低速稳定性,严重影响了动态性能和放电深度。为提高飞轮储能在放电模式下的动态响应速度和稳定性,提出了一种基于积分滑模控制的固定开关频率直接功率控制策略。该控制策略兼顾了高动态性和飞轮低速稳定性,在负载突变时电压调整率提高了45%,在低速段也能稳定跟随跟定电压,飞轮的利用率提高了7.5%。最后通过仿真分析验证了该控制策略的可行性。

On robustness of an AMB suspended energy storage flywheel platform under characteristic model based all-coefficient adaptive control laws

A characteristic model based all-coefficient adaptive control law was recently implemented on an experimental test rig for high-speed energy storage flywheels suspended on magnetic bearings. Such a control law is an intelligent control law, as its design does not rely on a pre-established mathematical model of a plant but identifies its characteristic model while the plant is being controlled. Extensive numerical simulations and experimental results indicated that this intelligent control law outperforms a μ-synthesis control law, originally designed when the experimental platform was built in terms of their ability to suppress vibration on the high-speed test rig. We further establish, through an extensive simulation, that this intelligent control law possesses considerable robustness with respect to plant uncertainties, external disturbances, and time delay.

抽水蓄能-飞轮混合储能系统协调控制方法

建立了一台容量为300 MW的抽水蓄能机组功率模型和容量为25 MW的飞轮储能阵列模型并分析了各自的充放电特性。然后,为了达到抽水蓄能机组综合调频指标提高至2倍,同时减小机组磨损进而降低损耗成本的目标,基于水电机组斜坡输入控制策略和飞轮储能阵列荷电状态(SOC)分段控制策略,提出了一种抽水蓄能-飞轮混合储能系统的协调控制策略。最后,根据某额定功率为300 MW的抽水蓄能机组历史运行数据,通过仿真实验验证了所提出的混合储能系统协调控制策略。结果表明:在电网二次调频过程中,提出的混合储能系统协调控制策略将抽水蓄能机组的综合调频性能指标提高2.29倍以上,能够显著减少抽水蓄能机组平稳运行阶段的频繁输出调整、进而降低损耗成本并提高抽水蓄能机组的稳态运行特性,同时保证飞轮储能阵列的SOC维持在合理水平。

含分布式新能源和机电混合储能接入的微网协调控制策略

含分布式光伏等新能源接入的微网作为大电网的补充目前应用日趋广泛,但是随着新能源在微网系统中的占比比例不断增加,其出力的波动直接影响到微电网系统整体的稳定性。飞轮储能属于功率型储能系统,能够适应短时高频次充放电,相比于超级电容系统其环境适应性更好且全寿命周期内无污染。飞轮与电池储能系统相结合能够平滑分布式新能源出力波动,提升微网系统稳定性,但是飞轮储能和电池储能运行特性差别较大,控制难度较高,目前在微网系统内应用较少。本文设计了一种含分布式光伏、电池/飞轮机电混合储能系统接入的交直流混合微网运行拓扑,并在此基础上提出了基于电池/飞轮机电混合储能系统的微网系统协调控制策略,根据飞轮和电池剩余容量的不同,将混合储能系统划分为不同状态,以此为依据同时考虑不同类型储能系统输出额定功率和分布式新能源功率波动大小,对飞轮和电池的充放电电流进行调节,从而减小由于新能源接入引起的微网内功率波动。本文基于MATLAB/Simulink环境搭建了基于交直流混合母线的微网系统,仿真结果验证了所提微网协调控制策略的有效性。

基于负荷预测的飞轮-火电系统自动发电控制响应性能优化

随着新能源发电占比的不断增加,电网频率的稳定性受到严峻挑战,传统火电机组参与电网调频的作用愈发突出,然而部分火电机组的调节速率和精度难以满足电网负荷变动需求。为此,提出一种基于负荷预测的飞轮-火电系统自动发电控制响应性能优化策略。首先对负荷进行预测,采用基于树的管道优化工具TPOT库自动机器学习搭配并训练负荷回归预测模型,在训练数据中引入自动发电控制日前计划值以减少预测误差;然后根据负荷预测值以及飞轮系统的当前荷电状态,以火电机组调节速率最小化为优化目标,在负荷分配中优先动作飞轮储能系统,并调整飞轮荷电状态;最后基于湖北某火电厂实际运行数据进行仿真实验,实验结果证明了所提方法能够有效改善火电机组的调频性能。

基于双滞环的飞轮储能系统充放电控制策略

针对飞轮储能系统(FESS)充放电过程中直流牵引网压剧烈波动导致电机频繁起停的情况,提出一种基于双滞环的FESS充放电控制策略。该策略在基于电压滞环的传统充放电控制策略的基础上增加了转速滞环控制,通过双滞环控制对FESS的充放电特性进行优化,能够有效避免电机的频繁起停问题,提高系统的储能效率和可靠性。在青岛地铁某线路实现挂网运行,通过工程应用验证了所提策略的可行性和实用性。