Synchronous response modelling and control of an annular momentum control device

Research on the synchronous response modelling and control of an advanced Annular Momentun Control Device (AMCD) used to control the attitude of a spacecraft is described. For the flexible rotor AMCD, two sources of synchronous vibrations were identified. One source, which corresponds to the mass unbalance problem of rigid rotors suspended in conventional bearings, is caused by measurement errors of the rotor center of mass position. The other sources of synchronous vibrations is misalignment between the hub and flywheel masses of the AMCD. Four different control algorithms were examined. These were lead-lag compensators that mimic conventional bearing dynamics, tracking notch filters used in the feedback loop, tracking differential-notch filters, and model-based compensators. The tracking differential-notch filters were shown to have a number of advantages over more conventional approaches for both rigid-body rotor applications and flexible rotor applications such as the AMCD. Hardware implementation schemes for the tracking differential-notch filter were investigated. A simple design was developed that can be implemented with analog multipliers and low bandwidth, digital hardware

Energy Management and Control System Design of an Integrated Flywheel Energy Storage System for Residential Users

This paper presents the energy management and control system design of an integrated flywheel energy storage system (FESS) for residential users. The proposed FESS is able to draw/deliver 8 kWh at 8 kW, and relies on a large-airgap surface-mounted permanent magnet synchronous machine, the inner rotor of which integrates a carbon-fiber flywheel, leading to a compact and efficient FESS. The proposed energy management system is based on four different operating modes, which are defined and can be selected in accordance with FESS speed and/or user’s preference, while FESS control system is devoted to power/current tracking at both machine- and grid-side converters. The effectiveness of the proposed solutions, as well as the overall energy performance of the proposed FESS, are verified by real-time simulations, which regard different operating conditions and/or realistic scenarios

Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

Mit dem Ziel, den Stromsektor zu dekarbonisieren und dem Klimawandel zu begegnen, steigt der Anteil erneuerbarer Energieressourcen in den Energiesystemen rund um den Globus kontinuierlich an. Aufgrund des intermittierenden Charakters dieser Ressourcen kann die Aufrechterhaltung des momentanen Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch und damit der Netzfrequenz ohne angemessene Maßnahmen jedoch eine Herausforderung darstellen. Da erneuerbare Energiequellen mit Umrichterschnittstellen dem System selbst keine Trägheit verleihen, nimmt gleichzeitig die kumulative Systemträgheit ab, was zu schnelleren Änderungen der Netzfrequenz und Bedenken hinsichtlich der Netzstabilität führt. Ein Schwungrad-Energiespeichersystem (Flywheel Energy Storage System, FESS) kann schnell große Leistungsmengen einspeisen oder aufnehmen, um das Netz nach einer abrupten Änderung der Erzeugung oder des Verbrauchs zu unterstützen. Neben der schnellen Reaktionszeit hat ein FESS den Vorteil einer hohen Leistungsdichte und einer großen Anzahl von Lade- und Entladezyklen ohne Kapazitätsverlust während seiner gesamten Lebensdauer. Diese Eigenschaften machen das FESS zu einem gut geeigneten Kandidaten für die Frequenzstabilisierung des Netzes oder die Glättung kurzfristiger Leistungsschwankungen auf lokaler Ebene. In dieser Dissertation wird die Netzintegration eines Hochgeschwindigkeits-FESS auf der Niederspannungsebene aus mehreren Perspektiven untersucht. Zunächst wird das Problem der Platzierung und Dimensionierung eines FESS in Niederspannungsverteilnetzen für Leistungsglättungsanwendungen behandelt. Um den am besten geeigneten Standort für ein FESS zu finden, wird eine datengetriebene Methode zur Abschätzung der relativen Spannungsempfindlichkeit vorgestellt, die auf dem Konzept der Transinformation basiert. Der Hauptvorteil der vorgeschlagenen Methode besteht darin, dass sie kein Netzmodell erfordert und nur Messwerte an den interessierenden Punkten verwendet. Messergebnisse aus einem realen Netz in Süddeutschland zeigen, dass mit dem vorgeschlagenen Ansatz die Netzanschlusspunkte mit einer höheren Spannungsempfindlichkeit gegenüber Wirkleistungsänderungen, welche am meisten von einem durch FESS ermöglichten, glatteren Leistungsprofil profitieren können, erfolgreich zugeordnet werden können. Darüber hinaus wird eine neue Methode zur Dimensionierung von Energiespeichersystemen unter Verwendung von Messdaten eingeführt. Der vorgeschlagene Ansatz erkennt wiederkehrende Verbrauchsmuster in aufgezeichneten Leistungsprofilen mit Hilfe des "Motif Discovery"-Algorithmus, die dann zur Dimensionierung verschiedener Speichertechnologien, einschließlich eines FESS, verwendet werden. Anhand von gesammelten Messdaten aus mehreren Niederspannungsnetzen in Deutschland wird gezeigt, dass die Speichersysteme mit den aus den detektierten Mustern abgeleiteten Charakteristika während der gesamten Messperiode effektiv für ihre Anwendungen genutzt werden können. Als nächstes wurde ein dynamisches Modell eines Hochgeschwindigkeits-FESS entwickelt und mit experimentellen Ergebnissen in mehreren Szenarien, unter Berücksichtigung der Verluste und des Hilfsenergiebedarfs des Systems, validiert. In den untersuchten Szenarien wurde eine maximale Differenz von nur 0,8 % zwischen dem Ladezustand des Modells und dem realen FESS beobachtet, was die Genauigkeit des entwickelten Modells beschreibt. Nach Festlegung des erforderlichen Aufbaus wurde die Leistungsfähigkeit eines 60 kW Hochgeschwindigkeits-FESS während mehrerer Frequenzabweichungsszenarien mit Hilfe von Power Hardware-in-the-Loop-Tests beurteilt. Die Ergebnisse der PHIL-Tests zeigen, dass das Hochgeschwindigkeits-FESS sehr schnell nach einer plötzlichen Frequenzabweichung reagiert und in knapp 60 ms die erforderliche Leistung erreicht, wobei die neuesten Anforderungen der Anwendungsregeln für die Frequenzunterstützung auf der Niederspannungsebene erfüllt werden. Um schließlich die Vorteile des schnellen Verhaltens des FESS für Energiesysteme mit geringer Trägheit zu demonstrieren, wurde ein neuartiger adaptiver Trägheits-Emulationsregler für das Hochgeschwindigkeits-FESS eingeführt und seine Leistung in einem Microgrid mit geringer Trägheit durch Simulationen und Experimente validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Verwendung des FESS mit dem vorgeschlagenen Trägheits-Emulationsregler die maximale Änderungsrate der Frequenz um 28 % und die maximale Frequenzabweichung um 44 % während der Inselbildung des untersuchten Microgrid reduzieren kann und mehrere zuvor vorgestellte adaptive Regelungskonzepte übertrifft. Der vorgeschlagene Regler wurde auch auf einem realen 60 kW FESS mit dem Konzept des Rapid Control Prototyping implementiert, und die Leistungsfähigkeit des FESS mit dem neuen Regelungsentwurf wurde mit Hilfe von PHIL-Tests des FESS validiert. Die PHIL-Ergebnisse, die die allererste experimentelle Validierung der Trägheitsemulation mit einem FESS darstellen, bestätigen die Simulationsergebnisse und zeigen die Vorteile des vorgeschlagenen Reglers

Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

A Flywheel Energy Storage System (FESS) can rapidly inject or absorb high amounts of active power in order to support the grid, following abrupt changes in the generation or in the demand, with no concern over its lifetime. The work presented in this book studies the grid integration of a high-speed FESS in low voltage distribution grids from several perspectives, including optimal allocation, sizing, modeling, real-time simulation, and Power Hardware-in-the-Loop testing

Dry Clutch Modeling, Estimation, and Control

A Doctor’s degree comprises 240 ECTS credits (4 years of full-time postgraduate studies), of which at least 120 ECTS credits constitute a doctoral dissertation

RAPID CLOCK RECOVERY ALGORITHMS FOR DIGITAL MAGNETIC RECORDING AND DATA COMMUNICATIONS

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre-DSC:DXN024293 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Integration of Flywheel Energy Storage Systems in Low Voltage Distribution Grids

A Flywheel Energy Storage System (FESS) can rapidly inject or absorb high amounts of active power in order to support the grid, following abrupt changes in the generation or in the demand, with no concern over its lifetime. The work presented in this book studies the grid integration of a high-speed FESS in low voltage distribution grids from several perspectives, including optimal allocation, sizing, modeling, real-time simulation, and Power Hardware-in-the-Loop testing

Low cost attitude control system scanwheel development

In order to satisfy a growing demand for low cost attitude control systems for small spacecraft, development of low cost scanning horizon sensor coupled to a low cost/low power consumption Reaction Wheel Assembly was initiated. This report addresses the details of the versatile design resulting from this effort. Tradeoff analyses for each of the major components are included, as well as test data from an engineering prototype of the hardware

Assessment of flywheel energy storage for spacecraft power systems

The feasibility of inertial energy storage in a spacecraft power system is evaluated on the basis of a conceptual integrated design that encompasses a composite rotor, magnetic suspension, and a permanent magnet (PM) motor/generator for a 3-kW orbital average payload at a bus distribution voltage of 250 volts dc. The conceptual design, which evolved at the Goddard Space Flight Center (GSFC), is referred to as a Mechanical Capacitor. The baseline power system configuration selected is a series system employing peak-power-tracking for a Low Earth-Orbiting application. Power processing, required in the motor/generator, provides a potential alternative configurations that can only be achieved in systems with electrochemical energy storage by the addition of power processing components. One such alternative configuration provides for peak-power-tracking of the solar array and still maintains a regulated bus, without the expense of additional power processing components. Precise speed control of the two counterrotating wheels is required to reduce interaction with the attitude control system (ACS) or alternatively, used to perform attitude control functions. Critical technologies identified are those pertaining to the energy storage element and are prioritized as composite wheel development, magnetic suspension, motor/generator, containment, and momentum control. Comparison with a 3-kW, 250-Vdc power system using either NiCd or NiH2 for energy storage results in a system in which inertial energy storage offers potential advantages in lifetime, operating temperature, voltage regulation, energy density, charge control, and overall system weight reduction